材料工程

Mass fraction of Co/%	T_L/℃	T_S/℃	ΔT/℃	T_P/℃	T_D（γ-Ni）/℃
8	1401	1291	110	1401	1307	921	1051	—	1291	901
10	1408	1294	114	1408	1311	900	1033	886	1294	886
12	1415	1296	119	1415	1314	886	1012	908	1296	883
14	1422	1298	124	1422	1318	876	989	953	1298	871
16	1429	1299	130	1429	1321	864	561	974	1299	856

Mass fraction of Co/%	T_L/℃	T_S/℃	ΔT/℃	T_P/℃	T_D（γ-Ni）/℃
8	1401	1291	110	1401	1307	921	1051	—	1291	901
10	1408	1294	114	1408	1311	900	1033	886	1294	886
12	1415	1296	119	1415	1314	886	1012	908	1296	883
14	1422	1298	124	1422	1318	876	989	953	1298	871
16	1429	1299	130	1429	1321	864	561	974	1299	856

Mass fraction of Al/%	T_L/℃	T_S/℃	ΔT/℃	T_P/℃	T_D/℃
8	1379	1304	75	1261	1379	1047	883	852	1312	965	753	402
10	1346	1299	47	1328	1346	989	902	890	1299	792	886	—
12	1362	1297	65	1362	1325	915	897	886	1297	—	885	—
14	1415	1296	119	1415	1314	886	1012	908	1296	—	883	—
16	1466	1295	171	1466	1298	808	1297	964	1295	—	954	—

Mass fraction of Al/%	T_L/℃	T_S/℃	ΔT/℃	T_P/℃	T_D/℃
8	1379	1304	75	1261	1379	1047	883	852	1312	965	753	402
10	1346	1299	47	1328	1346	989	902	890	1299	792	886	—
12	1362	1297	65	1362	1325	915	897	886	1297	—	885	—
14	1415	1296	119	1415	1314	886	1012	908	1296	—	883	—
16	1466	1295	171	1466	1298	808	1297	964	1295	—	954	—

Mass fraction of Zr/%	T_L/℃	T_S/℃	ΔT/℃	T_P/℃	T_D（γ-Ni）/℃
0.15	1415	1264	151	1415	1312	887	1018	912	1290	676	884
0.3	1414	1235	179	1414	1310	888	1023	916	1284	771	885
0.5	1413	1202	211	1413	1306	889	1031	921	1276	853	886
0.75	1412	1166	246	1412	1303	889	1041	925	1266	950	886
1.0	1411	1136	275	1411	1299	889	1051	929	1256	1001	886

Mass fraction of Zr/%	T_L/℃	T_S/℃	ΔT/℃	T_P/℃	T_D（γ-Ni）/℃
0.15	1415	1264	151	1415	1312	887	1018	912	1290	676	884
0.3	1414	1235	179	1414	1310	888	1023	916	1284	771	885
0.5	1413	1202	211	1413	1306	889	1031	921	1276	853	886
0.75	1412	1166	246	1412	1303	889	1041	925	1266	950	886
1.0	1411	1136	275	1411	1299	889	1051	929	1256	1001	886

基础元素及改性元素Zr影响NiCoCrAlY黏结层合金相组成的热力学及实验分析

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陈旭阳 ¹^,² , 辛文彬 ¹^,² , 张婧 ¹^,² , 宋希文 ¹^,² , 牟仁德 ³ , 常振东 ³ , 蔡妍 ³

材料工程 | 研究论文 2025,53(12): 275-287

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材料工程 |研究论文 2025 , 53 (12) : 275 -287

基础元素及改性元素Zr影响NiCoCrAlY黏结层合金相组成的热力学及实验分析

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陈旭阳¹^,², 辛文彬¹^,², 张婧¹^,², 宋希文¹^,², 牟仁德³, 常振东³, 蔡妍³

作者信息

^1.内蒙古科技大学稀土产业学院（稀土工程技术学院），内蒙古包头 014010

^2.内蒙古科技大学轻稀土资源全周期绿色高效开发利用教育部重点实验室，内蒙古包头 014010

^3.中国航发北京航空材料研究院，北京100095

通讯作者:

