1Cr11Ni2W2MoV鋼表面涂層強(qiáng)化技術(shù)淺析

劉風(fēng)坤

（貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550081）

1Cr11Ni2W2MoV鋼又稱961不銹鋼，是前蘇聯(lián)于20世紀(jì)50年代研發(fā)的一種熱強(qiáng)型馬氏體不銹鋼。該鋼種具有較高的蠕變極限、室溫拉伸強(qiáng)度及持久強(qiáng)度，同時(shí)兼具較好的冷熱加工工藝性能和優(yōu)良的抗氧化性能，被廣泛地用于制造服役溫度在600℃以下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片、壓氣機(jī)輪盤、機(jī)匣、螺栓、軸等重要部件。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中零部件的工作環(huán)境極為苛刻，因此使用1Cr11Ni2W2MoV鋼制造相關(guān)零部件時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行表面強(qiáng)化處理來提高零件的表面完整性，增強(qiáng)零件的強(qiáng)度、韌性、耐磨性以及防氧化、腐蝕的性能。

表面涂層強(qiáng)化技術(shù)是指采用一定的工藝或技術(shù)，在材料表面施加一層厚度較薄的涂層，以提高材料的抗氧化、抗腐蝕性能，進(jìn)而增強(qiáng)材料高溫持久強(qiáng)度和疲勞壽命的一種強(qiáng)化方法。1Cr11Ni2W2MoV鋼制航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的環(huán)境中，這種服役環(huán)境下，葉片表面受到夾雜硬顆粒、具有腐蝕性氣體的沖刷，極易被氧化腐蝕，從而在葉片表面產(chǎn)生疲勞裂紋，最終發(fā)生斷裂。采用表面涂層強(qiáng)化技術(shù)為1Cr11Ni2W2MoV鋼制葉片施加相應(yīng)的涂層可以有效提高葉片的高溫抗氧化腐蝕的能力，從而提高葉片的高溫持久強(qiáng)度和疲勞壽命，提升葉片的可靠性和服役時(shí)間，減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本。

1 涂層強(qiáng)化技術(shù)的機(jī)理

1Cr11Ni2W2MoV鋼制航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的表面涂層強(qiáng)化通常是采用一定的工藝在零件表面施加氮化鈦鋁涂層。（Ti，Al）N涂層在高溫下（超過600℃）經(jīng)過若干小時(shí)的氧化后，會(huì)在表面會(huì)形成一層致密、完整的Al2O3氧化膜，該氧化膜是一層保護(hù)膜，可以有效地阻礙氧化反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，保護(hù)內(nèi)層的基體材料。

金屬在高溫氧化環(huán)境中必然會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)：

但不同金屬形成氧化物MxOy的熱力學(xué)穩(wěn)定性不同。熱力學(xué)穩(wěn)定性好的金屬氧化物在氧化氣氛中優(yōu)先氧化，且熱穩(wěn)定性好，不易發(fā)生分解。從Ellingham圖中可以看出Al元素與O元素形成氧化物的熱力學(xué)穩(wěn)定性高于Fe元素與O元素形成氧化物的熱力學(xué)穩(wěn)定性，因此，從熱力學(xué)的角度來看，Al元素和O元素形成的氧化物，可以保護(hù)Fe元素不被氧化。

氧化膜的致密性和完整性是評(píng)價(jià)其抗氧化性的重要標(biāo)志。PBR是評(píng)判氧化膜致密性的有效指標(biāo)。

式中，VOX為氧化物的體積，VM為金屬原子的體積，A為金屬的原子量，dM為金屬的密度，M為氧化物的分子量，n為氧化物中金屬原子數(shù)目，dOX為氧化物的密度。

