因同时具有优异抗氧化和抗热腐蚀综合性能,β-(Ni,Pt)Al涂层被广泛应用于先进航空发动机和燃气涡轮发动机关键热端部件(如单晶涡轮转子和导向叶片)的表面防护。由于(Ni,Pt)Al涂层Al含量高,在高温环境下涂层会与单晶合金基体发生严重的元素互扩散,这种元素互扩散将导致涂层发生快速退化进而失去抵抗高温氧化能力,同时在基体侧生成含有针尖状TCP相的二次反应区(SRZ)。二次反应区的形成会破坏单晶基体中的γ/γ’共格结构,使得单晶基体的高温力学性能(尤其高温蠕变和疲劳)发生明显下降。为了解决(Ni,Pt)Al涂层与单晶的元素互扩散问题,本文将采取两种方法减少β-(Ni,Pt)Al涂层与基体的元素扩散:一是采用预镀Ni层的方式制备β-(Ni,Pt)Al/Ni复合涂层,使形成(Ni,Pt)Al涂层所需的Ni源来自预镀的Ni层,在延缓TCP相析出的同时拥有良好的抗氧化性能;二是引入Ni-Re层作为β-(Ni,Pt)Al涂层和单晶高温合金之间的扩散障前驱体,制备低扩散NiRePtAl涂层,使其在更长时间和更高温度下拥有更好的抗氧化性能。主要研究内容以及成果如下所示:为使涂层具有良好抗氧化性能的同时又能抑制涂层与基体之间的元素互扩散,在(Ni,Pt)Al涂层与N5基体间预先电镀Ni层,制备(Ni,Pt)Al/Ni复合涂层。将(Ni,Pt)Al/Ni与普通(Ni,Pt)Al两种涂层于1 100℃条件下进行恒温氧化测试,结果表明:(Ni,Pt)Al/Ni复合涂层在渗铝过程中并没有形成IDZ,且复合涂层下方的SRZ推迟到氧化100 h后才形成,预镀Ni层起到了明显的减缓SRZ生成作用;两种涂层均表现出良好的抗高温氧化性能,其中(Ni,Pt)Al/Ni复合涂层与单晶高温合金基体之间的元素互扩散得到了极大缓解,基体侧SRZ厚度变薄,同时针尖状TCP析出量显著降低。采用两步法制备具有Re基扩散障(DB)的β-(Ni,Pt)Al涂层。首先在镍基单晶高温合金N5表面电镀5 μm Ni-Re层作为扩散障前驱体,然后电镀Pt层并经过气相渗铝处理,制备出带有Re基扩散障的β-(Ni,Pt)Al涂层。为了研究含有Re基扩散障的β-(Ni,Pt)Al涂层的抗高温氧化性能,与普通(Ni,Pt)Al涂层对比,在1100℃环境下进行了循环氧化和恒温氧化测试,结果表明:Re基扩散障组成相主要为高稳定的σ-Re(Cr)相,含Re基扩散障的β-(Ni,Pt)Al涂层具有更良好的抗高温氧化性能,涂层与基体之间的互扩散程度比普通β-(Ni,Pt)Al涂层小,且SRZ厚度减少了约一半(49%),说明Re基扩散障起到了有效的扩散阻挡作用;在恒温氧化期间,Re基扩散障层的厚度和形态几乎没有变化,仍然保持σ-Re(Cr)相结构,表明Re基扩散障在Ni基单晶合金基体中具有良好的高温稳定性。上述Re基扩散障同样可应用于承温能力更强的Ni3Al基单晶金属间化合物,通过在Ni3Al基单晶高温合金表面进行电镀和气相渗铝(CVD)处理(其电镀工艺包括Ni-Re复合电镀和电镀Pt层),制备一种低扩散率NiRePtAl涂层(β-(Ni,Pt)Al外层+Re基阻扩散层)。与传统的NiAl和(Ni,Pt)Al涂层进行性能对比,将低扩散率NiRePtAl涂层在1100和1150℃下进行循环氧化性能评估,同时在1 100与1200℃下进行恒温氧化性能评测,结果表明:低扩散率NiRePtAl涂层在长期氧化后保持了更多残余β-NiAl相,表面氧化铝膜完整性和粘附性明显优于普通(Ni,Pt)Al涂层,并且Re基扩散障有效减缓了涂层与基体之间的互扩散以及基体中Mo元素向涂层的外扩散,基体中的SRZ析出厚度减少25%。这说明NiRePtAl涂层具有更优异的抗氧化性能,同时有效降低了涂层与单晶基体的元素互扩散。