濺射Al涂層對Ni基合金熱腐蝕性能的影響

付廣艷， 許文蘭， 劉 群， 武永昭， 祁澤艷

(沈陽化工大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

鎳基合金具有優(yōu)良的力學性能和較好的耐蝕性，高溫下抗氧化性能好，廣泛應用于航空航天、石油化工等領域.鎳基合金在使用過程中，往往工作條件苛刻，經(jīng)常被用于高溫環(huán)境下，但其耐腐蝕性能有一定局限性[1-2]，有時會出現(xiàn)一些局部腐蝕現(xiàn)象，而且還會帶來巨大的損失.因此得到了許多學者的關注[3-5]，為提高其抗高溫腐蝕性能，常常采用滲鍍、離子注入、濺射等涂層技術在其表面制備防護涂層，都取得了較好的效果.本文在鎳基合金上濺射Al涂層，然后將試件進行真空擴散退火，研究其對鎳基合金在25 %NaCl+75 %Na2SO4鹽膜下熱腐蝕行為的影響.

1 實 驗

實驗所用材料為Ni基高溫合金，化學成分見表1，試樣尺寸為25 mm×10 mm×1.5 mm，將試樣用水磨砂紙打磨至1 000#后，用丙酮進行超聲波清洗20 min后吹干.采用HX-Ts-400Ⅱ直流磁控濺射儀在試樣表面制備Al涂層，靶材為純Al (質(zhì)量分數(shù)≥99.995 %).實驗本底真空為5.0×10-3Pa，工作氣體為體積分數(shù)99.99 %的氬氣，工作氣壓0.2 Pa，氬氣流量9×10-4m3/h.濺射電壓350 V，濺射電流1 A，濺射時間為3 h.涂層試樣放入真空爐中600 ℃擴散退火2 h.采用涂鹽法進行熱腐蝕實驗，在一定溫度下將25 %NaCl+75 %Na2SO4溶液涂在試樣表面，控制涂鹽量為2.0～2.5 mg/cm2.將涂鹽后的試樣放置于箱式電阻爐中900 ℃空氣環(huán)境進行靜態(tài)熱腐蝕實驗，采用不連續(xù)稱重法，用梅特勒AG285高精度電子天平(靈敏度為0.01 mg)稱量并記錄試樣的質(zhì)量變化，繪制腐蝕動力學曲線.用SEM/EDX及XRD對腐蝕產(chǎn)物的顯微組織進行觀察與分析，獲得腐蝕產(chǎn)物的相組成.

表1 鎳基高溫合金成分

2 實驗結(jié)果

2.1 預處理Al涂層的截面形貌與組成

圖1為600 ℃真空擴散退火Al涂層試樣的截面形貌和表面XRD圖譜.由圖1可以看出：涂層與基體發(fā)生互擴散，生成了β-NiAl相，且涂層與基體結(jié)合緊密.

圖1 擴散退火Al涂層試樣的截面形貌和XRD圖譜

2.2 氧化動力學

25 %NaCl+75 %Na2SO4溶液在900 ℃高溫下容易揮發(fā)，為了準確測得實驗數(shù)據(jù)，先測得涂鹽量為2.0～2.5 mg/cm2時在900 ℃的揮發(fā)曲線，如圖2所示.

圖3為鎳基合金及Al涂層試樣的腐蝕動力學曲線.由圖3可以看出：鎳基合金及預處理的Al涂層試樣的腐蝕動力學均遵循拋物線規(guī)律，涂層試樣拋物線速率常數(shù)明顯較小，真空擴散退火試樣的拋物線速率常數(shù)小于未處理的Al涂層試樣.對于24 h的腐蝕增重，涂層試樣明顯小于鎳基合金，真空擴散退火的涂層試樣增重最小，近似拋物線速率常數(shù)見表2.

圖2 900°C時25 %NaCl+75 %Na2SO4鹽膜揮發(fā)曲線

圖3 試樣的腐蝕動力學曲線

表2 鎳基合金及Al涂層試樣的拋物線速率常數(shù)

2.3 氧化膜的結(jié)構(gòu)與組成

圖4是鎳基試樣熱腐蝕24 h后的截面形貌及元素面分布.由圖4可知：腐蝕膜是疏松的Cr2O3和NiO，基體內(nèi)部有少量的Cr2S3和NiS生成.

圖5是Al涂層試樣熱腐蝕24 h后的截面形貌及元素面分布.由圖5可知：腐蝕膜主要為Al2O3、NiO和Cr2O3，基體內(nèi)部有少量鉻的硫化物和鎳的硫化物.

圖6為經(jīng)真空擴散處理的涂層試樣腐蝕24 h后的截面形貌及元素分布.由圖6可知：腐蝕膜主要是Cr2O3和Al2O3，基體內(nèi)部有部分鎳的硫化物和氧化物.

