渦輪葉片NiCoCrAlYTa涂層抗高溫氧化和腐蝕性能測試研究

劉德林，牟仁德，陸峰

（北京航空材料研究院 航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京 100095）

NiCrAlY涂層的抗氧化和腐蝕作用，是基于在涂層的表面形成致密的Al2O3或Cr2O3氧化膜，這些氧化膜作為氧的障礙層（屏蔽層）而阻止基體進一步氧化或腐蝕[1]。NiCoCrAlYTa涂層是在NiCrAlY的基礎(chǔ)上改性而成，通過添加Co、Ta等元素，提高NiCrAlY涂層的抗氧化和抗熱腐蝕性能。該涂層塑性極好，具有很強的抗氧化性、抗腐蝕性，適用于海洋環(huán)境服役的渦輪機構(gòu)件[2-4]。文中針對海洋環(huán)境服役的某型發(fā)動機渦輪葉片，NiCoCrAlYTa涂層的高溫氧化和燃氣熱腐蝕行為進行研究，以保障葉片的安全可靠應(yīng)用。

1 試驗

1.1 材料

渦輪工作葉片基體材料采用DZ22B高溫合金，其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）為：Cr 8.0%～10.0%，Co 9.0%～11.0%，W 11.5%～12.5%，Al 4.75%～5.25%，Ti 1.75%～2.25%，F(xiàn)e≤0.25%，Nb 0.75%～1.25%，Hf 0.8%～1.1%，B 0.01～0.02%，Ni余量。

由于葉片僅葉身涂覆有 NiCoCrAlYTa涂層，為考察涂層的抗高溫氧化和抗燃氣熱腐蝕性能，需切除無涂層的部分，僅對葉身進行試驗。切后的工作葉片試樣如圖1所示。工作葉片切完后從進氣邊至排氣邊四個位置測量高度分別為：38.15、38.12、38.17、38.14 mm，平均值為 38.15 mm。計算出葉身（不含切口端面）面積理論值為1868 mm2。

圖1 工作葉片試樣

1.2 試驗方法與過程

高溫氧化試驗按HB 5258—2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法》規(guī)定進行，試驗溫度為1050 ℃。將瓷杯在高溫箱式爐中焙燒至恒重為止，葉片試樣清洗干凈、烘干并置入瓷杯，然后放入DC-B8/11型智能箱式高溫爐中進行氧化試驗。試驗總時間為100 h，分為四個周期，每隔25 h取出試樣稱量一次。

燃氣熱腐蝕試驗采用RFL-1型腐蝕試驗裝置、按HB 7740—2004《燃氣熱腐蝕試驗方法》規(guī)定進行。試驗溫度為950 ℃，燃油種類RP-5號，燃油流量為0.2 L/h，油氣比為1∶45，海水濃度20 mg/L。試驗總時間為100 h，分為100個循環(huán)周期，每個循環(huán)周期加熱55 min，冷卻5 min。每25個周期取出試樣進行外觀檢查和質(zhì)量稱量，并記錄。

稱量采用 BSA224S-CW 型電子天平進行，精度為0.0001 g。試驗結(jié)束后，沿試樣葉身橫截面截取金相試樣，磨制拋光后采用OLYMPUS PME3型金相顯微鏡進行觀察。

2 結(jié)果及分析

2.1 高溫氧化試驗

經(jīng)100 h高溫氧化試驗后，無涂層試樣由原始的灰色氧化成藍灰色，氧化皮分散剝落成斑點狀，如圖2a所示。帶涂層試樣由原始的灰色變成灰藍色，涂層表面未見明顯氧化皮剝落，如圖2b所示。

葉片試樣的氧化試驗數(shù)據(jù)見表1，可見無涂層試樣的平均氧化皮剝落量是帶涂層試樣的10倍左右，且前者的平均氧化速率是后者的近3倍。

100 h氧化試驗后，葉片無涂層試樣表面可見大量氧化皮剝落形成的凹坑，凹坑最大深度為55 μm左右，且可見形成的氧化物，如圖 3a所示。在掃描電鏡下可觀察到大量塊狀氧化物，如圖3b所示。能譜分析結(jié)果表明，氧化物主要為 Al、Cr、W、Ni、Ti的氧化物，如圖 3c所示。帶涂層試樣的涂層基本完好，基體未見氧化特征，涂層表面可見一層致密的氧化膜，如圖 4a所示。能譜分析結(jié)果表明，氧化膜為Al2O3膜，如圖4b所示。

2.2 燃氣熱腐蝕試驗

經(jīng)100 h燃氣熱腐蝕試驗后，無涂層試樣葉身表面腐蝕相對較重，如圖5所示。燃氣熱腐蝕試驗數(shù)據(jù)見表2，無涂層葉片試樣的腐蝕速率是帶涂層試樣的3倍。

100 h燃氣熱腐蝕試驗后，無涂層試樣葉身表面可見較多腐蝕坑，其最大深度為 35 μm左右，如圖6a所示，在掃描電鏡下可觀察到表面存在一層幾微米厚的腐蝕產(chǎn)物，如圖6b所示。能譜分析表明，腐蝕產(chǎn)物主要為Cr、Ni、Ti、Al的氧化物，如圖6c所示。帶涂層試樣的涂層未見剝落，表面可見一層致密的氧化膜，如圖 7a所示。能譜分析結(jié)果表明，氧化膜為Al2O3膜，如圖7b所示。

圖2 100 h抗氧化試驗后工作葉片試樣外觀

表1 葉片氧化試驗數(shù)據(jù)

表2 葉片燃氣熱腐蝕試驗數(shù)據(jù)

圖3 100 h抗氧化試驗后無涂層試樣表面形貌及氧化物能譜分析結(jié)果

圖4 100 h抗氧化試驗后涂層表面氧化膜及能譜分析結(jié)果

從上述結(jié)果可以看出，有NiCoCrAlYTa涂層的葉片在高溫氧化和燃氣熱腐蝕條件下，由于較高的氧分壓和Al元素的選擇性優(yōu)先氧化，使涂層表面迅速形成一層保護性的、以 Al2O3為主的氧化膜[5-7]。涂層中的 Ta主要是起提高 Al的活度，促進 Al2O3氧化膜形成，使氧化膜細膩和致密的作用[8]。涂層中加入微量 Y可以釘扎氧化物提高涂層性能[9-10]。綜合這些因素，涂層在經(jīng)過長時間高溫氧化和燃氣熱腐蝕后仍能形成完整的 Al2O3膜，從而起到較好的保護作用。

圖5 100 h燃氣熱腐蝕試驗后葉片試樣外觀

圖7 100 h燃氣熱腐蝕試驗后涂層表面的氧化膜及能譜分析結(jié)果

3 結(jié)論

1）DZ22B高溫合金葉片在高溫氧化和燃氣熱腐蝕條件下分別遭受嚴重的氧化和腐蝕，帶 NiCoCr-AlYTa涂層的葉片相同條件下試驗后涂層完好。

2）NiCoCrAlYTa涂層在經(jīng)過長時間高溫氧化和燃氣熱腐蝕后仍能形成完整的Al2O3膜，從而起到較好的保護作用。Ta、Y等元素對Al2O3氧化膜的形成及質(zhì)量具有促進作用。