张婧（1990—），女，副教授，博士，研究方向为高附加值金属材料组织与性能调控，联系地址：内蒙古包头市昆都仑区阿尔丁大街7号内蒙古科技大学稀土产业学院（014010），E-mail： lulu2910@126.com

蔡妍（1979—），女，研究员，博士，研究方向为金属涂层腐蚀与防护，联系地址：北京81信箱5分箱（100095），E-mail：caiyan_07@163.com

Thermodynamics and experimental analysis of effect of basic element and modified element Zr on phase composition of NiCoCrAlY bond coating alloy

Xuyang CHEN¹^,², Wenbin XIN¹^,², Jing ZHANG¹^,², Xiwen SONG¹^,², Rende MU³, Zhendong CHANG³, Yan CAI³

Affiliations

^1.School of Rare Earth Industry （School of Rare Earth Engineering and Technology），Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China

^2.Key Laboratory of Full-cycle Green Development & High-Efficiency Utilization of Light Rare-Earth Resources （Ministry of Education），Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China

^3.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China

出版时间: 2025-12-20 doi: 10.11868/j.issn.1001-4381.2025.000131

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摘要

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热障涂层的服役性能和使用寿命与黏结层合金的相组成和结构息息相关，而黏结层合金的成分直接决定了其相组成。先利用Thermo-Calc软件分析了基础元素Co、Al和改性元素Zr含量对各平衡相析出行为的影响规律，随后采用X射线衍射仪、场发射扫描电镜等重点研究了Zr含量对NiCoCrAlY黏结层合金的相组成及富Zr相分布特征的影响。热力学计算结果表明，当Co含量为10%（质量分数，下同）时，合金开始析出σ-CoCr相，随着Co含量从10%增加到16%，σ-CoCr相的最大析出量的摩尔分数由0.055增加到0.229，且Co含量高于14%时该相能在涂层高温服役区间稳定存在。当Al含量为8%~10%时，γ-Ni相优先于β-NiAl相从合金液相中析出，而Al含量为12%~16%时，则反之；随着Al含量由8%增加到16%，凝固区间由75 ℃明显扩大到171 ℃，且β-NiAl相析出量不断增加。当改性元素Zr的含量由0.15%增加到1.0%，固相线温度的变化最为显著，由1264 ℃降低至1136 ℃，凝固区间由151 ℃增大到275 ℃。基于热力学计算设计的黏结层合金在非平衡条件下室温相组成以β-NiAl和γ'-Ni₃Al为基体，基体上分布着少量α-Cr相，同时γ'-Ni₃Al相周围分布着Ni₅Y相。在含0.5%和1.0%Zr的合金中H_L21相析出位置存在差异，前者富Zr相主要在β-NiAl/γ'-Ni₃Al两相界面上析出，后者除了分布于相界面外，还在β-NiAl基体相上析出。

关键词

黏结层 / Zr改性 / 热力学 / 相组成 / 凝固特性

Abstract

收起

The service performance and operation life of thermal barrier coatings are closely related to the phase composition and structure of the bond coat alloy， which is directly determined by its composition. In this work， the effects of the basic elements Co and Al and the modified element Zr on the precipitation behavior of equilibrium phases are analyzed by Thermo-Calc software. Then， the influence of Zr content on phase composition and Zr-rich phase distribution of NiCoCrAlY bond coat alloy is investigated using an X-ray diffractometer and a field emission scanning electron microscope. Thermodynamic calculation results show that the σ-CoCr phase begins to precipitate in the alloy with 10%（mass fraction， the same below）Co， and the maximum precipitation amount （mole fraction） of σ-CoCr phase increases from 0.055 to 0.229 when the Co content increases from 10% to 16%， and it exists in the high-temperature service range of coatings with Co content exceeding 14%. When the Al content is 8%-10%， the γ-Ni phase precipitates from the liquid before the β-NiAl phase， which is opposite in the alloys containing 12%-16%Al. Moreover， with the increase of Al content from 8% to 16%， the solidification interval significantly enlarges from 75 ℃ to 171 ℃， and the β-NiAl content continuously increases. When the Zr content increases from 0.15% to 1.0%， the liquidus temperature obviously decreases from 1264 ℃ to 1136 ℃， and the solidification temperature range enlarges from 151 ℃ to 275 ℃. In addition， the non-equilibrium phase composition at room temperature of the bond coat alloy designed based on thermodynamic calculation is composed of β-NiAl and γ'-Ni₃Al matrix phases， and a small amount of α-Cr precipitate on the matrix. Meanwhile， Ni₅Y is distributed surrounding γ'-Ni₃Al phase. For the alloy containing 0.5% and 1.0%Zr， the precipitation position of H_L21 phase is different. This Zr-rich phase mainly precipitates at the interface of β-NiAl/γ'-Ni₃Al for the former， while it also precipitates on the β-NiAl matrix phase for the latter.

