Ni合金表面耐氧化腐蝕涂層制備研究進(jìn)展

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110023）

廣泛用于制造航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)，各類燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件，如渦輪部件的燃燒室部件，工作葉片，渦輪盤等的鎳基合金是一種比較常見(jiàn)的高溫合金。由于這些零部件長(zhǎng)期服役在高溫高應(yīng)力的工作環(huán)境下，工作環(huán)境較為復(fù)雜苛刻，因此這些部件應(yīng)同時(shí)具有較高的熱強(qiáng)性及良好的抗高溫耐腐蝕性能，但是對(duì)于同一高溫合金來(lái)說(shuō)，在很多時(shí)候同時(shí)滿足這兩方面是矛盾的，如Ni合金：Cr元素是高溫合金中抗熱腐蝕性能較好的合金元素，其耐蝕性隨著Cr含量的增加而急劇增強(qiáng)[1]，通常鎳基合金中，當(dāng)Cr的含量大于20 wt%時(shí)，鎳合金表面能夠形成連續(xù)致密穩(wěn)定的鈍化膜[2]，但由于高強(qiáng)度鎳基合金中所含有的Cr、Al、Mo等合金元素含量過(guò)高時(shí)會(huì)形成有害的σ相（Cr,Mo)x(Ni,Co)y，另一方面雖然Al元素能夠有效提高合金的抗高溫氧化性能，但只有當(dāng)Al含量大于15wt%時(shí)，高溫環(huán)境下合金表面才能形成連續(xù)致密的Al2O3氧化膜，但當(dāng)添加的Al含量過(guò)高時(shí)，合金的塑性必然會(huì)不斷下降，從而降低了合金的力學(xué)性能和加工工藝性能。所以工程上通常采用在合金表面制備一層防護(hù)涂層來(lái)提高其抗高溫氧化能力[3]。

因此對(duì)能夠提高這些零部件的使用壽命和工作溫度的高溫防護(hù)涂層的研究具有十分重要的意義。故本文對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者于鎳合金表面耐氧化腐蝕涂層的制備方式及效果加以總結(jié)。

1 鎳合金表面耐氧化腐蝕涂層制備方式及效果

1.1 磁控濺射法

李美妲[4]等人通過(guò)磁控濺射的方法在鎳基單晶高溫合金上沉積制備出NiCrAlY涂層,并研究了真空熱處理對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)及其抗氧化性能的影響。研究結(jié)果顯示：真空熱處理后，通過(guò)濺射所得的NiCrAlY涂層表面生成了具有優(yōu)良抗氧化腐蝕性能的α-Al2O3。在1000℃溫度下氧化200 h,涂層表面的氧化鋁膜大部分剝落,但通過(guò)真空熱處理后的涂層表面氧化膜卻仍然牢固地粘附在基體表面。真空熱處理使得濺射NiCrAlY涂層表面生成的氧化膜的粘附性更強(qiáng),從而大大提高了濺射NiCrAlY涂層的抗氧化性能。

付廣艷[5]同樣采用磁控濺射的工藝方法在鎳合金表面制備了鋁涂層，并在600℃溫度下對(duì)涂層進(jìn)行真空擴(kuò)散退火處理及預(yù)氧化處理，并研究了處理后的涂層在1100℃高溫下的抗氧化性能。研究結(jié)果顯示，鋁涂層在一定程度上提高了Ni基合金的抗氧化性能及耐腐蝕性能。

1.2 料漿法

楊世偉[6]等人采用料漿法在DZ4鎳基高溫合金表面“二次”制備Al-Si涂層,其根據(jù)GB/T13303-91對(duì)DZ4合金的料漿滲鋁硅試樣進(jìn)行了1100℃下300小時(shí)的抗高溫氧化實(shí)驗(yàn)。為了便于比較,對(duì)無(wú)防護(hù)處理的DZ4合金也進(jìn)行了同環(huán)境下的氧化實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果表明，DZ4合金滲Al-Si涂層的氧化動(dòng)力學(xué)曲線基本上遵循拋物線規(guī)律,其抗氧化性及耐腐蝕性能均能明顯要優(yōu)于無(wú)防護(hù)涂層的DZ4合金。

