JMatPro 助力西安交通大学开展Inconel 718高温合金表面铝化物涂层研究

高温合金是以铁、镍、钴元素为基体成分的一种合金材料,其在600℃及以上温度条件下具有优异的抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变性能,并且能在较高的机械应力作用下长期服役,广泛应用于工业燃气轮机、航空发动机、能源、化工等领域中。高温合金 Inconel 718(国内对应牌号 GH4169)在所有高温合金中应用最为广泛,拥有高温合金之王的美称,该合金是由国际镍公司(Internationa Nickel Company)在20世纪 50年代后期开发的一种兼具优异强度、良好韧性及较强耐腐蚀和抗氧化性能的沉淀强化型高温合金。Inconel 718高温合金的一个主要特点是良好的成形性,可以在很宽的温度范围内(-423至1300F)热加工或冷加工成型，以产生符合特定要求的微观结构和相关性能。此外,Inconel 718高温合金还具有出色的可焊性和良好的抗应变时效开裂性,以及特别突出的耐腐蚀性和抗氧化性能。因此,Inconel718高温合金在燃气轮机和航空发动机上应用量约占高温合金应用总量的三分之一,成为燃气轮机和航空发动机必不可少的关键材料。

近日，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室刘梅军教授团队采用 CVD 法在 Inconel 718高温合金表面制备了铝化物涂层,研究成果发表于2024年第一期的《材料研究与应用》期刊。研究人员利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和X射线能谱仪,表征了铝化物涂层的显微组织结构，采用金属材料相图及性能模拟软件JMatPro定量分析了铝化物涂层中各物相的演变规律,研究成果为高性能 Inconel 718高温合金用铝化物涂层的制备提供关键的技术支撑。

1、原料及表征方法

试验材料为商用的镍铁基高温合金(Incone 718高温合金)作为基体材料,其标称化学成分列于表1。沉积铝化物涂层前，使用砂纸将高温合金基体打磨平整，并用丙酮对基体进行超声清洗处理。

表1 Inconel 718 高温合金的标称化学成分

铝化物涂层的微观组织结构特征用场发射扫描电子显微镜进行表征,对选定位置处的微观组织采集背散射(BSE)模式图片。使用X射线能谱仪测试铝化物涂层的元素成分含量对选定的点或面采集所含元素的分布情况。采用X射线衍射仪表征铝化物涂层的物相组成,测试采用的20角的范围为20-80°测试步长为0.1°。使用金属材料相图及性能模拟软件JMatPro,计算模拟铝化物涂层和 Inconel 718高温合金在元素成分变化时的物相组成,该软件以强大的热力学模型、热力学数据为计算基础,可快速、准确模拟出所需的材料性能。

2、结果与讨论

2. 1 铝化物涂层显微组织结构

图1为铝化物涂层断面组织结构图。从图1可以清晰的看出，铝化物涂层为双层结构。采用ImageJ软件统计了铝化物涂层内外层的厚度,发现铝化物涂层的外层平均厚度为14.1 μm、内层平均厚度为5.9μm。

图1. Inconel718高温合金表面沉积的铝化物涂层的断面组织结构

图2为铝化物涂层EDS面扫描图。从图2可见,铝化物涂层的外层富含Ni和AI元素,而对于内层铝化物涂层而言,对比度稍亮区域富集了大量的Nb、Mo和Fe元素,而对比度稍暗的区域则富含Fe和Cr元素。

图2.铝化物涂层中的元素分布

为了进一步确认铝化物涂层外层的物相,使用JMatPro软件对EDS点区域的测试结果进行了计算模拟,结果如图3（a）所示。从图3（a）可见,涂层外层的的物相为单一的 β-NiA1相。图3（b）为涂层外层的XRD测试结果图。从图4可见，铝化物涂层只显示出β-NiA1衍射峰,表明通过CVD法在 Inconel 718高温合金表面制备的铝化物涂层的外表面为纯 β-NiA1相,与JMatPro计算模拟结果符合的较好。

（a）JmatPro计算模拟结果

（b）XRD 测试结果

图3.铝化物涂层外层中的 β-NiAl相

由于铝化物涂层内层较薄,且被较厚的β-NiAl外层覆盖,故难以用XRD直接测量铝化物涂层的内层物相组成。因此,采用JMatPro软件根据 EDS 点区域测试结果计算模拟铝化物涂层内层的物相组成,结果如图4所示。从图4可见:铝化物涂层内层存在对比度不同的两类区域,对比度较亮的区域为Laves 相和σ相,其中 Laves相含量占比为 92.3%,这说明此区域为Laves相的可能性为92.3%,而少量σ相的存在可能是EDS测量精度误差导致的:而对比度较暗的区域,全部为σ相。

