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热喷涂材料目前实际应用中已实现工业化生产的喷涂材料有金属、合金和陶瓷等, 主要以粉末、丝材、棒材状态使用, 其中喷涂粉末占喷涂材料总用量的70 %以上. 用作涂层的材料有：1. 热喷涂用粉末纯金属粉末：W，Mo，Al，Cu，Ni，Ti，Ta，Nb 等合金粉末：Al-Ni，Ni-Cr，Ti-Ni，Ni-Cr-Al，Co-Cr-W，MCrAlY(M=Co、Ni、Fe)，Co基、Ni基、Fe基自熔合金等氧化物陶瓷粉末：Al2O3，ZrO2，Cr2O3，TiO2等碳化物粉末：WC，TiC，Cr3C2等金属陶瓷粉末：WC-Co，Cr3C2-NiCr等塑料粉末：尼龙，聚乙烯，聚苯硫醚等2. 热喷涂用丝材Al、Cu，Zn，Al-Zn合金，巴氏合金，不锈钢，Ni-Al丝等3. 热喷涂用棒材Al2O3，Cr2O3，ZrO2等层功能和应用1. 抗磨损涂层磨损是造成工业部门设备损坏的主要原因之一, 可能产生磨损的工作条件包括微振、滑动、冲击、擦伤、侵蚀等.抗磨损涂层应该是坚硬的,而且具有耐热和耐化学腐蚀的性能.Fe、Ni、Co基自熔合金以及WC - Co和Cr3C2-NiCr等金属陶瓷以及Al2O3、Cr2O3等陶瓷材料具有上述这些性能. 采用涂层技术提高工件表面耐磨性的应用非常广泛, 如活塞环、齿轮同步环喷涂Mo涂层, 纺织机械中的罗拉、导丝钩等零部件喷涂耐纤维磨损的Al2O3、Al2O3 -TiO2陶瓷涂层, 泵和阀门密封面喷涂Cr2O3、WC-Co等耐磨涂层, 大马力载重汽车曲轴及大型磨煤机、排风机轴等采用Fe基合金材料进行磨损修复和耐磨强化等。
2. 防腐蚀涂层长期暴露在户外大气(海洋、工业及城乡大气)和不同介质(海水、河水、溶剂及油类等)环境中的大型钢铁构件,如输变电铁塔、钢结构桥、海上钻井平台、煤矿井架以及各种化工容器如储罐等,受到不同程度的环境氧化和侵蚀. 采用Al、Zn、Al - Zn合金及不锈钢等涂层进行防护,可以获得长达20年以上的长期防护效果.一些受到气体腐蚀和化学腐蚀的部件,可以根据具体工况(如介质、浓度、温度、压力等)选择合适的金属、合金、陶瓷及塑料等涂层材料进行防护.3. 抗高温氧化和耐热腐蚀涂层对于一些暴露在高温腐蚀气体中的部件,受到高温、气体腐蚀及气流冲刷的作用,严重影响了设备的寿命和运行的安全.抗高温氧化及高温腐蚀的材料除了必须抗高温氧化和耐腐蚀外,还必须具有与基体材料相似的热膨胀系数,方不会因温度周期变化和局部过热导致涂层抗热疲劳性能下降.用作抗高温氧化和高温腐蚀的涂层材料有：NiCr、NiAl、MCrAl、MCrAlY(M = Co、Ni、Fe)及Hastiloy和Stellite合金等. 这类涂层的典型应用如电厂锅炉四管(水冷壁管、再热器管、过热器管及省煤器管)及水冷壁等的高温氧化腐蚀一直是电力、造纸、化工等工业锅炉用户需要解决的问题,经多年研究、实践证明, 采用电弧喷涂Ni - Cr、Fe -Cr -Al、Ni-Cr -Al、45CT等涂层能获得良好的防护作用,使用寿命最长达9年.MCrAlY 涂层用于航空涡轮发动机叶片涂层以及作为涡轮发动机燃烧室、火焰筒等用热障涂层的粘结底层。
镍基单晶高温合金研究进展孙晓峰，金涛，周亦胄，胡壮麒（中国科学院金属研究所，沈阳 110016）摘要：单晶高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统涡轮叶片等部件。
由于采用定向凝固工艺消除了晶界，单晶高温合金明显减少了降低熔点的晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温度范围进行固溶和时效处理，其高温强度比等轴晶和定向柱晶高温合金大幅度提高。
经过几十年的发展，单晶高温合金已经在合金设计方法、组织结构与力学性能关系、纯净化冶炼工艺和定向凝固工艺等方面取得了重要进展。
本文从单晶高温合金成分特点、合金元素作用、强化机理、力学性能各向异性、凝固过程及缺陷控制、单晶制备工艺等方面，简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。
关键词：单晶高温合金；强化机理；定向凝固；各向异性Research Progress of Nickel-base Single Crystal SuperalloysSun Xiaofeng, Jin Tao, Zhou Yizhou, Hu Zhuangqi(Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)Abstract:Single crystal superalloys have been widely used to make turbine blades and guide vanes for aero-engines and industrial gas turbines because of improved strength, creep-rupture, fatigue, oxidation and hot corrosion properties as well as stable microstructure and reliability at high temperature environments. After removal of grain boundary by using directional solidification technique, grain boundary elements which decrease the incipient melting temperature were reduced remarkably in single crystal