PBR＜1時(shí)形成的金屬氧化物不能完全將金屬表面覆蓋，起不到抗氧化作用；PBR＞1時(shí)形成的金屬氧化物與基體的體積比太大，氧化膜中會(huì)存在過大的內(nèi)應(yīng)力，氧化膜與基體結(jié)合不牢，容易脫落，起不到抗氧化作用；只有當(dāng)PBR≈1（略大于1）時(shí)才能形成致密的、完整的氧化膜，起到抗氧化作用。α-Al3O2的PBR值為1.28，適合作為保護(hù)性氧化膜。

Al2O3的蒸氣壓較低，容易被環(huán)境中的氣壓超越，受到氧分壓的影響小，不易發(fā)生升華或分解，氧化膜的穩(wěn)定性較好。Al2O3氧化膜的擴(kuò)散系數(shù)也較低，金屬原子及氧原子通過Al2O3氧化膜的難度大，也使進(jìn)一步發(fā)生氧化反應(yīng)變的困難。此外，Al2O3的熔點(diǎn)高達(dá)2040℃。這些特性都使Al2O3氧化膜具備了良好的抗氧化保護(hù)性。

采用電弧離子鍍技術(shù)在1Cr11Ni2W2MoV鋼零件表面沉積的（Ti，Al）N涂層，在高溫時(shí)不僅可以起到抗氧化腐蝕效果，而且與基體的結(jié)合性能良好，服役時(shí)不易開裂、脫落，能有效提高零件服役時(shí)的疲勞壽命和持久強(qiáng)度。

2 涂層強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

從施加（Ti，Al）N涂層和未施加涂層的1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件的高溫拉伸性能、高溫持久性能、疲勞性能實(shí)驗(yàn)來看，施加的（Ti，Al）N涂層對(duì)零件的高溫拉伸性能沒有太大影響，而對(duì)零件的高溫持久性能和疲勞性能均有較大幅度的提升。

采用表面涂層對(duì)1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，涂層具備抗熱腐蝕和高溫氧化性能，其作用是保護(hù)基體合金不被氧化腐蝕，而材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還是由基體來承擔(dān)。因此，施加涂層后材料的拉伸強(qiáng)度基本不受影響。但涂層自身的特性以及涂層與基體的結(jié)合力和相容性成為涂層能否有效實(shí)現(xiàn)抗氧化性能提高疲勞壽命的關(guān)鍵。電弧離子鍍技術(shù)是物理氣相沉積（PVD）的一種，是在基體材料表面沉積涂層的同時(shí)，利用電弧放電釋放出來的荷能離子對(duì)涂層材料進(jìn)行轟擊改性的沉積技術(shù)。該工藝技術(shù)能夠有效改變涂層鍍膜的組織結(jié)構(gòu)，改善涂層性能，提高涂層與基體的結(jié)合力。

對(duì)于施加了涂層的零件在高溫下工作時(shí)，由于涂層和基體合金的熱膨脹系數(shù)有較大的差異，在二者結(jié)合面處會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，造成涂層的開裂和脫落，影響涂層的抗氧化效果。采用電弧離子鍍技術(shù)可以在基體合金表面沉積一層具有梯度功能的涂層，該涂層能夠有效地減少熱應(yīng)力，增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合力。梯度涂層是指涂層材料的組分按照一定規(guī)律呈梯度漸變，從而使涂層的微結(jié)構(gòu)及某些物理特性也按照一定的規(guī)律漸變。比如，最內(nèi)層涂層材料的熱導(dǎo)率接近基體材料的熱導(dǎo)率，之后由內(nèi)層向外層涂層材料的熱導(dǎo)率，按照一定的規(guī)律連續(xù)變化。通過這種方法設(shè)計(jì)涂層可以實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力的合理分布，滿足涂層設(shè)計(jì)功能的目的。

納米材料由于具有大的體積百分?jǐn)?shù)界面和特殊的結(jié)構(gòu)（三叉晶界數(shù)量高），使得其延性大大增強(qiáng)，裂紋的形核和擴(kuò)展速率大大降低。除此之外，納米材料的熱膨脹系數(shù)比普通材料的高出一倍，這使得納米涂層材料比普通涂層材料更接近基體合金的熱導(dǎo)率。這一性質(zhì)也有利于緩解涂層的熱應(yīng)力，增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合力。