Key words

bond coating / Zr modification / thermodynamics / phase composition / solidification property

引用本文

陈旭阳, 辛文彬, 张婧, 宋希文, 牟仁德, 常振东, 蔡妍. 基础元素及改性元素Zr影响NiCoCrAlY黏结层合金相组成的热力学及实验分析. 材料工程, 2025 , 53 (12) : 275 -287 . DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2025.000131

Xuyang CHEN, Wenbin XIN, Jing ZHANG, Xiwen SONG, Rende MU, Zhendong CHANG, Yan CAI. Thermodynamics and experimental analysis of effect of basic element and modified element Zr on phase composition of NiCoCrAlY bond coating alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2025 , 53 (12) : 275 -287 . DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2025.000131

正文

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3 中国航发北京航空材料研究院，北京100095）

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跨入新世纪以来，世界各国对制空权的争夺愈演愈烈，航空发动机作为飞机的核心部件，其性能直接关系到军用战机的战斗力以及商用客机的经济效益，其发展水平已经成为衡量一个国家军事与经济水平和综合国力的重要指标之一。在“十三五规划纲要”中提出的“科技创新2030——重大项目”中，航空发动机与燃气轮机一同被列为首位。随着航空发动机向高推重比、高流量比、高热效率的方向发展，发动机进口温度和压力大大提高，航空发动机热端部件耐热性不足已经成为制约进一步发展的重大阻碍^［1］。目前，制造涡轮叶片的材料以镍基高温合金作为首选，其使用温度一般不超过1100~1150 ℃^［2］。为了提高航空发动机的使用温度，热障涂层技术已经被广泛应用于涡轮叶片及其他热端部件的高温防护领域^［3］。热障涂层由陶瓷层（top coating）、金属黏结层（bond coating）和热生长氧化物（thermally grown oxide，TGO）三部分组成^［4］。金属黏结层作为过渡层，具有缓解基体与陶瓷层间的热不匹配性、提高涂层抗高温氧化和抗热腐蚀性能等功能^［5］。MCrAlY金属黏结层因其优异的抗氧化性能和抗热腐蚀性能以及成分易调控、制备成本较低等优点受到青睐^［6］。

随着航空发动机服役条件愈加恶劣，热障涂层需要更加优异的力学性能及抗高温氧化性，通过添加Zr、Hf等改性元素来调控黏结层合金成分以改善涂层性能的方法被研究者广泛应用^［7］。相关研究表明，向MCrAlY金属黏结层中掺杂Zr等耐火元素可以使黏结层热膨胀系数接近Al₂O₃，提高涂层的抗脱落能力^［8］。黏结层中掺杂少量Y、Zr等活性元素，可以提高氧化膜结合力、降低氧化速率、明显改善涂层的抗热震性能和抗高温氧化性能；还能够通过提高TGO层的黏结性能的方式来改善涂层的抗硫化性能^［9］。Subanovic等^［10］研究了同时掺杂0.6% （质量分数，下同）Y+0.6%Zr可以提高NiCoCrAlY黏结层寿命约四倍。Ebach-stahl等^［11］研究表明，为了使Zr改性NiCoCrAlY黏结层的抗氧化性达到最佳，Zr元素存在一个最佳添加量，这个最佳添加量与涂层成分设计，尤其是金属黏结层中Co与Al的含量有关。为了探究改变基础元素Co、Al以及改性元素Zr含量对各平衡相析出行为的影响，以及改性元素Zr影响黏结层性能的规律，本工作采用Thermo-Calc热力学计算探究黏结层合金的平衡相组成以及改变Co、Al、Zr含量对各平衡相析出行为的影响，得到Ni-Co-Cr-Al-Y-Zr体系下Co、Al、Zr含量的最佳区间。在此基础上，选择三种不同Zr含量的黏结层合金成分进行冶炼并分析合金相组织特征。综合热力学计算与黏结层合金相组成分析，明确黏结层合金平衡与非平衡条件下相组成以及Zr元素的分布，最终为优化Zr改性NiCoCrAlY黏结层合金的成分提供理论依据。