superalloys. Consequently, the solution and aging treatment of single crystal superalloys can be done at higher temperature due to the enhanced incipient melting temperature, and then the high temperature strength of single crystal superalloys is higher than that of equiaxed and directionally solidified superalloys. There were great progress on approach of alloy design, relationship between structure and mechanical performances, process of pure smelting and processing of directional solidification in the last decades. The present work reviews these progress from compositions of alloys, role of elements, mechanism of strengthening, anisotropy of mechanical properties, procedure of solidification, control of defects and processing of single crystal superalloys.Key words：single crystal superalloy；mechanism of strengthening；directional solidification；anisotropy of properties——————————————————基金项目：国家973计划项目（2010CB631206）通讯作者：孙晓峰，男，1964年生，研究员，博士生导师1引言高温合金（Superalloy）是以铁、镍、钴为基体的一类高温结构材料，可以在600℃以上高温环境服役，并能承受苛刻的机械应力。
ni基高温合金γ'相化学腐摘要：1.镍基高温合金概述2.γ"相的化学腐蚀特点3.镍基高温合金γ"相腐蚀机理4.抗腐蚀策略与应用正文：镍基高温合金是一种广泛应用于航空航天、能源、化工等领域的材料，因其具有优异的高温强度、抗氧化性、耐腐蚀性等性能而备受关注。
然而，镍基高温合金在某些环境下会发生腐蚀，其中γ"相腐蚀是一种较为常见的现象。
本文将对镍基高温合金γ"相的腐蚀特点及机理进行分析，并提出相应的抗腐蚀策略。
一、镍基高温合金概述镍基高温合金是指以镍为基体，加入一定比例的铬、钴、钨、钼等元素组成的一种合金。
在高温环境下，镍基高温合金具有较高的抗氧化性、热疲劳性、蠕变性等性能。
其中，γ"相是镍基高温合金中的一种重要相，对合金的力学性能和腐蚀性能具有显著影响。
二、γ"相的化学腐蚀特点1.腐蚀形态：γ"相腐蚀主要表现为局部腐蚀，如点腐蚀、缝隙腐蚀等。
这些腐蚀形态往往导致合金表面出现坑洼、脱落等损伤。
2.腐蚀速率：γ"相腐蚀速率较快，尤其在高温、高湿、含氧环境下，合金的腐蚀速率更为明显。
3.腐蚀产物：γ"相腐蚀产物主要为氧化物、硫化物等，这些腐蚀产物会进一步加剧合金的腐蚀。
三、镍基高温合金γ"相腐蚀机理1.电化学腐蚀：镍基高温合金在含有氯离子、硫离子等活性离子环境下，易发生电化学腐蚀。
活性离子在合金表面与合金元素发生反应，产生局部腐蚀。
2.氧化膜破裂：镍基高温合金在高温环境下，表面会形成一层氧化膜保护层。
然而，在某些条件下，氧化膜会发生破裂，导致合金表面暴露，进而发生腐蚀。
3.合金元素扩散：在腐蚀过程中，合金中的铬、钨等元素会向腐蚀前沿扩散，使得腐蚀产物不断生成并堆积，从而加速腐蚀进程。
四、抗腐蚀策略与应用1.合金成分优化：通过调整合金成分，提高镍基高温合金的抗氧化性、耐腐蚀性。
例如，增加铬、钨等元素的含量，以提高合金的耐腐蚀性能。
第４２卷第４期２０２３年８月沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＬｉｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ ４２Ｎｏ ４Ａｕｇ ２０２３收稿日期:２０２２－１２－２７基金项目:国家自然科学基金项目(５１８７１２２１)作者简介:祝祥(１９９７ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎮ通信作者:杜晓明(１９７６ )ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向为先进铝合金的制备与加工成型ꎮ文章编号:１００３－１２５１(２０２３)０４－００６９－０６ＤＤ４１９镍基单晶高温合金９８０ħ下低周疲劳行为研究祝㊀祥１ꎬ杜晓明１ꎬ刘纪德２(１.沈阳理工大学材料科学与工程学院ꎬ沈阳１１０１５９ꎻ２.中国科学院金属研究所ꎬ沈阳１１００１６)摘㊀要:对ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ下的低周疲劳行为进行试验研究ꎬ并对疲劳数据进行分析ꎬ获得该温度下合金疲劳参数ꎮ结果表明:该合金低周疲劳变形过程中ꎬ弹性变形起主要作用ꎬ塑性变形较低ꎻ循环应力响应行为以先循环软化㊁再趋于稳定为主要方式ꎬ并且随着应力幅的增加ꎬ循环寿命不断降低ꎮ低应变幅下ꎬ合金的疲劳断裂表现为脆性断裂的特征ꎬ并呈现出明显的多源疲劳特征ꎬ微观断口形貌的主要特征是出现准解理台阶ꎬ可判断准解理断裂是主要的断裂机制ꎮ关㊀键㊀词:镍基单晶高温合金ꎻ低周疲劳ꎻ疲劳寿命ꎻ断裂机制中图分类号:ＴＵ９７３.