研究背景
在燃气轮机叶片表面涂上热防护涂层，可以保护叶片材料免受高温氧化和热腐蚀。MCrAlX型 (M=Ni, Co, Ni+Co, X = Y, Hf, Si, Ta等)涂料作为高温防护涂料或热障涂料的粘结涂料，因其良好的韧性和优异的高温抗氧化性和耐腐蚀性，被广泛应用。
MCrAlX型涂层的制备方法有多种，其中电弧离子镀具有生产效率高、成本低、设备投资少等优点，可以制备高密度、高结合强度、低内应力水平的MCrAlX涂层。MCrAlX型涂层在热处理时会形成一层热生长氧化物（TGO），致密的氧化物可以起到抗氧化的作用。但电弧离子镀镀层表面往往存在突出物，不利于致密氧化膜的形成。为了解决这一问题，可以引入大电流脉冲电子束（HCPEB）辐照处理MCrAlX型涂层，使其表面净化和均匀化。
然而，目前关于HCPEB改性的弧离子镀NiCoCrAlYHfSi涂层的TGO形核、生长和演化的报道仍很少。
论文工作
本论文选用K438G高温合金为衬底，用电弧离子镀沉积NiCoCrAlYHfSi涂层。涂层退火处理后，采用HCPEB技术辐照该涂层。通过1050℃等温氧化试验研究了HCPEB辐照前后涂层表面TGO的微观组织演变和生长行为。
表征方法
论文的研究的是HCPEB辐照对涂层的影响，所以对辐照前后涂层的形貌、微观组织感兴趣。对应的表征手段有金相刻蚀、三维激光扫描显微镜(LSM)、SEM、TEM等。
下图展示了未经HCPEB辐照的涂层样品的情况。图a可以看到样品表面凹凸不平，表面粗糙度约为3um，这是由于电弧离子镀时，靶材熔化，一些液滴在电场下加速飞溅到涂层表面，形成大小不一的颗粒或凸起。TEM下可以看到晶粒尺寸约为300-500nm。
而经过HCPEB辐照后，涂层的微观结构与原始涂层有明显的不同，如下图所示。总体来说，增加脉冲数是的涂层表面更加平滑，粗糙度更低，重熔层更厚。然而当脉冲数量达到40时，表面出现熔坑，粗糙度又有回升。
选择粗糙度最低的30脉冲数处理的涂层样品做TEM测试，如下图。图a可以看到涂层中均匀析出了细小的黑色颗粒，选区衍射表明区域内主要存在γ/γ’相。对黑色颗粒和基体做EDS分析显示，黑色颗粒具有更高的Y含量。通过对黑色颗粒的HRTEM图像做FFT变换，得到的斑点图如图d。结合EDS和FFT结果，初步评估黑色颗粒为Y-Al纳米颗粒。
既然已经了解了涂层的形貌和结构，论文接下来研究了原始涂层和辐照涂层样品的等温氧化行为。下图给出了0-200h的氧化增重曲线。
上面左图可以看到，随样品氧化增重曲线随时间增加而趋于平缓。而右图曲线则表明样品平均增重率符合Wagner氧化理论，即单位面积氧化增重的平方与氧化时间成正比。上述结果表面，HCPEB辐照可以提升涂层的抗氧化性能。
论文还通过SEM和TEM的方法，表征了不同氧化时间的氧化层形貌和结构，讨论了氧化层的生长机理，此处不再展开。
研究结果
1.经过HCPEB反复的脉冲电子束照射，重熔层变得更平坦、更光滑、密度更大，实现了选择性提纯。经过30脉冲HCPEB处理后的涂层表面形成了许多Y-Al纳米颗粒。
2. 在等温氧化开始时，原始AIP-NiCoCrAlYSiHf涂层形成一层薄而不均匀的TGO层，该层主要由α-Al2O3和混合尖晶石组成。随着氧化时间的延长，TGO的厚度增加，但其疏松多孔，会产生穿透裂纹，发生大面积剥落，涂层失效。
3. 相反，30脉冲HCPEB处理的AIP-NiCoCrAlYSiHf涂层在高温氧化初期形成扁平的α-Al2O3膜。随着氧化时间的延长，薄层TGO中的CrO3挥发后留下凹坑，α-Al2O3颗粒填充使凹坑愈合，最终形成一层平整连续致密α-Al2O3氧化膜。氧化后期，Ni、Cr和Co扩散到表面形成少量纳米氧化物颗粒，但TGO仍以Al2O3为主。
4. HCPEB的辐照效应为TGO的快速形成提供了良好的条件，保持了其稳定健康的生长。与原涂层相比，HCPEB辐照后涂层上的TGO对涂层的氧化有较好的保护作用。
更多的实验和数据细节，感兴趣的观众可以阅读论文原文获取哦。
感谢蔡杰教授对中材新材料研究院的支持与认可！
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