NiCoCrAlYTa粘结层与镍基高温合金基体的界面高温互扩散行为.pdf

文章编号：2096 2983(2024)02 0017 10DOI:10.13258/ki.nmme.20230319001引文格式:蔡汉文，钟兴华，赵华玉，等NiCoCrAlYTa 粘结层与镍基高温合金基体的界面高温互扩散行为J有色金属材料与工程，2024，45（2）：17-26 DOI：10.13258/ki.nmme.20230319001 CAI Hanwen,ZHONG Xinghua,ZHAO Huayu,etalInterdiffusion behavior between NiCoCrAlYTa coating and Ni-based superalloy at high temperatureJNonferrous MetalMaterials and Engineering,2024,45（2）：17-26NiCoCrAlYTa 粘结层与镍基高温合金基体的界面高温互扩散行为蔡汉文1,2，钟兴华2，赵华玉2，庄 寅2，盛 靖2，倪金星2，李 伟1，陶顺衍2（1.上海理工大学 材料与化学学院,上海 200093；2.中国科学院上海硅酸盐研究所 中国科学院特种无机涂层重点实验室,上海 201899）摘要：采用真空等离子体喷涂技术(vacuum plasma spraying,VPS)在镍基高温合金 GH3128 基体表面沉积 NiCoCrAlYTa 粘结层，并在 1 100 进行不同时间的热处理。采用扫描电子显微镜（scanningelectron microscopy，SEM）、能 谱 仪（energy dispersive spectrometer，EDS）等 分 析NiCoCrAlYTa 粘结层与 GH3128 高温合金界面元素的互扩散行为。结果表明，在热处理过程中，互扩散区(interdiffusion zone，IDZ)和二次反应区(secondary reaction zone，SRZ)的厚度随着热处理时间延长而增大，且在 SRZ 中明显观察到拓扑密堆(topological close-packed，TCP)相晶粒的生长。Al、Ta、Co 元素由 NiCoCrAlYTa 粘结层向 GH3128 高温合金扩散，Ni、W、Mo 元素由GH3128 高温合金向 NiCoCrAlYTa 粘结层扩散。依据 EDS 检测的粘结层/基体界面处元素成分，计算出上述元素在界面处的扩散系数，掌握了各元素在高温热处理过程中的扩散速率，揭示了VPS 制备的 NiCoCrAlYTa 粘结层与 GH3128 高温合金界面处元素在高温下的互扩散规律。关键词：镍基高温合金；二次反应区；扩散系数；拓扑密堆相；真空等离子体喷涂中图分类号：TG 178 文献标志码：AInterdiffusion behavior between NiCoCrAlYTa coating andNi-based superalloy at high temperatureCAI Hanwen1,2，ZHONG Xinghua2，ZHAO Huayu2，ZHUANG Yin2，SHENG Jing2，NI Jinxing2，LI Wei1，TAO Shunyan2(1.School of Materials and Chemistry,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Key Laboratory of Inorganic Coating Materials CAS,Shanghai Institute of Ceramics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201899,China)有 色 金 属 材 料 与 工 程第 45 卷 第 2 期NONFERROUS METAL MATERIALS AND ENGINEERINGVol.45 No.2 2024收稿日期：20230319基金项目：国家科技重大专项资助项目(2017-VI-0010-0082)；上海市自然科学基金资助项目（21ZR1472800）第一作者：蔡汉文（1996），男，硕士研究生。研究方向：等离子体喷涂热障涂层。E-mail：通信作者：钟兴华（1979），男，副研究员。研究方向：等离子体喷涂热障涂层。E-mail：李伟（1981），男，教授。研究方向：纳米结构薄膜或涂层材料。E-mail：陶顺衍（1969），男，研究员。研究方向：热喷涂涂层制备关键技术研究。