２＋５４文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００３－１２５１.２０２３.０４.０１１ＳｔｕｄｙｏｎＬｏｗＣｙｃｌｅＦａｔｉｇｕｅＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＤＤ４１９ＮｉｃｋｅｌＢａｓｅＳｉｎｇｌｅＣｒｙｓｔａｌＳｕｐｅｒａｌｌｏｙａｔ９８０ħＺＨＵＸｉａｎｇ１ꎬＤＵＸｉａｏｍｉｎｇ１ꎬＬＩＵＪｉｄｅ２(１.ＳｈｅｎｙａｎｇＬｉｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１５９ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１００１６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｌｏｗ￣ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＤＤ４１９Ｎｉｃｋｅｌ￣ｂａｓｅｄｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙａｔ９８０ħｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｄａｔａｉｓａｎａｌｙｚｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｐａ￣ｒａｍｅｔｅｒｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｌａｙｓａｍａｊｏｒｒｏｌｅｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬｗｈｉｌｅｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｏｗ.Ｔｈｅｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓｒｅ￣ｓｐｏｎｓｅｂｅｈａｖｉｏｒｉｓｃｙｃｌｉｃｓｏｆｔｅｎｉｎｇｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇꎬａｎｄｔｈｅｃｙｃｌｉｃｌｉｆｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｔｒｅｓｓａｍｐｌｉｔｕｄｅ.Ａｔｌｏｗｓｔｒａｉｎａｍｐｌｉｔｕｄｅꎬｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｌ￣ｌｏｙｓｈｏｗｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｒｉｔｔｌｅｆｒａｃｔｕｒｅꎬａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｓｏｂｖｉｏｕｓｍｕｌｔｉ￣ｓｏｕｒｃｅｆａｔｉｇｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ.Ｔｈｅｍａｉｎｆｅａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｉｓｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｑｕａｓｉ￣ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｆｒａｃｔｕｒｅꎬｂｙｗｈｉｃｈｉｔｃａｎｂｅｊｕｄｇｅｄｔｈａｔｔｈｅｑｕａｓｉ￣ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｆｒａｃｔｕｒｅｉｓｔｈｅｍａｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｎｉｃｋｅｌ￣ｂａｓｅｄｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙꎻｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅꎻｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅꎻｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ㊀㊀ＤＤ４１９镍基单晶高温合金相较于其他高温合金ꎬ具有高温强度高㊁综合力学性能好㊁铸造工艺性能良好等优势ꎬ广泛应用在航空发动机的涡轮叶片中[１]ꎮ与国外的ＣＭＳＸ￣４高温合金相比ꎬＤＤ４１９合金在拉伸性能㊁蠕变性能㊁抗氧化性能㊁耐热和耐腐蚀等方面的表现基本相近[２－３]ꎬ且其含铼元素少㊁制备成本低㊁使用范围更广ꎮ疲劳是高温合金最主要的失效形式ꎬ低周疲劳损伤又是涡轮叶片材料的主要失效形式之一ꎮ为确保构件服役过程中的安全与稳定ꎬ很多学者研究了高温合金材料的疲劳性能ꎮＦａｎ等[４]研究了镍基单晶高温合金ＤＤ１０分别在温度为７６０ħ和９８０ħ下不同应变幅的低周疲劳行为ꎬ结果表明:在高应变范围内ꎬ由于塑性变形ꎬ合金在７６０ħ时更容易萌生裂纹ꎻ在低应变范围内ꎬ９８０ħ时断口会出现明显的氧化损伤ꎬ加速了裂纹萌生ꎮＣｈａｒｌｅｓ等[５]研究了ＣＭＳＸ￣４合金低周疲劳过程中位错结构的变化ꎬ得出位错形态在低应力下类似于蠕变㊁高应力下与拉伸断裂类似的结论ꎮＤＤ４１９合金常作为燃气轮机涡轮叶片材料ꎬ其工作温度通常能达到９８０ħꎮ因此ꎬ本文研究ＤＤ４１９合金在９８０ħ下的低周疲劳断裂行为ꎬ并从理论上分析应变－寿命关系㊁循环应力响应行为及疲劳裂纹的产生与扩展行为之间的关系ꎬ以期获得关于该合金低周疲劳行为较为完整的认识ꎮ１㊀试验部分１.