改性元素Re对NiCoCrAlY黏结层合金组织及性能的影响

常振东, 张婧, 辛文彬, 牟仁德, 宋希文, 蔡妍

PDF(7145 KB)
中国高校科技期刊信息汇聚平台
PDF(7145 KB)
材料工程 ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (6) : 35-43. DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2024.000863
航空发动机及燃气轮机涡轮叶片修复技术专栏

改性元素Re对NiCoCrAlY黏结层合金组织及性能的影响

作者信息 +

Microstructure and properties of Re-modified NiCoCrAlY bond coating alloy

Author information +
History +

摘要

MCrAlY黏结层材料的相组织及性能对提高涡轮叶片热障涂层服役稳定性和使用寿命至关重要。采用Thermo-Calc热力学计算软件、X射线衍射仪、场发射扫描电镜、透射电镜、热膨胀仪等研究了Re改性NiCoCrAlY黏结层合金的组织特征、热膨胀性和抗高温氧化性。结果表明：改性黏结层合金以β-NiAl相为主还有少量σ-CoCr、α-Cr、Ni5Y相，稀土元素Y与Ni结合形成Ni5Y，改性元素Re则主要固溶于α-Cr和σ-CoCr相。当温度由室温升高到1200 ℃时，改性黏结层合金的热膨胀系数为（18.1±0.1）×10-6 K-1。当1100 ℃等温氧化时间达到100 h，氧化膜和贫铝层厚度分别为（2.44±0.09） μm和（2.53±0.33） μm，氧化速率为（0.06±0.01） g·m-2·h-1，达到完全抗氧化级对氧化速率的要求。与常规MCrAlY黏结层合金相比，1200 ℃热膨胀系数减小了12%，1100 ℃氧化100 h的增重速率降低了25%，即Re改性NiCoCrAlY黏结层合金具有更低的热膨胀性和更高的抗氧化性，能够为高性能MCrAlY黏结层材料的研制提供设计思路。

Abstract

The phase constitution and properties of MCrAlY bond coating material are essential to improve the service stability and life of thermal barrier coatings for turbine blades. In this work， the microstructure characteristics， thermal expansion and high-temperature oxidation resistance of the Re-modified NiCoCrAlY bond coating alloy are systematically investigated using Thermo-Calc software， X-ray diffraction， field emission scanning electron microscopy， transmission electron microscopy， and thermal dilatometer， etc. The results show that the microstructure is primarily composed of β-NiAl coupled with some σ-CoCr， α-Cr and Ni5Y. Meanwhile， the rare earth element Y binding Ni forms Ni5Y， while the modification element Re is mostly solid dissolved in the α-Cr and σ-CoCr phases. Moreover， when the temperature increases from room temperature to 1200 ℃， the coefficient of thermal expansion reaches （18.1±0.1）×10-6 K-1. As the isothermal oxidation time at 1100 ℃ extends to 100 h， the thickness of the oxidation layer and Al depletion layer is （2.44±0.09） μm and （2.53±0.33） μm， respectively. The oxidation rate is （0.06±0.01） g·m-2·h-1， achieving the oxidation rate of a complete antioxidant level. Compared with the properties of the conventional MCrAlY bond coating alloy， the coefficient of thermal expansion at 1200 ℃ and the oxidation rate at 1100 ℃ for 100 h decrease by 12% and 25%， respectively. Namely， the Re-modified NiCoCrAlY bond coating alloy processes lower thermal expansion and higher oxidation resistance， which can provide design strategy for developing a high-property bond coating material.