E-mai：Abstract:NiCoCrAlYTa coating was deposited on GH3128 superalloy substrate by vacuum plasmaspraying(VPS),and then the specimens were heated treatment for different time at 1 100 was carried.The element interdiffusion behavior was evaluated between the coating and the GH3128 superalloywere characterized by scanning electron microscopy(SEM)and energy dispersive spectrometer(EDS).The results show that thicknesses of the interdiffusion zone(IDZ)and the secondary reaction zone(SRZ)increase with the elongation of heat treatment time,and the growth of the topological close-packed(TCP)phases can be observed in the SRZ.Al,Ta and Co elements diffuse from the coating tothe substrate,while Ni,W and Mo elements diffuse from the substrate to the coating.According to theEDS results of the content of elements at the interface between the coating and the substrate,thediffusion coefficient of the above elements at the interface can be calculated.Therefore,the diffusionrate of each element can be achieved during high temperature heat treatment process,which discoversthe elements diffusion law at the interface between the coating and the substrate.Keywords:Ni-based superalloy;secondary reaction zone;diffusion coefficient;topological close-packed phase;vacuum plasma spraying 镍基高温合金因其在高温服役工况下具有优异的力学性能，被广泛用作航空发动机和地面燃机涡轮/透平的叶片等热端部件结构材料1-3。除了优异的力学性能外，还要求此类高温构件材料具有耐高温、抗蚀等性能4-6，方可满足苛刻的服役工况要求。为了提高镍基高温合金的高温服役可靠性，常在其表面沉积高温隔热的热障涂层（thermal barriercoatings，TBCs），其 中 MCrAlY（M 为 Ni、Co 或Ni+Co）常被用作热障涂层的粘结层材料。在高温服役过程中粘结层表面形成一薄层致密的-Al2O3热生长氧化物层（thermally grown oxide，TGO），能够增强粘结层的高温抗氧化性能7-11。热障涂层在高温服役过程中，粘结层与高温合金基体之间由于组成元素含量的差异，二者界面处会发生元素互扩散12。Al 等元素由粘结层向基体扩散，Ni 等元素由基体向粘结层扩散，从而改变粘结层/基体界面处的微观组织结构，进而影响镍基高温合金的性能。粘结层/基体界面受元素高温扩散影响而生成的区域由两部分组成：互扩散区（interdiffusion zone，IDZ）和二次反应区（secondaryreaction zone，SRZ）。IDZ 位于粘结层/基体界面的基体一侧，SRZ 则是紧靠在 IDZ 的下方，SRZ 中含有拓扑密堆相（topological close-packed，TCP）。TCP 相主要由含 Mo、Re 和 W 等难熔金属元素的物相组成，难熔金属元素的添加本是用于提升高温合金基体的高温力学性能，但 TCP 相的析出不仅消耗高温合金基体中的难熔金属元素，而且会在粘结层和基体界面引发扩展裂纹，成为导致热障涂层失效的诱因之一13-19。