１㊀试样的制备试验选用含Ｒｅ第二代镍基单晶高温合金ꎬ其成分含量见表１ꎮ首先ꎬ用真空感应炉(ＶＩＤＰ￣２５型ꎬ沈阳真空技术研究所有限公司)冶炼试验合金的母合金ꎬ并在真空条件下浇铸形成母合金铸锭ꎬ采用螺旋选晶法ꎬ在工业用大型双区域加热真空高梯度单晶炉(ＺＧＤ￣２型ꎬ锦州航星真空设备有限公司)中制备具有<００１>取向的单晶棒材ꎻ然后ꎬ用热电偶温度计测量箱式热电阻炉(ＣＷＦ型ꎬ德国ＣＡＲＢＯＬＩＴＥＧＥＲＯ公司)的温度ꎬ测温结果满足ʃ５ħ的误差范围内再对单晶棒材进行热处理操作ꎻ之后ꎬ进行固溶处理(温度１２８０~１３００ħꎬ时间为９ｈꎬ空冷)ꎻ最后ꎬ进行两级时效处理(温度１１１０~１１５０ħꎬ时间４ｈꎬ空冷ꎻ温度８７０ħꎬ时间１４ｈꎬ空冷)ꎮ经完全热处理之后ꎬ将单晶棒材试样加工成如图１所示的尺寸ꎮ图１㊀单晶棒材试样尺寸表１㊀ＤＤ４１９合金成分含量(质量分数)％ＣｒＣｏＷＭｏＲｅＡｌＴｉＴａＨｆＮｉ６.８０９.３０６.５０１.００３.００５.８０１.１０６.５００.０９余量１.２㊀试验方法低周疲劳试验在电液伺服疲劳试验机(１００ｋＮ￣８型ꎬＭＴＳ系统公司)上进行ꎬ试验温度为９８０ħꎬ试验数据采集(按照对数采集)与处理全部在计算机上进行ꎮ具体试验条件见表２ꎮ表２㊀高温低周疲劳试验条件试验温度/ħ试验波形应变比应变速率/ｓ－１加载频率/Ｈｚ介质控制方式９８０三角波０.０５０.００６０.１５~０.３空气恒定应变㊀㊀ＤＤ４１９合金试样在低周疲劳试验后ꎬ采用线切割切下约２~３ｍｍ的断口试样ꎬ切割时尽量避０７沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第４２卷免破坏或污染切割部位ꎮ切割结束后将断口试样置于盛有丙酮溶液的烧杯中ꎬ并用超声波仪器清洗ꎬ冲洗完毕后烘干ꎬ得到清洁干净的断口试样ꎮ随后ꎬ采用扫描电子显微镜(Ｓ￣３４００Ｎ型ꎬ日立公司)观察断口的宏观和微观形貌ꎮ２㊀结果与讨论２.１㊀应变－寿命行为测得ＤＤ４１９高温合金在９８０ħ下的弹性应变幅(Δεｅ/２)㊁塑性应变幅(Δεｐ/２)和总应变幅(Δεｔ/２)与疲劳寿命(２Ｎｆ)之间的关系ꎬ在双对数坐标系下绘制关系曲线ꎬ如图２所示ꎮ图２㊀应变－疲劳寿命关系曲线㊀㊀塑性应变幅值和弹性应变幅值的交点称为过渡寿命ꎬ图２中两条曲线无交点ꎬ故ＤＤ４１９合金低周疲劳过程中不存在过渡寿命ꎮ由图２可见ꎬ弹性应变幅远远大于塑性应变幅ꎬ这一特点与多数高强度镍基高温合金相似ꎮ因此ꎬ在低周疲劳区间ꎬ弹性应变在变形中占主导地位ꎬ材料疲劳寿命的长短主要取决于强度ꎮ文献[６]指出ꎬ多数钴基合金由于塑性较好ꎬ在断裂过程中塑性往往起主要作用ꎮ对于恒定应变幅控制下的应变－寿命曲线ꎬ可用Ｍａｎｓｏｎ￣Ｃｏｆｆｉｎ[７]寿命模型来表达ꎬ公式为Δεｔ２＝Δεｅ２＋Δεｐ２＝σｆᶄＥ(２Ｎｆ)ｂ＋εｆᶄ(２Ｎｆ)ｃ(１)式中:σｆᶄ为疲劳强度系数ꎻｂ为疲劳强度指数ꎻεｆᶄ为疲劳延性系数ꎻｃ为疲劳延性指数ꎻＥ为弹性模量ꎮ将应变比为０.０５的ＤＤ４１９低周疲劳数据进行拟合ꎬ得到与疲劳相关的系数ꎬ代入式(１)可得Δεｔ２＝０.０５８９(２Ｎｆ)－０.６１７３＋０.０２３３(２Ｎｆ)－０.１７８４(２)根据式(２)并利用线性回归分析方法即可确定ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ下的低周疲劳参数σｆᶄ㊁εｆᶄ㊁ｂ㊁ｃꎬ如表３所示ꎮ表３㊀ＤＤ４１９合金疲劳参数试验温度/ħσｆᶄ/ＭＰａεｆᶄｂｃＫᶄ/ＭＰａｎᶄＥ/ＧＰａ９８０２０４９０.０５８９－０.１７８４－０.６１７３３９０７０.２６９１８８２.２㊀循环应力－应变关系材料的循环应力－应变曲线能较好地体现低周疲劳条件下材料的实际应力和应变特征ꎮＤＤ４１９高温合金循环应力－应变关系曲线如图３所示ꎮ图３中曲线由半寿命附近的滞回曲线获得ꎬ详见文献[８]ꎬ可采用下式描述Δσ２＝Ｋᶄ(Δεｐ２)ｎᶄ(３)式中:Δσ/２为应力幅ꎻＫᶄ为循环强度系数ꎻｎᶄ为循环应变硬化指数ꎮ通过对图３中的试验数据进行非线性拟合ꎬ即可确定Ｋᶄ与ｎᶄ值(见表３)ꎮ图３㊀循环应力－应变关系曲线２.３㊀循环应力响应行为循环应力响应行为主要包括循环硬化㊁循环１７第４期㊀㊀㊀祝㊀祥等:ＤＤ４１９镍基单晶高温合金９８０ħ下低周疲劳行为研究稳定和循环软化三个阶段ꎮ在恒定应变控制的低周疲劳循环中ꎬ随着加载周次增加ꎬ应力逐渐上升是循环硬化ꎬ反之为循环软化ꎮ循环硬化和软化现象与材料的位错运动有关[９]ꎬ循环硬化可导致材料性能下降甚至失效ꎬ循环软化常伴随着循环应力水平的快速下降ꎬ通常出现在已经充满了位错缠结和阻碍的冷加工合金中ꎮ循环应力响应曲线反映了双对数坐标下应力幅与循环周次的关系ꎬＤＤ４１９高温合金在９８０ħ下循环应力响应曲线如图４所示ꎮ图４㊀ＤＤ４１９在９８０ħ下循环应力响应曲线㊀㊀从图４中可看出ꎬＤＤ４１９合金的循环应力响应行为与应变幅的大小密切相关ꎬ随着总应变幅值的不断增加ꎬ合金所受应力幅值亦逐渐增大ꎬ且疲劳寿命随循环周次减小而缩短ꎮ当应变幅为０.３％时ꎬ合金在循环过程中的应力响应行为呈现先循环软化㊁再过渡到循环稳定阶段ꎬ随后出现短暂硬化阶段ꎬ最后过渡到循环稳定阶段ꎬ直至突然断裂ꎻ当应变幅为０.４％时ꎬ合金循环应力响应行为的整体趋势与总应变幅为０.３％时相近ꎬ不同之处在于总应变幅为０.４％时ꎬ合金循环稳定阶段的疲劳周次要少ꎬ且循环软化行为更加明显ꎻ当总应变幅为０.５％时ꎬ合金首先显示出循环硬化ꎬ继而转入循环稳定过程ꎬ最后萌生出裂纹ꎬ并发生突然断裂ꎻ在总应变幅达到０.６％㊁０.７％时ꎬ由于循环周次不断上升ꎬ合金的循环应力响应行为也趋于稳定ꎬ但在疲劳过程的中期ꎬ合金的循环应力响应曲线由循环硬化过渡到循环软化ꎬ而疲劳过程后期ꎬ循环应力响应曲线又呈现了迅速下降的态势ꎬ随之在很短的疲劳周次中出现了突然断裂ꎮ２.