1 实验材料与方法

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1.1 黏结层合金平衡相组成的热力学计算

利用商用Thermo-Calc热力学计算软件及相应的TCNI12数据库，对典型成分的MCrAlY黏结层合金在200~1600 ℃温度区间内存在的平衡相进行计算。包括平衡相的种类、析出温度、析出量、元素组成。在计算平衡相组成时，设定合金体系为1 mol，同时考虑LIQUID相、α相、β相、γ相、γ'相、Ni₅Y相、σ-CoCr相以及H_L21相。以Ni-Co-Cr-Al-Y-Zr为合金体系，计算基础元素Co、Al含量和改性元素Zr含量对各平衡相析出行为的影响，以确定适宜的含量范围。

1.2 黏结层合金制备

采用10 kg中频真空感应炉冶炼三种不同成分的NiCoCrAlYZr黏结层合金铸锭，并对铸锭进行（1150 ℃/3 h/AC + 1200 ℃/2 h/AC） + 1100 ℃/4 h/AC+870 ℃/20 h/AC的真空热处理以均匀铸锭合金成分。利用电火花线切割从冶炼所得铸锭中切取尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的金相试样，经机械研磨和抛光后用于合金物相组成和形貌分析。

1.3 黏结层合金相组成表征

利用X射线衍射仪（XRD，Rigaku SmartLab-9kW）分析黏结层合金物相组成，工作电压与电流分别为45 kV和20 mA，Cu靶，扫描范围和扫描速度分别为20°~90°和5 （°）/min。利用场发射扫描电镜（FESEM，Zeiss SIGMA 300）和能谱仪（EDS，Oxford）对黏结层合金非平衡条件下室温相组织的微观形貌及元素组成进行观察和分析。

2 结果与分析

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2.1 钴含量对黏结层合金平衡相析出行为的影响

不同Co含量Ni-xCo-17Cr-14Al-0.5Y黏结层合金平衡相组成如图1所示。当Co含量为8%时，合金的平衡相组成包括β-NiAl相、γ-Ni相、γ'-Ni₃Al相、α-Cr相和Ni₅Y相；而当Co含量增加为10%及以上时，合金中除了与含8%Co合金相同的相组成类型外，均形成了σ-CoCr相。表1列出了Co元素变化对合金液/固相线及各平衡相析出温度或存在温度的影响情况。可以看出，随着Co含量从8%增加至16%，合金的液/固相线温度分别由1401 ℃与1291 ℃升高至1429 ℃与1299 ℃，液相线温度增幅更加明显，凝固温度区间由110 ℃增大到130 ℃。另外，合金液相中最先析出β-NiAl相，因而β-NiAl相的开始析出温度定义为合金液相线温度，两者一致。γ-Ni相的析出温度从1307 ℃升高至1321 ℃，消失温度从901 ℃降低到856 ℃，γ-Ni相存在的温度范围随着Co含量增加而扩大。γ'-Ni₃Al相的析出温度从921 ℃降低到864 ℃，γ+γ'两相共析出区间温度降低。当Co含量从8%增加到14%，α-Cr相的析出温度由1051 ℃缓慢降低到989 ℃，当Co含量达到16%时，析出温度骤降至561 ℃，说明Co含量的增加降低了α-Cr相的析出温度。随着Co含量从10%增加到16%，σ-CoCr相的析出温度由886 ℃升高至974 ℃，而Co含量增加对Ni₅Y相的析出温度影响较小。