近年来20，关于镍基高温合金中析出的 TCP 相的特征组织和化学成分以及沉积工艺对粘结层与镍基高温合金基体的界面高温互扩散行为的影响，有较多文献报道21，如 Elsa等22-24研究了超音速火焰喷涂（high-velocity oxygen-fuel，HVOF）和真空等离子体喷涂（vacuum plasma spraying，VPS）工艺对 MCrAlY 粘结层与镍基高温合金基体界面间Kirkendall 孔隙的演变，结果表明，孔隙的形成可导致粘结层与基体间的结合强度降低，甚至引起涂层系统的功能性破坏。目前关于镍基高温合金表面VPS 工艺沉积的 MCrAlY 涂层与基体之间界面元素高温互扩散的研究，也有一些文献报道，但尚不足以阐明镍基高温合金与 MCrAlY 涂层互扩散行为的规律。目 前，NiCr 基 固 溶 强 化 型 变 形 高 温 合 金GH3128 是长期使用温度不超过 950 的工况下性能较优异的高温合金材料之一，综合性能优于GH3044、GH3536 等同类固溶强化镍基高温合金。添加高熔点元素 Ta 的 NiCoCrAlYTa 粘结层由于耐高温和高温抗氧化性能优于常用的 MCrAlY 粘结层，目前已成为满足更高使用温度要求的粘结层选用材料之一。然而，VPS 工艺制备的 NiCoCrAlYTa粘结层与 GH3128 镍基高温合金基体界面处存在的元素互扩散问题亟需解决。要解决这一问题，首先必须阐明 NiCoCrAlYTa 粘结层与 GH3128 基体界18有 色 金 属 材 料 与 工 程2024 年 第 45 卷面处元素互扩散的规律。本工作研究了 VPS 制备的 NiCoCrAlYTa 粘结层经不同时间热处理后与 GH3128 镍基高温合金基体之间界面处的元素互扩散行为。通过表征元素互扩散过程中粘结层/基体界面处的微观组织形貌变化、IDZ 和 SRZ 的生长过程以及 SRZ 中 TCP 相的析出和长大，掌握粘结层与基体界面处各元素的互扩散规律，阐述 NiCoCrAlYTa 粘结层与 GH3128镍基高温合金在高温热处理过程中的元素互扩散机制。本工作是首次研究 VPS 制备的 NiCoCrAlYTa涂层经高温热处理后与 GH3128 镍基高温合金间的元素互扩散行为，揭示 VPS 制备的 NiCoCrAlYTa粘结层与镍基高温合金基体界面处元素在高温下 的 互 扩 散 规 律。本 研 究 为 高 温 环 境 下 VPSNiCoCrAlYTa 涂层在镍基高温合金表面的可靠使用提供依据。1 试验方法试验采用 GH3128 镍基高温合金作为基体材料，Oerlikon Metco（原 Sulzer Metco）公 司 的Amdry997（NiCoCrAlYTa）粉末作为粘结层喷涂原料，粉末粒径为 538 m。NiCoCrAlYTa 粉末和GH3128 镍基高温合金的主要成分分别如表 1 和表 2所示。GH3128 镍基高温合金棒材加工成 5 mm 15 mm 的胶囊形状，超声清洗、表面喷砂处理和再次超声清洗后，采用 VPS 工艺沉积 NiCoCrAlYTa涂层，喷涂工艺设定参数见表 3。将喷涂试样放入管式炉进行 1 100 热处理，热处理时长分别为10、20、40、70、150、300 h，每个保温时长的样品取1 个用于表征。采 用 SU8220 型 扫 描 电 子 显 微 镜（scanningelectron microscope，SEM）分析涂层的显微结构，并结合能谱仪（energy disperse spectroscopy，EDS）测定粘结层与基体界面处的元素含量。2 试验结果 2.1 NiCoCrAlYTa 制备态涂层的形貌及相组成图 1 是 GH3128 基体表面沉积 NiCoCrAlYTa粘结层的截面形貌。从图 1 可以看出，NiCoCrAlYTa粘 结 层 厚 度 约 为 200 m，结 构 致 密；基 体 与NiCoCrAlYTa 粘结层界面清晰且结合良好。粘结层和基体的 EDS 分析结果（表 4 和表 5）显示，NiCoCrAlYTa 粘结层的化学成分与粉体成分一致，与基体化学成分相比，NiCoCrAlYTa 粘结层中的Al 含量较高，Ni 含量较低，且有基体中不包含的Co。