图4.JmatPro 计算模拟的铝化物涂层内层中的 Laves 相和σ相

根据铝化物涂层内层对比度的差异,借助ImageJ软件统计了铝化物涂层内层中Laves相和相所占的比例,结果如图5所示。从图5可见,在铝化物涂层内层中σ相含量最多,约占整个内层总量的 75%。

图5.铝化物涂层内层中 Laves 相和 σ 相含量占比

2. 2 铝化物涂层显微组织结构形成机理

高温合金表面的铝化物涂层,是高温合金基体与气相卤化铝 AlCln,之间相互反应的生成的。为了定量揭示铝化物涂层的具体形成机理,还需要进-步确认与气相卤化铝AlCln,发生反应时的 Inconel 718高温合金相组成。图6为JMatPro软件计算模拟结果。从图6可见,在1050℃温度条件下,Inconel 718高温合金主要含有γ-Ni相,而微量MC相(含量为0.4%)主要存在于γ-Ni相的晶界处,其主要作用是强化晶粒结合和防止晶界滑动,从而提高高温合金的高温强度;此外,MC相高温稳定性较好，与气相卤化铝 AlCln之间不发生反应。结果表明,铝化物涂层是由γ-Ni相与气相卤化铝 AlCln相互反应而生成的。

图6. JmatPro 计算模拟的1050 ℃温度条件下Inconel 718高温合金中的相及其含量

图7为所示为 JmatPro 计算模拟的1 050 ℃温度条件下随Ni元素含量减小Inconel 718高温合金中的物相变化情况。在1050℃温度条件下,Inconel 718高温合金中的相组成随着Ni元素含量的逐渐减少而发生变化;当高温合金中的Ni元素的总量降低至49%时,高温合金γ-Ni相中开始析出Laves相;随着Ni元素的总量进一步降低至40%时,γ-Ni相中又开始析出σ相,此时Laves相的含量进一步增加，而γ-Ni基体相的含量进一步降低；值得注意的是,当高温合金中的Ni元素的总量降低至23%时,高温合金中的σ相的含量达到最大值;随着Ni元素的进一步外扩散,高温合金中的σ相和γ-Ni相的含量逐渐减少,BCC相开始形成,Laves相的含量进一步增加;当高温合金中的Ni元素的总量降低至15%时,σ相完全消失,此时高温合金由γ-Ni相、Laves相和BCC相组成。需要明确的是,高温合金中的Ni元素的含量不会降低至0,这是因为高温合金中的Ni元素的含量降低是Ni元素外扩散导致的,由于扩散的驱动力是化学势梯度,因此参与反应的高温合金中的Ni元素的最低化学势会维持在未参与反应的γ-Ni基体相中Ni元素的最低化学势水平。也就是说,由于未参与反应γ-Ni相的存在,高温合金中参与反应的γ-Ni相并不能完全消失,其含量只能无限接近于0。由此可知,当γ-Ni相的含量接近于0时,参与反应的高温合金中的Ni含量为9%,此时高温合金由Laves相和BCC相组成。需要指出的是,当高温合金中的Ni含量降低至9%时,Laves相所占的体积分数约为30%,这与铝化物涂层内层物相的占比统计结果基本一致。

图7.JmatPro 计算模拟的1 050 ℃温度条件下随Ni元素含量减小Inconel718高温合金中的物相变化情况

参考文献： 引文格式：孟国辉，齐浩雄，杜撰，等 . Inconel 718 高温合金表面铝化物涂层的制备及其形成机制［J］. 材料研究与应用，2024，18（1）：133-139.

JMatPro软件一套功能强大的金属材料相图计算与材料性能模拟软件，尤其适用于实际工业的多组分合金。使用JMatPro可以设计合金成分、开发新合金和改进各种热处理工艺等，也可用于与各种CAE软件（DEFORM、FORGE、ProCAST、Magma、Sysweld、Thercast等）一起进行工艺流程设计与仿真。

JMatPro软件主要功能包括：（1）平衡相图计算；（2）凝固及材料性能计算；（3）材料热物性能计算；（4）机械性能计算；（5）相转变动力学计算；（6）材料优化设计；（7）API功能；（8）MPO功能。

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