４㊀断口形貌分析镍基高温合金疲劳断口的一个典型特征是有多个疲劳源区[１０]ꎮ图５为总应变幅分别为０.３％㊁０.５％㊁０.６％下断口的宏观形貌ꎮ图５㊀不同应变幅下疲劳断口的宏观形貌㊀㊀宏观上看ꎬ高温合金的疲劳断口形貌一般都比较粗糙ꎬ断口颜色呈青蓝色ꎮ疲劳裂纹主要萌生于试样边缘及附近ꎬ且有多个疲劳源ꎮ从图５中可见ꎬ随着总应变幅的增加ꎬ断口边缘及表面出现的疲劳裂纹也逐渐变多ꎬ导致疲劳断裂拓展速率加快ꎬ疲劳寿命降低ꎮ另外ꎬ疲劳断口区域主要由疲劳源㊁疲劳扩展区和瞬断区三部分组成[１１－１２]ꎬ图中Ａ㊁Ｂ㊁Ｃ分别代表疲劳源区㊁疲劳扩展区和瞬断区ꎬ三个区域具有明显的特征ꎮ随着总应变幅的增大ꎬ断口中三个部分的面积也发生２７沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第４２卷了变化ꎬ其中瞬断区面积变化最大ꎬ在整个断口区域所占比重越来越大ꎻ随着低周疲劳测试过程中总应变幅的增加ꎬ合金在低周疲劳过程中承受的外加载荷逐渐增大ꎬ从而导致ＤＤ４１９合金低周疲劳断口中瞬断区的面积逐渐增大ꎮ图６为不同应变幅下疲劳断口的微观形貌ꎮ对于同一合金ꎬ在低周疲劳试验过程中ꎬ随着应变幅值的增大ꎬ疲劳源区域的光滑度降低ꎬ平坦的小平面也减少ꎬ使得疲劳源区域表面逐渐变得粗糙ꎻ这是由于伴随应变幅值的增加ꎬ微观中滑移带或位错结构与合金中的强化粒子γᶄ相的交互作用加剧ꎬ导致强化粒子γᶄ相失去其有序结构ꎬ降图６㊀不同应变幅下疲劳断口的微观形貌低了γᶄ相对合金基体γ相的强化作用ꎬ从而导致合金的抗疲劳变形能力下降ꎬ合金的循环疲劳周次逐渐减少[１３]ꎮ因此ꎬ疲劳过程中疲劳源区的断面所经受的持续摩擦和挤压的次数也在减少ꎬ表面的光滑程度也逐渐降低ꎮ在低应变幅下ꎬ疲劳扩展区断口处存在明显的裂纹ꎬ并沿晶面拓展ꎬ如图６(ａ)所示ꎻ断口表面存在许多短小的裂纹ꎬ局部区域存在撕裂棱和准解理台阶的特征ꎬ扩展区还出现不明显的疲劳辉纹ꎬ可能是氧化腐蚀较严重导致ꎬ如图６(ｂ)所示ꎻ部分区域还存在很多深浅不一的韧窝和孔洞ꎬ如图６(ｃ)所示ꎮ瞬断区断口处有明显的金属滑移痕迹ꎬ并出现了准解理台阶ꎬ因此可判断合金的断裂机制为准解理断裂ꎮ文献[１４－１５]指出ꎬ随温度的上升ꎬ更容易发生位错的交滑移和攀移ꎬ在不动位错累积到一定水平时ꎬ就会出现准解理断裂ꎮ３㊀结论本文研究了ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ下的低周疲劳行为ꎬ得到如下结论ꎮ１)根据Ｍａｎｓｏｎ￣Ｃｏｆｆｉｎ寿命模型ꎬＤＤ４１９疲劳断裂过程中弹性变形起主要作用ꎮ２)９８０ħ下ꎬ由于位错的往复运动和交互作用ꎬＤＤ４１９镍基单晶高温合金的循环应力响应行为在０.３％㊁０.４％应变幅下表现为先循环软化ꎬ后由循环硬化过渡到循环稳定阶段ꎬ最后突然断裂ꎻ在０.５％应变幅下首先出现循环硬化ꎬ继而转入到循环稳定阶段ꎬ最后断裂ꎻ０.６％㊁０.７％应变幅下表现为先稳定阶段ꎬ后循环硬化又过渡到循环软化ꎬ最后逐渐稳定ꎬ直至突然断裂ꎮ３)ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ低周疲劳断裂特征表现为明显的多裂纹源性ꎬ随着应变幅的降低ꎬ裂纹数目也逐渐减少ꎬ疲劳寿命随之增加ꎮ在０.３％㊁０.５％㊁０.６％应变幅下ꎬ裂纹萌生于试样表面位置ꎬ出现准解理台阶ꎬ因此判断合金的断裂机制为准解理断裂ꎮ参考文献:[１]史振学ꎬ胡颖涛ꎬ刘世忠.不同温度下镍基单晶高温合金的低周疲劳性能[Ｊ].机械工程材料ꎬ２０２１ꎬ４５３７第４期㊀㊀㊀祝㊀祥等:ＤＤ４１９镍基单晶高温合金９８０ħ下低周疲劳行为研究(３):１６－２０ꎬ２８.[２]赵运兴ꎬ员莹莹ꎬ马德新ꎬ等.高温合金ＣＭＳＸ￣４和ＤＤ４１９单晶铸件中共晶含量的试验研究[Ｊ].航空制造技术ꎬ２０２２ꎬ６５(１７):７４－８０.[３]李寒松ꎬ孙士江ꎬ刁爱民ꎬ等.热等静压对ＤＤ４１９单晶高温合金组织与持久性能的影响[Ｊ].铸造ꎬ２０２１ꎬ７０(５):５５４－５５９.[４]ＦＡＮＺＤꎬＷＡＮＧＤꎬＬＯＵＬＨ.Ｃｏｒｐｏｒａｔｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔｒａｉｎｒａｎｇｅｏｎｔｈｅｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆａｓｉｎｇｌｅ￣ｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＤＤ１０[Ｊ].ＡｃｔａＭｅｔ￣ａｌｌｕｒｇｉｃａＳｉｎｉｃａ(ＥｎｇｌｉｓｈＬｅｔｔｅｒｓ)ꎬ２０１５ꎬ２８(２):１５２－１５８.[５]ＣＨＡＲＬＥＳＣＭꎬＤＲＥＷＧＡꎬＢＡＧＮＡＬＬＳꎬｅｔａｌ.Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｄｕｒｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｏｆｔｈｅｎｉｃｋｅｌ￣ｂａｓｅｄｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＣＭＳＸ￣４[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅＦｏｒｕｍꎬ２００７ꎬ６２:５４６－５４９.[６]储昭贶ꎬ于金江ꎬ孙晓峰ꎬ等.ＤＺ９５１合金的持久性能与断裂行为[Ｊ].稀有金属材料与工程ꎬ２００９ꎬ３８(５):８３４－８３７.[７]张罡ꎬ龙占云ꎬ赵凯ꎬ等.ＷＦＧ３６Ｚ钢焊接接头低周疲劳性能与寿命的试验研究[Ｊ].沈阳工业学院学报ꎬ１９９４(２):７－１２.[８]刘雪莹ꎬ陈立佳ꎬ周舸ꎬ等.