滲鋁溫度/時間對鎳基高溫合金的滲層形成影響規(guī)律

蒙彩思，火克莉，陳忠，張姚，郝粉利

（貴陽航發(fā)精密鑄造有限公司，貴陽 550014）

飛機發(fā)動機的渦輪是發(fā)動機中最為關(guān)鍵的部件，葉片作為渦輪部分的零部件，其工作環(huán)境十分惡劣，工作溫度最高，容易受到高溫氧化和熱腐蝕[1-2]。高溫合金因其具備優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和抗高溫腐蝕性能而受到廣泛應(yīng)用[3]。隨著渦輪葉片工作溫度的不斷提高，僅靠高溫合金基體本身的性能改進已不能滿足發(fā)動機發(fā)展的需求，需通過防護涂層來解決。高溫合金基體承擔(dān)著葉片的高溫強度，而高溫抗氧化腐蝕則通過在基體上制備防護涂層實現(xiàn)[4-5]。采用防護涂層的零部件既能保持合金基體本身的高溫強度，表面又具有優(yōu)異的高溫抗氧化腐蝕性能[6]。

擴散型的鋁化物防護涂層作為一種重要的高溫防護涂層，在航空發(fā)動機領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。擴散型鋁化物防護涂層主要有四種制備技術(shù)即：粉末包埋法、料漿法、氣相法和化學(xué)氣相沉積（CVD）[7]。在20世紀80—90年代，氣相法制備滲鋁層技術(shù)就已經(jīng)成功應(yīng)用于多種型號的葉片上。采用氣相滲鋁方法制備出的滲鋁層質(zhì)量穩(wěn)定，抗氧化性能優(yōu)異。與傳統(tǒng)的粉末包埋法制備滲鋁層相比，氣相滲鋁方法不僅生產(chǎn)效率高，而且葉片的外觀質(zhì)量較好。雖然氣相滲鋁工藝已屬于較為成熟的工藝，但對于滲鋁層深度的影響因素及Al元素的擴散機理，目前尚缺乏深入和系統(tǒng)的研究[8]。文中研究了不同溫度和時間下，鎳基高溫合金的滲鋁層形成規(guī)律。

1 試驗

1.1 材料

采用鎳基高溫合金K417作為基體材料，其名義成分見表1。實驗采用的是因機加尺寸報廢但不影響葉身型面的廢葉片作為試樣。試樣外表面均經(jīng)過干吹砂除油除污處理，然后進行超聲波清洗后烘干，待用。滲劑采用的是經(jīng)過充分活化的鋁鐵塊，氬氣的純度不低于99.99%。

表1 K417鎳基合金成分 %

1.2 方法

采用RJJ-105型氣相滲鋁設(shè)備在K417合金基體上制備鋁化物涂層。為了研究滲鋁溫度和滲鋁時間對滲鋁層厚度的影響規(guī)律，特開展6組不同溫度和時間的氣相滲鋁方案試驗，具體見表2。

表2 氣相滲鋁實驗

實驗結(jié)束后，每組實驗隨機抽取一件廢葉片，采用光學(xué)顯微鏡測定滲鋁層的厚度，采用掃描電子顯微鏡觀察滲鋁層的截面形貌并通過能譜分析各元素在滲鋁層中的分布。為了保證所測的滲鋁層厚度數(shù)據(jù)的精確性，特在廢葉片葉身的1/3(Ⅰ截面)和2/3處（Ⅱ截面）進行金相解剖分析。此外，在廢葉片的Ⅰ截面和Ⅱ截面的葉盆、葉背處各測3～5處位置，且每個位置各測3～5次，取其平均值作為該位置的滲鋁層厚度值，取各位置處滲鋁層厚度的平均值作為葉盆或葉背的滲層厚度平均值。

2 結(jié)果及分析

2.1 滲鋁層厚度

6組實驗滲鋁層厚度的金相結(jié)果見表 3。由于滲鋁層形成的過程是一個由元素相互擴散的對材料表面進行化學(xué)熱處理的過程[9]，因此滲鋁層厚度的增長由擴散控制。通過對滲鋁層厚度、滲鋁溫度和時間三個參數(shù)進行擬合，得出滲鋁層厚度與滲鋁溫度、時間的變化關(guān)系，具體如圖1所示?？梢钥闯觯S著滲鋁溫度的提高和滲鋁時間的增加，滲鋁層厚度逐漸增大。當(dāng)滲鋁溫度低于980 ℃時，隨著滲鋁溫度的提高和滲鋁時間的增加，厚度的增長不顯著。當(dāng)滲鋁溫度超過980 ℃時，滲鋁層厚度對滲鋁溫度和滲鋁時間的敏感性增加。此外，滲鋁溫度對滲鋁層厚度的影響高于滲鋁時間對滲鋁層厚度的影響。