关键词

NiCoCrAlY黏结层合金 / Re改性 / 热膨胀性 / 抗氧化性

Key words

NiCoCrAlY bond coating material / Re modification / thermal expansion / high-temperature oxidation resistance

中图分类号

TG146.4

引用本文

EndNote

Ris (Procite)

Bibtex

导出引用
常振东 , 张婧 , 辛文彬 , 等. 改性元素Re对NiCoCrAlY黏结层合金组织及性能的影响. 材料工程. 2025, 53(6): 35-43 https://doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2024.000863
Zhendong CHANG, Jing ZHANG, Wenbin XIN, et al. Microstructure and properties of Re-modified NiCoCrAlY bond coating alloy[J]. Journal of Materials Engineering. 2025, 53(6): 35-43 https://doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2024.000863

参考文献

列表( 原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序 ) 可视化分析
[1]
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 Y N， LI J， LU J W， et al. Research progress of MCrAlY coatings［J］. Surface Technology， 2024， 53（7）： 31-39.
本文引用 [1]
[2]
孙华键，郭德林，李如庆，等 ．改性MCrAlY涂层的研究进展［J］．材料导报，2024，38（7）：179-188．
SUN H J， GUO D L， LI R Q， et al. Research status of modified MCrAlY coatings［J］. Materials Reports， 2024， 38（7）： 179-188.
本文引用 [1]
[3]
LI W， FU L B， LIU Y D， et al. The role of Re in effecting isothermal oxidation behavior of β-（Ni，Pt）Al coating on a Ni-based single crystal superalloy［J］. Corrosion Science， 2020， 176： 108892.
本文引用 [1]
[4]
赵晓峰，李玲，张晗，等 ．热障涂层高熵合金黏结层材料研究进展［J］．金属学报，2022，58（4）：503-512．
HAO X F， LI L， ZHANG H， et al. Research progress in high-entropy alloy bond coat material for thermal barrier coatings［J］. Acta Metallurgica Sinica， 2022， 58（4）： 503-512.
本文引用 [1]
[5]
蔡妍，赵文君，刘玉琢，等 ．镍基合金涡轮叶片热障涂层研究进展［J］．失效分析与预防，2022，17（5）：310-315．
CAI Y， ZHAO W J， LIU Y Z， et al. Research status of thermal barrier coatings on nickel-based alloy turbine blades［J］. Failure Analysis and Prevention， 2022， 17（5）： 310-315.
本文引用 [1]
[6]
陈守东 ． MCrAlY黏结层的微观组织及制备方法研究进展［J］．材料导报，2019，33（15）：2582-2588．
CHEN S D. Research progress on microstructure and preparation methods for MCrAlY bond coats［J］. Materials Review， 2019， 33（15）： 2582-2588.
本文引用 [1]
[7]
LV X， LI D， DUAN W， et al. Comprehensive study of the effect of Hf and Ta co-doped MCrAlY bond coat on the high-temperature properties of thermal barrier coating［J］. Surfaces and Interfaces， 2024， 54： 105277.
本文引用 [1]
[8]
DUAN W， LI Y， QIANG W. Effect of Hf-doped MCrAlY alloy on the structure and properties of thermally grown oxide layer［J］. Journal of Materials Engineering and Performance， 2024， 33（19）： 10071-10080.
[9]
王晓明，韩国峰，尹轶川，等 ．基于相平衡计算的Hf掺杂NiCoCrAlY高温涂层设计及强化机理［J］．中国表面工程，2022，35（3）：132-145．
WANG X M， HAN G F， YIN Y C， et al. Design and strengthening mechanism of the Hf-doped NiCoCrAlY coatings based on phase equilibrium calculation［J］. China Surface Engineering， 2022， 35（3）：132-145.
[10]
EBACH-STAHL A， SCHULZ U， SWADŹBA R， et al. Lifetime improvement of EB-PVD 7YSZ TBCs by doping of Hf or Zr in NiCoCrAlY bond coats［J］. Corrosion Science， 2021， 181：109205.
本文引用 [1]
[11]