应变波形对Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５合金低周疲劳性能的影响[Ｊ].稀有金属材料与工程ꎬ２０２１ꎬ５０(４):１２６３－１２６９.[９]水丽.应变幅对一种新型镍基单晶高温合金高温低周疲劳性能的影响[Ｊ].机械工程材料ꎬ２０２２ꎬ４６(６):３１－３５ꎬ４３.[１０]刘柳.一种镍基单晶高温合金低周疲劳行为的研究[Ｄ].沈阳:东北大学ꎬ２０１６.[１１]ＳＨＵＩＬꎬＬＩＵＰ.Ｌｏｗ￣ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｎｉｃｋｅｌｂａｓｅｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ[Ｊ].ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１５ꎬ４４(２):２８８－２９２.[１２]闫鹏ꎬ冯寅楠ꎬ乔双ꎬ等.镍基变形高温合金低周疲劳研究进展[Ｊ].稀有金属ꎬ２０２１ꎬ４５(６):７４０－７４８. 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第53卷第7期表面技术2024年4月SURFACE TECHNOLOGY·31·MCrAlY涂层的研究进展门引妮，李进，卢金文，徐研，郭阳阳*（西安瑞鑫科金属材料有限责任公司，西安 710016）摘要：随着发动机的服役温度日益升高，工作环境日益恶劣，涡轮叶片极易在高温环境中氧化，大大降低了叶片的使用寿命。
如何在低成本下制备保护性能好的高温防护涂层，是当前国内外研究的重点。
MCrAlY 包覆涂层可分为NiCrAlY涂层、CoCrAlY涂层和NiCoCrAlY涂层，这3类涂层的抗氧化性能和抗腐蚀性能较好，又有很好的塑韧性和抗热疲劳性能，因此可作为涂层或热障涂层的黏结层材料。
综述了涂层中主要元素（Al、Cr、Co、Y）、掺杂合金元素（Ta、Re、Si、Pt）、涂层制备工艺和预处理工艺对MCrAlY涂层性能的研究进展。
结果表明，可以通过调节MCrAlY涂层的成分来实现涂层性能的调控。
向MCrAlY涂层中掺入Si、Ta和Re等活性元素，可显著提高涂层的抗高温氧化性能，以进一步提高发动机的工作效率和满足高温的工作环境需求。
总结了采用细化涂层晶粒、掺杂纳米颗粒和制备梯度复合涂层等方法来提高MCrAlY 涂层的抗氧化性能和抗腐蚀性能的研究现状，对MCrAlY涂层的发展趋势进行了展望。
关键词：MCrAlY涂层；活性元素；制备工艺；抗氧化性能；抗腐蚀性能中图分类号：TG174 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)07-0031-09DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.07.003Research Progress of MCrAlY CoatingsMEN Yinni, LI Jin, LU Jinwen, XU Yan, GUO Yangyang*(Xi'an Rarealloys Co., Ltd., Xi'an 710016, China)ABSTRACT: With the rapid development of aerospace industry, the service temperature of the engine rises gradually, and the working environment gets worse. Turbine blades are easily oxidized in high temperature environment, which greatly reduces the service life of the blades. How to prepare high temperature protective coating with good protective performance at low cost is the focus of research in China and abroad, which is of great strategic significance to national defense security and national economic development. The work aims to present a comprehensive overview of research progress on MCrAlY coatings, which are widely used to protect substrates against oxidation and corrosion in high temperature environment. MCrAlY coating is subdivided into NiCrAlY coating, CoCrAlY coating and NiCoCrAlY coating. These three kinds of coatings have good oxidation resistance and corrosion resistance, as well as good plastic toughness and thermal fatigue resistance, so they can be used as bonding layer materials for coatings or thermal barrier coatings. The research progress on the properties of MCrAlY coating, such as the main