NiCoCrAlYTa 粘结层中 Al、Co、Ni 质量分数分 表 1 NiCoCrAlYTa 粘结层的化学成分（质量分数/%）Tab.1 Chemical composition of the NiCoCrAlYTa coating（mass fraction/%）NiAlCrCoYTa余量6.011.018.023.020.026.00.30.92.06.0 表 2 GH3128 高温合金的主要化学成分（质量分数/%）Tab.2 Main chemical composition of the GH3128superalloy（mass fraction/%）NiCrMoWMnSiAlTi余量19.022.07.59.07.59.00.50.80.40.80.40.8 表 3 VPS 喷涂工艺设定参数Tab.3 Setting parameters of VPS spraying process 项目参数等离子体气体流量/slpmAr:50H2:7电流/A650喷涂功率/kW48喷涂距离/mm300喷涂室压力/Pa8 000送粉速率/（gmin1）50 表 4 制备态试样位置 1（图 1 中）的元素含量（质量分数/%）Tab.4 Element content at positions 1（Fig.1）of theas-desposited sample（mass fraction/%）位置NiAlCrCoYTa1余量9.9618.8621.060.454.76 粘结层基体150 m12 图 1 NiCoCrAlYTa/GH3128 制备态试样的截面形貌Fig.1 Cross-section morphology of the as-despositedNiCoCrAlYTa/GH3128 sample第 2 期蔡汉文，等：NiCoCrAlYTa 粘结层与镍基高温合金基体的界面高温互扩散行为19别 为 9.96%、21.06%、44.91%；GH3128 基 体 中 Al、Ni 质量分数分别为 0.92%、58.94%。2.2 热处理后的微观形态分析图2 为不同热处理时间后NiCoCrAlYTa/GH3128试样的截面微观形貌。由图 2 可知，在 1 100 热处理 0300 h 后，GH3128 基体与 NiCoCrAlYTa粘结层界面处的IDZ 厚度由0 m 逐渐增加到120 m，SRZ 的厚度由 74 m 逐渐增加到 347 m，且有害的TCP 相在 SRZ 中不断析出。从图 2（a）（f）可以看出，随热处理时间的延长，IDZ 和 SRZ 的厚度显著增加，且 SRZ 中析出大量大尺寸的 TCP 相。表 5 制备态试样位置 2（图 1 中）的元素含量（质量分数/%）Tab.5 Element content at positions 2（Fig.1）of theas-desposited sample（mass fraction/%）位置NiAlCrTaTiMnMoW2余量0.9220.574.760.800.279.259.23 100 m150 m50 m50 mIDZIDZSRZSRZTCPTCP基体基体基体粘结层粘结层粘结层粘结层100 m50 mIDZSRZTCP基体基体粘结层粘结层100 m50 mIDZSRZTCP基体基体粘结层粘结层200 m100 mIDZSRZTCP基体基体粘结层粘结层250 m150 mIDZSRZTCP基体基体粘结层粘结层(a)热处理 10 h(b)热处理 20 h(c)热处理 40 h(d)热处理 70 h(e)热处理 150 h(f)热处理 300 h 20有 色 金 属 材 料 与 工 程2024 年 第 45 卷NiCoCrAlYTa/GH3128 试样 IDZ 和 SRZ 厚度与热处理时间的关系如图 3 所示。由图 3 可知，热处理时间对 IDZ 和 SRZ 的厚度变化影响显著。SRZ 的形成和生长可以分为两个阶段：热处理 070 h，厚度增长速率较快，平均值约为 2.2 m/h；热处理 70300 h，厚度增长速率明显放缓，平均增长速率约为 0.6 m/h。在整个热处理 0300 h 时间段，IDZ 的厚度平均增长速率为 0.4 m/h。001001505020025030035040050100热处理时间/h厚度/m150SRZIDZ200300250 图 3 NiCoCrAlYTa/GH3128 试样的 IDZ 和 SRZ 厚度与热处理时间的关系Fig.3 Variation of IDZ and SRZ thickness forNiCoCrAlYTa/GH3128 specimen with heat treatment time 综上，NiCoCrAlYTa/GH3128 试样随着 1 100 热处理的进行，粘结层和基体的界面处形成了IDZ 和 SRZ，并且在 SRZ 中逐渐发育形成了 TCP 相，这些 TCP 相集中分布在靠近 IDZ 的 SRZ 侧。随着热处理时间的延长，IDZ 和 SRZ 厚度逐渐增大，SRZ 的厚度在 070 h 时间段增长较快，在 70300 h增长明显放缓。