图2为Co含量变化对Ni-xCo-17Cr-14Al-0.5Y黏结层合金各平衡相析出量的影响。在950~1250 ℃的涂层服役温度区间内，随着Co含量从8%增加到16%，β-NiAl相的析出量摩尔分数减少约0.01，γ-Ni相的析出量摩尔分数相应地增加了约0.01，这两相的析出呈现此消彼长的趋势。α-Cr相和γ'-Ni₃Al相的析出量都随着Co含量的增加而减少，当Co含量低于10%时，在高温服役区间如1000~1050 ℃内存在α-Cr相，Co含量继续降低到8%，在高温服役区间内才存在γ'-Ni₃Al相。Co含量变化对Ni₅Y相的析出量影响不大，但随着Co含量的增加，σ-CoCr相的析出量显著增加，最大析出量摩尔分数达到了0.229。当Co含量高于14%时，σ-CoCr相存在于高温服役区间内，该相是具有复杂四方结构的固溶体，往往对涂层性能有害。研究表明，在金属黏结层中添加Co元素，能有效提高热障涂层的抗热腐蚀性及抗硫化性，改善涂层界面结合性^［12-13］；同时还可以降低β-NiAl+γ-Ni→γ'-Ni₃Al+α-Cr的固态相变温度，抑制脆性γ'相的析出，在涂层高温服役时能在较大的温度区间内保持较稳定β+γ两相组织，大大提高涂层的寿命^［14］。但当Co元素含量过高时，析出大量脆性σ-CoCr相，在高温氧化时易形成含Co尖晶石类氧化物，脆性相和非保护类氧化物往往为裂纹产生提供条件，导致涂层过早失效脱落^［15］。因此，综合考量Co含量的较佳区间为10%~14%。

2.2 铝含量对黏结层合金平衡相析出行为的影响

不同Al含量Ni-12Co-17Cr-xAl-0.5Y黏结层合金平衡相组成如图3所示。Al含量变化对合金液/固相线及各平衡相析出行为的影响见表2。不同Al含量黏结层合金平衡相组成包括β-NiAl、γ-Ni、γ'-Ni₃Al、α-Cr、σ-CoCr和Ni₅Y相。随着Al含量从8%增加到16%，固相线温度从1304 ℃降低至1295 ℃；而液相线温度呈现出先降低再升高的趋势，从1379 ℃降低至1346 ℃再升高至1466 ℃，Al含量为10%时液相线温度达到最低。此外，随着Al含量由8%增加到16%，黏结层合金的凝固温度区间由75 ℃增大至171 ℃。值得注意的是，当Al含量为8%~10%时，γ-Ni相优先于β-NiAl相从合金液相中析出，而Al含量为12%~16%时，β-NiAl相首先从合金液相中析出。γ-Ni相的析出温度随Al含量的增加从1379 ℃降低至1298 ℃，而β-NiAl相的析出温度与Al含量呈现强正相关性，由1261 ℃升高至1466 ℃。同时，当Al含量分别为8%和10%时，β-NiAl消失温度为965 ℃和792 ℃。α-Cr相的析出温度在Al含量为8%~12%时，在890 ℃附近平稳波动，当Al含量达到14%时析出温度陡增至1012 ℃，Al含量进一步增加到16%时该相的析出温度提高至1297 ℃，当Al含量为16%时，在1000~1200 ℃高温服役区间存在α-Cr相。γ'-Ni₃Al相的析出温度随Al含量的增加由1047 ℃降低至808 ℃，Ni₅Y相的析出温度从1312 ℃降低至1295 ℃，而σ-CoCr相的析出温度在852~964 ℃的范围内波动。