elements (Al, Cr, Co, Y), the addition of alloy elements (Ta, Re, Si, Pt), the coating preparation process and the pretreatment process was reviewed. The results showed that different compositions and structures would affect the performance and application range of the coating. The control of coating properties could be realized by adjusting the composition of MCrAlY coating. The addition of alloy elements such as Si, Ta and Re into the MCrAlY coating could significantly improve the收稿日期：2023-04-16；修订日期：2023-09-07Received：2023-04-16；Revised：2023-09-07基金项目：陕西省2023年度秦创原引用高层次创新创业人才项目（QCYRCXM-2023-020）Fund：The 2023 Qin Chuangyuan Citation High-level Innovative and Entrepreneurial Talents Project of Shaanxi Province (QCYRCXM-2023-020)引文格式：门引妮, 李进, 卢金文, 等. MCrAlY涂层的研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(7): 31-39.MEN Yinni, LI Jin, LU Jinwen, et al. Research Progress of MCrAlY Coatings[J]. Surface Technology, 2024, 53(7): 31-39.*通信作者（Corresponding author）·32·表面技术 2024年4月high temperature oxidation resistance of the coating, which was critical for improving the working efficiency of the engine and met the requirements of high temperature working environment. The preparation process and process parameters of the coating would affect its quality and stability. Moreover, various methods were summarized to improve the oxidation resistance and corrosion resistance of MCrAlY coatings, including refining the coating grain size, doping with nanoparticles and preparing gradient composite coatings. By optimizing the coating structure (coating thickness, grain size distribution, etc.), its oxidation resistance and corrosion resistance could be improved. The introduction of nanoparticles into the coating could improve its mechanical properties and spalling resistance. The development trend of MCrAlY coatings was prospected. In conclusion, MCrAlY coatings have exhibited excellent high temperature oxidation and corrosion resistance, making them suitable for harsh working environment. The properties of MCrAlY coatings can be controlled by adjusting their composition and utilizing advanced preparation and pretreatment processes. At present, due to the deterioration of the use environment, higher requirements are put forward for the use temperature of the coating, and the density and porosity of the coating need to be improved by one step. The future development direction of MCrAlY coating includes improving high temperature stability and mechanical properties, developing