3 分析讨论 3.1 粘结层与基体界面处元素互扩散行为分析图 4 为 NiCoCrAlYTa/GH3128 样品在 1 100 分别经热处理 10、20、40、70、150、300 h 后的界面处的元素含量分布曲线，可以看出，由于 GH3128 高温合金中不含 Ta 和 Co 元素，粘结层与基体的元素含量差异显著，受化学势驱动，粘结层中的 Al、Ta 和Co 元素在热处理过程中不断向基体方向扩散，Ni、Mo、W 元素则由基体往粘结层方向不断扩散，逐渐形成 IDZ 和 SRZ，且难熔金属元素在 SRZ 中不断析出 TCP 相。为进一步研究 1 100 热处理过程中各元素的扩散行为，将经不同热处理时间的各元素分布曲线整合，结果如图 57 所示。界面处 Al 元素经不同热处理时间后的分布如图 5 所示，可以看出，热处理过程中 Al 元素不断向基体方向扩散，在样品热处理 300 h 后，基体中的 Al 元素含量逐渐增加，粘结 100 m150 m50 m50 mIDZIDZSRZSRZTCPTCP基体基体基体粘结层粘结层粘结层粘结层100 m50 mIDZSRZTCP基体基体粘结层粘结层100 m50 mIDZSRZTCP基体基体粘结层粘结层200 m100 mIDZSRZTCP基体基体粘结层粘结层250 m150 mIDZSRZTCP基体基体粘结层粘结层(a)热处理 10 h(b)热处理 20 h(c)热处理 40 h(d)热处理 70 h(e)热处理 150 h(f)热处理 300 h 图 2 1 100 下不同时间热处理后 NiCoCrAlYTa/GH3128 试样的截面微观形貌Fig.2 Cross-section morphologies of NiCoCrAlYTa/GH3128 specimen after heat treatment at 1 100 for different time第 2 期蔡汉文，等：NiCoCrAlYTa 粘结层与镍基高温合金基体的界面高温互扩散行为21层和基体界面处的 Al 元素含量曲线趋于同一水平。界面处 Co 元素经不同热处理时间后的分布如图 6 所示，可以看出，在热处理过程中，Co 元素从粘结层中不断向基体方向扩散，且扩散速率较快。热处理 300 h 后，距界面约 100 m 的基体一侧，Co 元素质量分数增至约 4.0%。界面处 Ni 元素经不同热处理时间后的分布如图 7 所示，可以看出，随着热处理时间的延长，Ni 元素不断地由基体往粘结层扩散，且其分布曲线逐渐趋于平缓。基体中 Ni 元素质量分数下降，使得界面附近的基体发生相结构改变，难熔金属元素 W、Mo、Ta 等会占据基体中 Ni 元素相变时留下的空位，形成 TCP 相并不断析出，引发基体的相结构改变12。计算 NiCoCrAlYTa 涂层与 GH3128 基体界面处各主要元素的扩散系数分析出各元素在热处理过程中的活跃程度。填隙扩散和置换扩散的扩散系数都遵循 Arrhenius 方程25：AlCrCoNiMoTaW002040608050100距离/m(a)热处理 10 h(b)热处理 20 h(c)热处理 40 h(d)热处理 70 h(e)热处理 150 h(f)热处理 300 h粘结层基体元素质量分数/%150200250AlCrCoNiMoTaW002040608050100距离/m粘结层基体元素质量分数/%150200250AlCrCoNiMoTaW002040608050100距离/m粘结层基体元素质量分数/%150200250AlCrCoNiMoTaW002040608050100距离/m粘结层基体元素质量分数/%150200250AlCrCoNiMoTaW002040608050100距离/m粘结层基体元素质量分数/%150200250AlCrCoNiMoTaW002040608050100距离/m粘结层基体元素质量分数/%150200250 图 4 1 100 下不同热处理时间 NiCoCrAlYTa/GH3128 试样界面处的元素分布Fig.4 Elements distribution at the interface of NiCoCrAlYTa/GH3128 for different heat treatment time at 1 100 22有 色 金 属 材 料 与 工 程2024 年 第 45 卷D=D0exp(QRT)（1）其中 D 是扩散系数；D0扩散常数；Q 是扩散激活能；R 是气体常数；T 是绝对温度。经典的 Arrhenius方程描述了扩散系数、扩散活化能与温度之间的关系。在界面元素相互扩散过程中26，界面附近的浓度梯度随距离和时间的变化关系符合 Fick 第二定律27Ct=D2Cx2（2）其中 C 是扩散物质的体积浓度；t 是扩散时间；x 是距离。