圖4 鎳基試樣熱腐蝕24 h后截面形貌及元素面分布

圖5 Al涂層試樣熱腐蝕24 h后截面形貌和元素分布

圖6 擴散退火處理的Al涂層試樣熱腐蝕24 h后的截面形貌及截面元素分布

3 討 論

試件表面涂敷2～2.5 mg/cm225 %NaCl+75 %Na2SO4混合鹽，混合鹽的熔點低于實驗溫度900 ℃，所以實驗環(huán)境屬于高溫熱腐蝕.根據(jù)鹽熔模型[6]，金屬或合金發(fā)生熱腐蝕時，表面形成的具有保護作用的氧化膜在沉積的液態(tài)熔鹽中不斷被溶解或再析出.當合金表面存在Na2SO4時，會出現(xiàn)以下平衡反應：

Na2SO4→Na2O+SO3

(1)

2SO3→S2+3O2

(2)

Na2O為熔鹽的堿性組分，SO3為酸性組分.金屬和合金在熔鹽膜下發(fā)生氧化，氧被消耗，從而使氧化物和熔鹽交界面處的pO2降低，所以依據(jù)式(2)在金屬和氧化物界面可導致硫壓升高,這樣就使氧化物和熔鹽交界面處的pSO3降低，由式(1)可知，此時aNa2O升高，于是金屬氧化物遭受堿性溶解，如：

(3)

(4)

(5)

由于熔鹽層的堿度由內(nèi)向外降低，溶質(zhì)在鹽層中向外擴散時發(fā)生分解，在熔鹽中沉積出疏松無保護性的氧化物粒子：

(6)

4CrO42-=2Cr2O3+4O2-+3O2

(7)

(8)

可見，從合金和熔鹽界面至熔鹽至氣體界面，O2-活度的負梯度是發(fā)生堿性熔融的必要條件.金屬氧化物在合金和熔鹽界面的溶解和在熔鹽和氣體界面的析出維持了熔鹽內(nèi)氧離子的負梯度，使反應得以持續(xù)進行下去，直至金屬表面Na2SO4耗盡，金屬的加速腐蝕終止.

熔鹽中的NaCl亦加速腐蝕，若合金元素用M表示，則有以下反應發(fā)生：

2yM+xO2+4NaCl→2Na2MyOx+2Cl2

(9)

M+Cl2→MCl2

(10)

4MCl2+3O2→2M2O3+4Cl2

(11)

8NaCl+(2x-3y)O2+2yM2O3→

4Na2MyOx+4Cl2

(12)

上述反應生成的Cl2具有比氧氣更強的滲透性，更易透過氧化膜與基體發(fā)生反應，反應生成的氯化物向外擴散被氧化，又釋放出Cl2，而這些反應生成的Cl2則又透過氧化膜重新加入腐蝕反應，直到鹽膜中的NaCl消耗干凈為止[7].

由上述分析，鎳基合金試樣處于Na2SO4熔鹽中時，SO42-作為氧化劑，Cr和Ni優(yōu)先被氧化成Cr2O3和NiO，試樣表面形成疏松的氧化膜，在氧化過程中，該氧化膜發(fā)生開裂甚至剝落.新的基體層裸露在外，加速合金的腐蝕.隨著反應的進行，在氧化膜與基體層界面附近區(qū)域形成了貧Cr區(qū)，當貧Cr區(qū)的Cr含量低于形成Cr2O3氧化膜的臨界濃度時，就會導致無法形成氧化膜，新的基體層不斷裸露在外，加速了腐蝕.

當基體表面濺射有Al涂層時，Al被氧化成具有保護性的Al2O3膜，Al2O3能提高氧和硫向基體擴散所需要的分壓，有效阻止氧和硫向基體擴散，從而減緩腐蝕速度，但隨著反應的進行，氧和硫積聚，致使氧壓和硫壓升高，從而達到基體表面，基體中的Cr和Al優(yōu)先被氧化成Cr2O3和Al2O3對基體起到一定的保護作用，同時Al含量高也使得氧被迅速消耗，能起到減緩腐蝕的作用.但隨著Al被消耗，基體表面由于Al貧瘠而無法形成保護膜，最終基體被不斷腐蝕.

經(jīng)過真空擴散退火的鎳基試樣，由圖1可知，基體與涂層結(jié)合緊密，且基體與涂層發(fā)生了相互擴散，基體表面的Al含量增加，生成了β-NiAl相，與氧接觸時生成Al2O3膜，具有一定的保護作用.同時，涂層均勻，與涂層結(jié)合緊密，相比沒有進行真空擴散退火的濺射Al鎳基合金試樣，表面更容易形成均勻的保護膜，保護效果更好.

4 結(jié) 論

(1) 濺射Al涂層提高了鎳基合金在900 ℃空氣中的熱腐蝕抗力，且真空擴散處理的Al涂層的耐腐蝕性能好于未擴散處理的Al涂層.

(2) 無涂層鎳基合金形成了疏松、不完整的Cr2O3和NiO的混合氧化物，且發(fā)生了內(nèi)硫化；具有Al涂層的鎳基合金形成了完整的Al2O3和Cr2O3的混合氧化膜，并且氧化膜較薄，在一定程度上提高了合金的耐腐蝕性能；擴散退火后形成FeAl相，使涂層與基體具有更好的結(jié)合強度，腐蝕24 h后Al2O3膜保持完整，具有更好的保護作用.

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[2] 呂家欣,鄭磊,張麥倉,等.鎳基合金FGH95在熔融NaCl-Na2SO4中的腐蝕行為[J].金屬學報,2009,45(2):204-210.

[3] 孫躍軍,劉喜中,劉夢龍,等.一種鎳基單晶合金在不同介質(zhì)中的熱腐蝕行為[J].熱加工工藝,2012,41(24):46-49.

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[6] 繆筱玲,劉光明,于斐,等.超超臨界鍋爐用TP310HCbN不銹鋼的熱腐蝕行為研究[J].表面技術,2012,41(3):37-39.

[7] 劉曉亮,馬海濤,王來,等.Fe-Cr合金預氧化后涂覆KCl鹽膜的熱腐蝕行為[J].材料保護,2009,42(9):12-14.