表3 滲鋁層厚度

圖1 滲層深度隨滲鋁溫度、時間的變化關(guān)系

2.2 滲層顯微組織形貌演變

第1組到第6組實驗的滲鋁層截面形貌如圖2所示。由SEM結(jié)果可以看到，滲鋁層的組織結(jié)構(gòu)是典型的外擴散型鋁化物涂層。通過SEM圖可以觀察到，外擴散型鋁化物涂層明顯地分為內(nèi)外兩層。根據(jù)文獻報道，外層為單一的 β-NiAl相，內(nèi)層為富含析出相的擴散區(qū)[10-11]。對比實驗2、實驗4和實驗5（見圖3）可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，擴散區(qū)加寬，且析出相尺寸增大，滲層內(nèi)孔洞數(shù)量逐漸增多，孔洞尺寸增大且集中在原始基體表面。

2.3 各元素在滲層中的分布

實驗1—實驗6中各元素在滲鋁層組織中的分布情況如圖4所示。由圖4可知，由于Ni元素不斷向外擴散，導(dǎo)致在擴散區(qū)的Ni含量相對降低，相對的擴散區(qū)Co、Cr等元素含量升高，因而在γ′基體上析出很多富 Cr相[12-13]。元素分布的差異證明了鋁化物涂層分為內(nèi)外兩層，外層主要為Ni元素和Al元素組成的β-NiAl相，內(nèi)層為富含Cr析出相的擴散層，基層中不含有Al元素，說明擴散層中的細小析出相對Al元素的擴散起到阻礙作用。溫度較低時，O元素主要集中在滲層的外表面，隨著溫度的提高，O元素也逐漸分布到滲層內(nèi)部。 Co元素在基體和滲層中的含量較接近，不存在明顯的濃度梯度。圖 4a中由于滲鋁溫度較低，Ni向外擴散和Al向內(nèi)擴散不充分，Ni和Al的濃度梯度較大，且原始界面沒有完全消失。圖4b—d的滲層相對比較理想，由于他們的滲鋁溫度比圖4a的高，因而滲層的Al、Ni元素擴散較為充分，出現(xiàn)了濃度平臺。圖4e的Al元素含量尚未出現(xiàn)濃度平臺，這是滲鋁時間不夠充分的緣故。圖4f在990 ℃滲2 h仍沒有出現(xiàn)濃度平臺，主要是因為溫度過高導(dǎo)致 Al元素解吸附作用增強?？傮w而言，溫度低時要選擇較長的擴散時間，溫度高時擴散時間要降低，但是溫度不宜過高，會造成Al元素的解吸附，不利于形成均一的滲層。

圖2 滲層截面形貌

圖3 第2組Ⅰ、第4組Ⅱ和第5組Ⅲ的形貌對比

圖4 各元素在滲層中的分布（紫-Ni, 靛-Co, 藍-Cr,綠-Ti, 黃-Al, 粉-Si,紅-O）

3 結(jié)論

通過研究滲層深度、滲層顯微組織形貌和元素含量分布，分析溫度和時間對鎳基高溫合金滲鋁層的形成影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

1）隨著滲鋁溫度的提高和滲鋁時間的增加，滲鋁層厚度逐漸增大。當(dāng)滲鋁溫度低于980 ℃時，滲鋁層隨溫度和時間的增大，厚度增長不顯著；當(dāng)滲鋁溫度超過980 ℃時，滲鋁層厚度對滲鋁溫度和時間的敏感性增加。

2）滲鋁層組織為典型的外擴散型組織，分為兩層，外層是單一的β-NiAl相，內(nèi)層是含富Cr析出相的擴散層。擴散層的細小析出相對于Al元素的擴散起到阻礙作用。

3）滲鋁溫度越高，滲鋁層組織中形成孔洞的傾向越大。