Matano 根据 Boltzman 方程提出了另一种计算扩散系数的方法Boltzmann-Matano 法28：设扩散系数 D 是浓度 C 的函数，即 D=D（C），则式（2）的微分形式表示为Ct=D2Cx2+DxCx（3）Dxxt但是，的出现使（3）式中 D 的求解变得复杂。此时，利用 C 与 x、t 之间的关系以及在一定时间内不同浓度下的扩散系数，设 C=C（）、D=D（）、=，代入式（3），整理得到2dC=d(DdcdCt)（4）采用 Boltzmann-Matano29-31法将（4）式整理得到扩散系数公式D=12trC0 xdCdCdx（5）dCdxrC0 xdC其 中，是 C 浓 度 时 曲 线 C=f（x）的 斜 率；是曲线 C=f（x）在区间 0,C 上的积分面积。根据式（5）计算出经 1 100 不同热处理时间后界面处 Al、Ni、Co、Mo、W 和 Ta 元素的扩散系数，如表 6 所示。粘结层和基体界面处 Al 元素在 1 100 热 处 理 10 h 和 300 h 的 扩 散 系 数 分 别 为 3.301013 m2/s 和 4.951014 m2/s。从图 6 中 Al 元素浓度变化曲线可知，在热处理初期由于粘结层与基体间界面处元素浓度差异较大，使得 Al 元素由高浓度的粘结层往低浓度的基体方向扩散，而热处理300 h 后粘结层与基体间界面处元素浓度趋于一致，使得界面处 Al 元素的扩散系数相较于热处理10 h 的扩散系数减小一个数量级。从图 8 中各元素扩散系数曲线可知，Ni、Co、Mo、W 和 Ta 元素的扩散系数变化规律与 Al 元素的扩散系数变化规律相似，即在 1 100 热处理过程中粘结层与基体界面附近各元素的扩散系数随着时间的延长而不断减 002468101250100距离/m元素质量分数/%15010 h20 h40 h70 h150 h300 h200粘结层基体 图 5 不同热处理时间界面处 Al 元素分布Fig.5 Element distribution of Al at the interface ofdifferent heat treatment time 00481620122450100距离/m元素质量分数/%15010 h20 h40 h70 h150 h300 h200粘结层基体 图 6 不同热处理时间界面处 Co 元素分布Fig.6 Element distribution of Co at the interface bydifferent heat treatment time 044485256606450100距离/m元素质量分数/%15010 h20 h40 h70 h150 h300 h200粘结层基体 图 7 不同热处理时间界面处 Ni 元素分布Fig.7 Element distribution of Ni at the interface bydifferent heat treatment time第 2 期蔡汉文，等：NiCoCrAlYTa 粘结层与镍基高温合金基体的界面高温互扩散行为23小，这是由于元素在界面处通过互扩散达到浓度平衡所致。当温度和元素浓度保持不变时，扩散系数随热处理时间的延长而逐渐减小。3.2 TCP 相微观形貌及相结构分析图 9 为经 1 100 热处理 300 h 后的 TCP 相的截面形貌及 EDS 面扫描图。由图 9 可知，经 300 h热处理后 TCP 相主要分布在基体的 SRZ 内，且 W、Mo 元素富集在 TCP 相中。对图 9（b）中位置 3 进行 EDS 分析，结果如表 7 所示，Mo、W、Cr 元素的质量分数分别为 31.26%、36.7%、11.96%，可见 TCP 相中这 3 种元素较基体中其他区域高。参照相关文献研究结果20，可判定 SRZ 中析出的 TCP 相是 相21，且 Mo、W、Cr 等难熔金属元素富集在 相中32。在 热 处 理 过 程 中，NiCoCrAlYTa 粘 结 层 与GH3128 基体界面处元素互扩散行为导致界面附近基体内的相结构发生改变。