1.3 熱噴涂法

羅順等[7]采用低壓等離子噴涂的工藝方法在鎳基單晶高溫合金表面制備了NiCoCrAlYTa涂層，研究結(jié)果顯示，Ni、Cr、Al和 Co 主 要 以 β-NiAl、γ ′ -Ni3Al、γ-Ni及CrCoTa等金屬間化合物的形式均勻分布在涂層中，涂層與基體材料的界面處形成了Ni、Cr、Al和Co元素的濃度梯度，噴涂有涂層的鎳合金的高溫抗氧化性能明顯優(yōu)于無(wú)防護(hù)處理的鎳基單晶高溫合金。

田素貴[8]等通過(guò)對(duì)有無(wú)NiCrAlY涂層的鎳基單晶合金進(jìn)行了不同溫度下的恒溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線測(cè)定并對(duì)高溫氧化后鎳合金的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，并研究了NiCrAlY納米晶涂層對(duì)高Cr含量的單晶Ni基合金的高溫氧化行為的影響。結(jié)果表明：在高溫氧化過(guò)程中，無(wú)防護(hù)涂層的試樣有明顯氧化腐蝕現(xiàn)象發(fā)生、同時(shí)產(chǎn)生了內(nèi)氧化及內(nèi)氮化，高Cr含量的單晶合金經(jīng)濺射NiCrAlY納米晶涂層后，其抗氧化腐蝕性能得到大大提高；濺射有防護(hù)涂層的試樣在不同溫度的恒溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線僅僅在氧化初期有輕微增重，之后便趨于平穩(wěn)，其表面形成的氧化鋁膜連續(xù)致密，只有在近涂層與基體的界面處存在少量AlN內(nèi)氮化物。另外，還有一些學(xué)者[9]對(duì)NiCrAl合金涂層進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1.4 電弧離子鍍及粉末包埋法

李艷瓊等[10]采用電弧離子鍍及粉末包埋的聯(lián)合工藝在鎳基合金表面制備了Al-Cr復(fù)合涂層,并利用粉末包埋法在基體表面制備單一滲Al涂層作為對(duì)比，作者對(duì)兩種涂層的組織結(jié)構(gòu)及成分進(jìn)行了分析,研究了鎳基合金表面Al-Cr復(fù)合涂層及單一Al層在1000和1100℃下的恒溫氧化行為。結(jié)果顯示:復(fù)合涂層可以明顯提高基體合金的抗氧化腐蝕性能，且遠(yuǎn)優(yōu)于單一滲Al層。這是因?yàn)锳l-Cr涂層在氧化過(guò)程中出現(xiàn)了Cr(W)析出帶，進(jìn)而阻礙了涂層中鋁元素向基體方向的擴(kuò)散，減緩了涂層的失效速度，另外Cr元素還可以促進(jìn)Al的選擇性氧化，提高涂層的自修復(fù)能力。

2 結(jié)論

雖已有不少學(xué)者采用各種技術(shù)手段在Ni基合金上制備防護(hù)涂層以提高其抗高溫氧化及腐蝕能力，然而對(duì)于涂層在高溫氧化腐蝕環(huán)境下作用于基體的防護(hù)機(jī)理方面的研究卻較少，有必要在今后的研究中對(duì)此加以深入系統(tǒng)的分析，以便為防護(hù)涂層的應(yīng)用提供更為有效的理論依據(jù)。

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[3]Sun K N,Wang F P,Cao Y.A Study of the properties of hot-dipped aluminum coating[J].MaterialsScience&Technolo gy,2002,10(2):193-195.

[4]李美妲，張重遠(yuǎn)，孫曉峰等.真空熱處理對(duì)鎳基單晶高溫合金濺射NiCrAlY涂層抗氧化性能的影響[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2002,22(3):153-156.

[5]付廣艷，俞立艷，武永昭，等.Al涂層對(duì)Ni基合金高溫氧化性能的影響[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,38(4):397-402.

[6]楊世偉，張志明，潘健全等.鎳基高溫合金滲Al-Si涂層抗高溫氧化性能研究[J].材料熱處理，2007,36(20):59-61.

[7]羅順，劉立斌，陳和興等.低壓等離子噴涂NiCoCrAlYTa涂層微觀結(jié)構(gòu)及抗氧化性能[J].熱加工工藝，2009,38(14):109.

[8]田素貴，盧旭東，王濤，等.NiCrAlY涂層對(duì)單晶鎳基合金高溫氧化行為的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2011,32(11):109-116.

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[10]吳多利，姜肅猛，范其香等.鎳基高溫合金Al-Cr涂層的恒溫氧化行為[J].金屬學(xué)報(bào)，2014,50(10):1170-1178.