刘佳琪，王超会，林蔚，等 ． MCrAlY金属黏结层高温失效行为研究进展［J］．材料工程，2024，52（3）：22-32．
LIU J Q， WANG C H， LIN W， et al. Research progress in high-temperature failure behavior of MCrAlY metal bond-coat［J］. Journal of Materials Engineering， 2024， 52（3）： 22-32.
本文引用 [1]
[12]
SALAM S， HOU P Y， ZHANG Y D， et al. Compositional effects on the high-temperature oxidation lifetime of MCrAlY type coating alloys［J］. Corrosion Science， 2015，95： 143-151.
本文引用 [1]
[13]
TOSCANO J， GIL A， HÜTTEL T， et al. Temperature dependence of phase relationships in different types of MCrAlY-coatings［J］. Surface and Coatings Technology， 2007，202（4/7）： 603-607.
本文引用 [1]
[14]
梁静静，朱明，袁忠华，等 ．Re对NiCoCrAlY涂层合金相组成的影响［J］．金属学报，2013，49（3）：330-340．
LIANG J J， ZHU M， YUAN Z H， et al. Influence of Re on the phase constituent of a NiCoCrAlY coating alloy［J］. Acta Metallurgica Sinica， 2013， 49（3）： 330-340.
本文引用 [1]
[15]
LIANG J J， WEI H， ZHU Y L， et al. Influence of Re on the properties of a NiCoCrAlY coating alloy［J］. Journal of Materials Science & Technology， 2011， 27（5）： 408-414.
本文引用 [1]
[16]
常振东，张婧，牟仁德，等 ．NiCrAlYSi黏结层合金相结构与性能研究［J］．真空，2022，59（4）：41-47．
CHANG Z D， ZHANG J， MU R D， et al. Phase structure and properties of a NiCrAlYSi bond coating alloy［J］. Vacuum， 2022， 59（4）： 41-47.
本文引用 [1]
[17]
KARUNARATNE M S A， KYAW S， JONES A， et al. Modelling the coefficient of thermal expansion in Ni-based superalloys and bond coatings［J］. Journal of Materials Science， 2016，51（9）： 4213-4226.
本文引用 [1]
[18]
LIANG J J， WEI H， ZHU Y L， et al. Phase constituents and thermal expansion behavior of a NiCrAlYRe coating alloy［J］. Journal of Materials Science， 2011， 46（2）： 500-508.
本文引用 [1]
[19]
曹腊梅，李相辉，薛明，等 ．一种含铼和碳的镍基单晶高温合金显微组织的研究［J］．航空材料学报，2010，30（6）：11-15．
CAO L M， LI X H， XUE M， et al. Microstructure of Re and C-containing Ni-based single crystal superalloy［J］. Journal of Aeronautical Materials， 2010， 30（6）： 11-15.
本文引用 [1]
[20]
WALLWORK G R， HED A Z. Some limiting factors in the use of alloys at high temperatures［J］. Oxidation of Metals， 1971， 3（2）： 180-181.
本文引用 [1]
[21]
张晗，刘轩溱，黄爱辉，等 ．热障涂层金属黏结层制备与研究进展［J］．中国腐蚀与防护学报，2025，45（1）：20-32．
ZHANG H， LIU X Z， HUANG A H， et al. Manufacturing and research progress in metallic bond coats for thermal barrier coatings ［J］. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection， 2025， 45（1）： 20-32.
本文引用 [1]
[22]
LIU C T， SUN X F， GUAN H R， et al. Effect of rhenium addition to a nickel-base single crystal superalloy on isothermal oxidation of the aluminide coating［J］. Surface & Coating Technology， 2005， 194： 111-118.
本文引用 [1]

基金

国家科技重大专项项目（J2019-Ⅶ-0010-0150）
中国航发北京航空材料研究院院基金(KJ42250521)
内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划(NJYT24070)
中央引导地方科技发展资金项目(2023ZY0009)
内蒙古自治区教育厅一流学科科研专项项目(YLXKZX-NKD-050)
内蒙古自治区直属高校基本科研业务费（118）

评论

PDF(7145 KB)

Accesses

Citation

Detail
段落导航
相关文章
Copyright 中国高校科技期刊信息汇聚平台 2024-2025
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司
京ICP备05021913号-19

/

〈 〉