粘结层中的 Al、Ta、Co 从粘结层往基体扩散，导致界面处基体一侧形 表 6 不同时间热处理后界面处各元素的扩散系数/（m2s1）Tab.6 The diffusion coefficient of each element at the interface after heat treatment at different time/（m2s1）元素10 h20 h40 h70 h150 h300 hAl3.310131.4110131.8510131.591013110134.951014Ni2.1910121.0810124.6710133.3310132.4210133.391013Co2.4910131.5110131.0310135.9510143.5710141.871014Mo4.7110131.5110138.3310142.7910143.5710141.261014W6.3310132.210134.4810143.1910142.5310149.211015Ta2.010131.0510139.6210145.2810143.6210141.671014 AlCoNiMoTaW005.010131.010121.510122.010122.5101250100热处理时间/hD/(m2s1)150200250300 图 8 不同时间热处理后界面处各主要元素的扩散系数曲线Fig.8 The diffusivity curves of the main elements at theinterface after heat treatment at different time 25 m25 m25 m150 m基体3(a)热处理 300 h(b)TCP 相(c)Mo(d)W 图 9 1 100 热处理 300 h 后试样的截面形貌及 EDS 面扫描图Fig.9 Cross-section morphology and EDS scanning map of the sample after 300 h heat treatment at 1 100 24有 色 金 属 材 料 与 工 程2024 年 第 45 卷成 IDZ 和 SRZ。基体中 Ni、Mo、W 元素从基体往粘结层扩散，形成的 Ni 空位被 Mo、W、Cr 等难熔金属元素所占据，并析出 TCP 相进而破坏基体的-网状结构19，降低基体的塑性和韧性，影响基体的高温力学性能，最终将降低其使用寿命33。表 7 1 100 热处理 300 h 后试样位置 3（图 9 中）的元素含量（质量分数/%）Tab.7 Element content at sample position 3（Fig.9）after 300h heat treatment at 1 100（mass fraction/%）位置NiAlCrCoTiFeMoW317.960.6811.960.550.520.3731.2636.7 4 结论研究了 GH3128 镍基高温合金表面 VPS 工艺沉积的 NiCoCrAlYTa 涂层与基体界面处元素高温互扩散行为及其对组织结构的影响。粘结层中 Al、Ta、Co 等元素由粘结层向基体扩散，基体中 Ni、W、Mo 等元素由基体向粘结层扩散，导致界面处基体一侧内形成 IDZ 和 SRZ。经 300 h 热处理后，IDZ 的厚度增至约 120 m，SRZ 厚度增至约 347 m。通过 Boltzmann-Matano 法计算出经不同时间热处理后界面处 Al、Ni、W、Ta、Co、Mo 元素的扩散系数，反映出各元素在热处理初期时互扩散非常活跃，随热处理时间的延长而逐渐减弱的规律。同时，通过研究 SRZ 中析出且富含 Mo、W、Cr 等难熔金属元素TCP 相的形成生长过程，为进一步研究 NiCoCrAlYTa涂层与镍基高温合金基体的扩散行为提供参考。在热处理过程中，Mo、W、Cr 等难熔金属元素通过占据 Ni 元素扩散迁移后留下的空位而形成 TCP 相，TCP 相随着热处理的进行而不断长大，最终在SRZ 中析出。TCP 相的析出将降低镍基高温合金基体在高温下的力学持久性能，影响其服役可靠性，针对这一问题，后续工作将开展抑制高温下真空等离子体喷涂 NiCoCrAlYTa 涂层与镍基高温合金基体界面元素互扩散研究，为镍基高温合金部件在高温下的服役可靠性提升提供有效方法。参考文献：PADTURE N P,GELL M,JORDAN E H.Thermalbarrier coatings for gas-turbine engine applicationsJ.Science,2002,296(5566):280284.1 XU M M,LI Y Y,ZHANG C Y,et al.Synergistic effectof Re-base diffusion barrier and Pt modification on theoxidation behaviour of NiCrAlY coatingsJ.CorrosionScience,2022,194:109919.2 RENUSCH D,ECHSLER H,SCHTZE M.The 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