近年來，有研究利用電弧離子鍍技術(shù)將梯度功能材料與納米材料的概念結(jié)合起來，制備出了梯度納米（Ti，Al）N涂層，將其沉積在1Cr11Ni2W2MoV鋼的表面。該涂層同時(shí)具備了梯度涂層和納米涂層的優(yōu)點(diǎn)，更好地保護(hù)基體材料，使其免受高溫氧化的侵蝕，提高零件的疲勞壽命。

3 涂層強(qiáng)化技術(shù)的效果

李明升等研究了（Ti，Al）N涂層對(duì)1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)沉積了氮化鈦鋁涂層的1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件，其高溫拉伸強(qiáng)度沒有太大變化，而高溫持久強(qiáng)度與常溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。

首先，涂層的厚度很薄，材料的拉伸強(qiáng)度主要依靠基體來承擔(dān)；其次，從相關(guān)實(shí)驗(yàn)的斷口分析中，發(fā)現(xiàn)涂層中的裂紋也沒有向基體擴(kuò)展的趨勢(shì)。因此，涂層沉積前后，涂層對(duì)1Cr11Ni2W2MoV鋼的高溫拉伸性能基本上沒有影響。

相對(duì)于拉伸強(qiáng)度而言，持久強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度則需要材料在較低的載荷下，服役更長(zhǎng)的時(shí)間，來考察材料的持久性能和疲勞性能。因此，高溫持久強(qiáng)度與常溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度對(duì)材料的表面狀態(tài)有著更高的要求。

在1Cr11Ni2W2MoV鋼表面利用電弧離子鍍技術(shù)沉積的梯度納米（Ti，Al）N涂層，一方面，對(duì)于涂層本身的強(qiáng)度而言，使得高溫工作狀態(tài)下，涂層與基體材料具有非常強(qiáng)的結(jié)合力；納米結(jié)構(gòu)使涂層本身在強(qiáng)度、韌性和塑性上有了很大提高，阻礙了涂層內(nèi)裂紋的形核率和生長(zhǎng)速度。另一方面，涂層具有的納米結(jié)構(gòu)，可以使涂層中的Al選擇性氧化，增大Al2O3的形核速率，生產(chǎn)更加致密的Al2O3膜。與此同時(shí)，涂層在高溫下還會(huì)發(fā)生氮化物的分解和氮元素的擴(kuò)散，使得N2富集于Al2O3的生成的界面處，降低該出的氧分壓，使生成氧化膜的穩(wěn)定性更好，極大地增強(qiáng)了抗氧化效果。

4 結(jié)語

在1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件表面施加具有梯度納米特性的氮化鈦鋁涂層，可以有效地增強(qiáng)基體材料的高溫持久強(qiáng)度和疲勞壽命，是對(duì)1Cr11Ni2W2MoV鋼材料強(qiáng)化的一種有效手段。

涂層材料對(duì)在高溫下服役的基體材料產(chǎn)生強(qiáng)化的機(jī)理在于：涂層材料中鋁等元素在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)生產(chǎn)致密、穩(wěn)定的具有抗氧化性的Al2O3氧化膜，保護(hù)基體材料。

涂層的梯度功能特性，使得涂層的物理特性從內(nèi)層向外層按照一定的規(guī)律梯度漸變，可以大大減少涂層與基體結(jié)合處了熱應(yīng)力，增強(qiáng)兩者的結(jié)合力。

納米結(jié)構(gòu)材料具有的特殊性能，可使涂層的強(qiáng)度、韌性和塑性得以大幅度提高，一方面增強(qiáng)了涂層本身的強(qiáng)度，另一方面還降低了裂紋在涂層中的形核和擴(kuò)展速率。