由图4中Al含量对Ni-12Co-17Cr-xAl-0.5Y黏结层合金各平衡相析出量的影响可知，Al含量对β-NiAl、γ-Ni和γ'-Ni₃Al相析出量的影响较大。在涂层高温服役区间950~1250 ℃内，随着Al含量的增加，β-NiAl相析出量增加，而γ-Ni相与β-NiAl相呈反向消长的关系，对应的析出量明显减少。当温度为400~850 ℃时，随着Al含量的增加，γ'-Ni₃Al相析出量呈现先增加后减少的趋势，当Al含量为10%时达到最大值；在高温区间950~1250 ℃，当Al含量低于10%时，存在γ'-Ni₃Al相，其析出量随Al含量的增加而减少。当Al含量高于14%时，高温区间内存在α-Cr相，其析出量随Al含量的增加而增加。当Al含量达到16%时，σ-CoCr相可在高温区间内稳定存在。此外，Al含量的变化对Ni₅Y相的析出量影响较小。研究表明，热障涂层金属黏结层中Al元素在高温下生成连续且致密的Al₂O₃薄膜，大大提高涂层的抗高温氧化性，Al元素还能改善金属黏结层与基体以及陶瓷面层之间的结合力，改善涂层的黏结性能^［16］。然而，Al含量过高会增大金属黏结层与基体之间的元素浓度梯度，加剧界面元素互扩散^［17］；还会在高温服役区间内生成脆性相，导致金属黏结层的韧性降低，在热应力、机械应力的作用下，引起涂层开裂，严重影响使用寿命^［18］。综上分析，Al含量的最佳区间为10%~14%。

2.3 锆含量对黏结层合金平衡相析出行为的影响

图5为不同Zr含量Ni-12Co-17Cr-14Al-0.5Y-xZr黏结层合金平衡热力学计算结果。可以看出，添加改性元素Zr的黏结层合金与无Zr添加的黏结层合金相比，平衡析出相中出现H_L21相。200 ℃低温相组成均为β-NiAl、γ'-Ni₃Al、α-Cr、Ni₅Y、σ-CoCr和H_L21相。表3给出了Zr含量变化对合金液/固相线温度及各平衡相析出行为的影响。可以看出，随着Zr含量从0.15%增加到1.0%，合金液相线和固相线温度均有所降低，液相线温度从1415 ℃略降低至1411 ℃，固相线温度从1264 ℃显著降低至1136 ℃，凝固温度区间由151 ℃扩大到275 ℃，增幅达到82%。研究表明，在镍基高温合金中添加Zr会降低合金液相线及固相线温度，当Zr的添加量高于0.1%时，凝固温度范围扩大，与周阳等^［19］研究结果一致。随着Zr含量的增加，β-NiAl相析出温度逐渐降低，与液相线温度的降低保持一致。当Zr含量从0.15%增加到1.0%时，γ-Ni相的析出温度降低幅度不大，由1312 ℃降低至1299 ℃；消失温度基本保持不变，为884~886 ℃；γ'-Ni₃Al相的析出温度也基本保持不变，为887~889 ℃。α-Cr相的析出温度从1018 ℃升高至1051 ℃，Ni₅Y相的析出温度由1290 ℃降低至1256 ℃，σ-CoCr相和H_L21相的析出温度分别从912 ℃和676 ℃增加至929 ℃和1001 ℃。

图6为Zr含量对Ni-12Co-17Cr-14Al-0.5Y-xZr黏结层合金各平衡相析出量的影响。可以看出，当温度高于1000 ℃时，随着Zr含量的增加，β-NiAl相的析出量逐渐增加，而γ-Ni相的析出量逐渐减少。富Al β-NiAl相含量越高通常越有利于抗氧化性的提高^［20］，故可适当提高Zr含量以增加β-NiAl相占比，达到改善合金抗氧化性的目的。γ'-Ni₃Al和α-Cr相的析出量均随Zr含量的增加而减少，σ-CoCr和H_L21相的析出量随Zr含量的增加而增加。在当前Zr含量范围内，γ'-Ni₃Al、α-Cr、σ-CoCr和H_L21相均不能稳定存在于1000 ℃以上的服役温度。研究表明，对于NiCoCrAlYZr金属黏结层，Zr在高温时可以完全固溶于β-NiAl和γ-Ni相中，不会形成脆性相影响涂层性能。添加Zr能够有效提高热障涂层的抗高温氧化性及力学性能，延长其工作时间^［21-23］；但过量添加Zr元素，会导致黏结层合金固相线温度大幅下降，进而降低涂层的服役温度。综上所述，在金属黏结层中要严格控制Zr元素的含量，不宜过高，适宜的添加量为0.3%~0.5%。