new coating materials, studying the preparation process and process parameters of coating, exploring its application in new fields, improving the precision control and consistency of coating, exploring the multifunctional application of coating, developing new coating preparation technology and promoting the digital design, prediction and simulation of coating. These directions will bring more opportunities and challenges to the application and development of MCrAlY coatings.KEY WORDS: MCrAlY coating; active element; preparation process; oxidation resistance; corrosion resistance发动机防护涂层到目前已经历了4个发展阶段：第一阶段为简单铝化物涂层；第二阶段为改性铝化物涂层；第三阶段为MCrAlY（M=Co、Ni或NiCo）包覆涂层；第四阶段为热障涂层（TBCs），如图1所示，底层为MCrAlY黏结层，表层为氧化钇、氧化镁或氧化钙稳定的氧化锆陶瓷涂层[1-2]。
【82】 第37卷 第2期 2015-02(上)工艺参数对H13热作模具钢激光重熔-火焰喷涂复合涂层性能的影响Effect of process parameters on the properties ofdie h13 by laser cladding-fuel spraying张 明ZHANG Ming（绵阳职业技术学院，绵阳 621000）摘 要：研究了工艺参数对激光重熔-火焰喷涂复合涂层后H13热作模具钢的高温耐磨损性能、高温力学性能、抗高温氧化性能和热疲劳性能的影响规律。
结果表明，单一增大激光功率或喷枪移送速度，激光重熔-火焰喷涂H13热作模具钢的高温耐磨损性能、高温力学性能、抗高温氧化性能和热疲劳性能均先提高后降低。
与未经喷涂处理的H13钢相比，激光重熔-火焰喷涂复合涂层H13钢在500℃下的磨损体积减小91%、抗拉强度增加151%、屈服强度增加182%、500℃高温氧化72h后的单位面积质量增重减小90%、热疲劳裂纹级别从11级变为2级。
关键词：激光重熔-火焰喷涂；H13钢热作模具；工艺参数；复合涂层中图分类号：TQ586.5 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2015)02(上)-0082-05Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2015.02(上).22收稿日期：2014-09-11基金项目：四川省科技厅科技支撑项目(2010GZ0228)作者简介：张明（1969 -），男，四川三台人，副教授，硕士，研究方向为机械设计与制造。
0 引言模具是现代制造工业中不可或缺的产品，模具的性能提高是模具工程技术人员和科研人员的一个重要技术课题[1～4]。
H13钢模具是一种常用的热作模具，随着市场需求的提高，H13钢模具的耐磨损性能、耐腐蚀性能等需要迫切提高。
H13钢热作模具的工作条件恶劣，主要失效形式为热磨损和热疲劳。
热喷涂技术是提高模具耐磨损性能、耐腐蚀性能、延长模具使用寿命等的有效手段。
高温合金是在高温下具有较高力学性能、抗氧化和抗热腐蚀性能的合金。
高温合金按基体成分可分为镍基高温合金、铁镍基高温合金和钴基高温合金，其中镍基高温合金发展最快，使用也最广，铁镍基高温合金次之。
按强化方式分为固溶强化合金和析出强化合金（或称时效沉淀强化合金）等。
按成型方式和生产工艺分为变形合金、铸造合金、粉末冶金合金和机械合金化合金。
固溶强化高温合金的基体为面心立方点阵的固溶体，在其固溶度范围内通过添加铬、钴、钼、钨、铌等元素，提高原子间结合力，产生点阵畸变，降低堆垛层错能，阻止位错运动，提高再结晶温度来强化固溶体。
固溶强化的效果取决于合金化元素的原子尺寸及加入量。
原子半径较大、熔点较高的钼和钨具有较好固溶强化作用，两者总含量可达18%~20%。
铬可防止高温氧化和热腐蚀，但含量过高会降低γ’相的固溶度，使合金的热强性下降。
镍基固溶强化高温合金一般均具有优良的抗氧化、抗热腐蚀性能，塑性较高、焊接性能好，但热性相对较低。
铁镍基固溶强化高温合金，虽然与镍基固熔强化高温合金相比在热强性、抗氧化和抗热腐蚀等方面略差一些，但仍具有良好的力学性能、较好冷热加工工艺性能和焊接性能。
析出强化高温合金是在固溶强化高温合金的基础上，通过添加较多的铝、钛、铌等元素而发展的。
这些无元素除了强化固溶体外，通过时效处理，与镍结合形成共格稳定、成分复杂的Ni3(Al Ti)相(也就是γ’相，具有长程有序的面心立方结构)或Ni3(Nb AI Ti)相（也就是γ’’相，有序体心四方结构）金属间化合物，同时钨、钼、铬等元素与碳形成各种碳化物（如MC M6C M23C6等）由于γ’(γ’’)相和碳化物存在，使合金的热强性大大提高。
此外，这类合金中还可以加入微量的硼、锆和稀士元素、形成间隙相，强化晶界。
近年来发展的一些合金，往往采用固溶，析出和晶界多种方式强化，使合金具有优良的综合性能。
随着AI Ti Nb 等γ’(γ’’)相形成元素含量的提高，其强化效果也增大，热强性提高，但合金的冷热加工性能和焊接性能随之下降。