2.4 黏结层合金中各平衡相的元素组成分析

NiCoCrAlY黏结层合金中除了平衡相类型、析出量对其抗氧化性乃至涂层服役寿命影响外，平衡相的元素组成也是关键因素。本工作侧重研究改性元素Zr对黏结层性能影响，基于元素Co、Al和Zr对合金平衡相组成的热力学计算结果，选定Ni-12Co-17Cr-14Al-0.5Y-0/0.5/1.0Zr三种成分的黏结层合金进行熔炼，并根据改性元素Zr的含量分别命名为0Zr、0.5Zr和1.0Zr。以Ni-12Co-17Cr-14Al-0.5Y-0.5Zr典型成分合金分析各相的元素组成，结果如图7所示。β-NiAl相中Al含量较高，同时含有一定量的Co和Cr，但在低温（200 ℃）时β-NiAl相中Co和Cr含量明显减少。γ'-Ni₃Al相中Al含量较β-NiAl相低得多，同样有Co和Cr存在，且在低温γ'-Ni₃Al相中Co含量并未减少。γ-Ni相中除基体元素Ni外，Cr和Co含量较高，还有少量Al元素。α-Cr相中Cr含量最高，还有一定量的Co和Al。σ-CoCr相主要由Cr和Co组成，高温σ-CoCr相中含有少量Ni，而低温σ-CoCr相除少量Al外，几乎全部由Cr和Co组成，并未发现稀土元素Y与改性元素Zr。元素Y主要分布于Ni₅Y相中，而H_L21相则是富Zr相。Ni-12Co-17Cr-14Al-0.5Y-0.5Zr黏结层合金中改性元素Zr在高温时主要固溶于β-NiAl相，黏结层合金在890 ℃发生β-NiAl+γ-Ni→γ'-Ni₃Al+α-Cr的固态相变，Zr元素开始从β-NiAl相迁移至γ'-Ni₃Al相，当温度降低至853 ℃时，各相中的Zr元素一起向H_L21相中迁移，当温度为200~466 ℃时Zr元素主要固溶于H_L21相中。

2.5 黏结层合金非平衡条件下的室温组织结构

图8为不同Zr含量黏结层合金的XRD图谱。可以看出，0Zr、0.5Zr和1.0Zr非平衡条件下的室温相组成均为γ'-Ni₃Al、β-NiAl和α-Cr相，这与前面热力学计算结果中主要相种类一致。随着Zr含量的增加，位于44°的γ'-Ni₃Al相主衍射峰强度增大，而位于45°的β-NiAl和α-Cr相主衍射峰强度减小。XRD图谱中并未检查到热力学计算结果中的Ni₅Y相、H_L21相和σ-CoCr相，主要原因是其含量较少未能达到检测限所致^［24］。

Ni-12Co-17Cr-14Al-0.5Y-0/0.5/1.0Zr黏结层合金室温组织的微观形貌及元素分布和组成如图9~11所示。可以看出，0Zr、0.5Zr和1.0Zr黏结层合金的基体均由深灰色衬度的β-NiAl相和少量浅灰色衬度的 γ'-Ni₃Al相组成，在γ'-Ni₃Al相基体上分布着条带状的β-NiAl相，而在β-NiAl相基体上不仅分布着条带状微米级γ'-Ni₃Al相，还分布着团簇状纳米级α-Cr析出相，在γ'-Ni₃Al相周围有少量白色衬度的Ni₅Y金属间化合物（图9（e））。添加了改性元素Zr的0.5Zr和1.0Zr黏结层合金中发现了H_L21相，其衬度明显比Ni₅Y相深，该富Zr相分布在β-NiAl/γ'-Ni₃Al两相界面处（图10（d）），当Zr含量进一步增加到1.0%时，H_L21相还在β-NiAl相基体上析出（图11（d））。

随着Zr含量由0.5%增加到1.0%，β-NiAl相的面积分数从（0.64±0.032）增大到（0.69±0.078），而γ'-Ni₃Al相的面积分数从（0.32±0.030）减小到（0.25±0.035）。同时，添加Zr还会改变γ'-Ni₃Al相的分布形式，0Zr黏结层合金的γ'-Ni₃Al相呈层片状且彼此连续分布，0.5Zr和1.0Zr合金中γ'-Ni₃Al相未形成连续分布。由图10和图11面扫描结果可知，Co与Cr主要分布于γ'-Ni₃Al相中，Al在β-NiAl相中的占比高于γ'-Ni₃Al相，Y绝大多数分布在Ni₅Y相，而Zr则主要分布在H_L21相。在FESEM-EDS分析中依旧未发现σ-CoCr相，这是由于在合金实际熔炼过程中，温度急剧下降，相变不完全，与热力学计算模拟的条件差异较大，导致σ-CoCr相在非平衡条件下的实际析出量相比于平衡条件下的理论析出量要小的多。综上所述，Thermo-Calc热力学计算结果与室温组织的XRD物相分析和FESEM-EDS分析结果基本一致。

3 结论

收起

（1）根据Thermo-Calc热力学计算分析得出，当NiCoCrAlYZr黏结层合金Cr含量为17%、Y含量为0.5%时，Co和Al含量的适宜区间均为10%~14%、改性元素Zr的添加量应控制为0.3%~0.5%。

（2）热力学计算结果显示Ni-12Co-17Cr-14Al-0.5Y-0/0.5/1.0Zr黏结层合金200 ℃低温相组成均以FCC_L12结构γ'-Ni₃Al相和BCC_B2结构β-NiAl相为主，还有少量α-Cr相、σ-CoCr相以及Ni₅Y金属间化合物共同组成，添加了改性元素Zr的黏结层合金中新增了H_L21相。

（3）0Zr、0.5Zr和1.0Zr黏结层合金室温相组成中基体相均为β-NiAl相和γ'-Ni₃Al相，在β-NiAl相上分布着α-Cr析出相，γ'-Ni₃Al相周围分布着少量Ni₅Y相；随着Zr含量由0.5%增加到1.0%，β-NiAl相的面积分数略增加，γ'-Ni₃Al相面积分数略有减少，富Zr H_L21相的分布位置由β-NiAl/γ'-Ni₃Al相界面转变为两相界面+β-NiAl相基体。

基金

收起

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)
中国航发北京航空材料研究院院基金(KJ42250521)

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2025年第53卷第12期

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doi: 10.11868/j.issn.1001-4381.2025.000131

接收时间：2025-03-11
首发时间：2026-10-26
出版时间：2025-12-20

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收稿日期：2025-03-11
录用日期：2025-05-13

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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)

中国航发北京航空材料研究院院基金(KJ42250521)

作者信息

^1.内蒙古科技大学稀土产业学院（稀土工程技术学院），内蒙古包头 014010

^2.内蒙古科技大学轻稀土资源全周期绿色高效开发利用教育部重点实验室，内蒙古包头 014010

^3.中国航发北京航空材料研究院，北京100095

通讯作者:

蔡妍（1979—），女，研究员，博士，研究方向为金属涂层腐蚀与防护，联系地址：北京81信箱5分箱（100095），E-mail：caiyan_07@163.com

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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Mass fraction of Co/%	T_L/℃	T_S/℃	ΔT/℃	T_P/℃	T_D（γ-Ni）/℃
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974

1299

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Mass fraction of Al/%	T_L/℃	T_S/℃	ΔT/℃	T_P/℃	T_D/℃
8	1379	1304	75	1261	1379	1047	883	852	1312	965	753	402
10	1346	1299	47	1328	1346	989	902	890	1299	792	886	—
12	1362	1297	65	1362	1325	915	897	886	1297	—	885	—
14	1415	1296	119	1415	1314	886	1012	908	1296	—	883	—
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β-NiAl

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β-NiAl

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Mass fraction of Zr/%	T_L/℃	T_S/℃	ΔT/℃	T_P/℃	T_D（γ-Ni）/℃
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0.3	1414	1235	179	1414	1310	888	1023	916	1284	771	885
0.5	1413	1202	211	1413	1306	889	1031	921	1276	853	886
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Mass fraction of Zr/%

T_L/℃

T_S/℃

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γ'-Ni₃Al

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