1180℃處理對(duì)GH3044材料料漿滲鋁層性能的影響研究

田秦冠 江珍艷 羅毅

摘?要：零件要求滲鋁和高溫陶瓷工藝，針對(duì)零件滲鋁與噴涂高溫陶瓷工序安排問題，研究了空氣中1180℃熱處理時(shí)間對(duì)GH3044材料的力學(xué)性能和滲鋁層的影響。結(jié)果表明經(jīng)過40min時(shí)間的保溫，滲鋁層能滿足零件的要求。

關(guān)鍵詞：料漿滲鋁;抗氧化性

滲鋁層是一種高溫抗氧化涂層，它是將粘結(jié)劑、滲劑組成的料漿噴涂到零件表面上，然后在氬氣保護(hù)條件下進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散處理而獲得。零件通過滲鋁在表面形成鋁含量較高的鎳鋁化合物，在使用過程中表面形成致密的氧化鋁層，阻止外部的氧向基體擴(kuò)散。高溫陶瓷涂層是采用高溫?zé)Y(jié)工藝在金屬零件表面涂覆一層對(duì)基體起抗高溫氧化、燒蝕的陶瓷涂層。

如果工藝路線安排為“滲鋁-高溫陶瓷”，由于滲鋁層最高使用溫度不超過1050℃，而高溫陶瓷的燒結(jié)固化溫度為1180℃，遠(yuǎn)高于滲鋁層的使用溫度，相關(guān)文獻(xiàn)資料中也沒有經(jīng)過1180℃處理后滲鋁層性能的報(bào)道。于是我們開展研究了1180℃對(duì)滲鋁層抗氧化等性能的影響。

1?工藝試驗(yàn)

1.1?試驗(yàn)過程

噴涂高溫陶瓷需在空氣中固化燒結(jié)兩次，每次1180℃保溫（3～7）min。因此先對(duì)試樣進(jìn)行滲鋁，然后對(duì)滲鋁試樣分組，1#試樣不進(jìn)行熱處理;2#試樣1180℃保溫20min;3#試樣1180℃保溫40min;4#試樣1180℃保溫60min。

分析零件的使用要求，該零件使用溫度為700℃～800℃，應(yīng)驗(yàn)證滲鋁層經(jīng)1180℃處理抗氧化性的影響。因此確定試驗(yàn)的檢測(cè)項(xiàng)目為滲鋁層深度、鋁含量及抗氧化性。抗氧化性能按HB5258-2000檢測(cè)，試驗(yàn)溫度800℃，時(shí)間為200h。

1.2?試樣制備

試樣材料GH3044，試樣規(guī)格30×20×2mm，表面粗糙度Ra0.63μm。試樣準(zhǔn)備完成后先對(duì)試樣進(jìn)行滲鋁，然后進(jìn)行1180℃熱處理。

2?試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1?滲鋁層金相檢測(cè)

滲鋁層深度檢測(cè)1～4#式樣依次為0.053mm、0.055 mm 、0.056 mm、 0.059mm，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，經(jīng)1180℃熱處理后滲鋁層深度加深，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)滲鋁層深度加深。

2.2?滲鋁層鋁含量檢測(cè)

滲鋁層的電子顯微鏡圖片見圖1，每組試樣均可清晰見到鋁層由內(nèi)、外兩層組成。表1為滲鋁層鋁鎳比含量檢測(cè)結(jié)果，滲鋁層由外到內(nèi)鋁含量呈減少的趨勢(shì)。隨著滲鋁層在1180℃高溫保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，1#、2#試樣的滲鋁層鋁含量基本無變化，3#試樣的滲鋁層鋁含量與1#試樣比略有減少;4#試樣的滲鋁層含量與1#試樣比明顯降低。

由鎳-鋁合金相圖可知，隨著鋁原子含量的升高，會(huì)形成4種化合物相，分別是γ'- Ni3Al相、β-NiAl相、δ-Ni2Al3相以及NiAl3相。滲層中較為常見的也就是γ'- Ni3Al相、β-NiAl相。從表1的鋁含量分析推測(cè)，在滲鋁后不進(jìn)行燒結(jié)處理或者滲鋁后1180℃保溫20min的較短時(shí)間，滲鋁層表層就是以β-NiAl相的形式存在。但是隨著高溫下保溫時(shí)間延長(zhǎng)至40分鐘，滲鋁層鋁略微含量降低，尤其是在1180℃保溫60min，滲鋁層試樣有些已經(jīng)是以γ'- Ni₃Al相的形式存在了。

2.3?滲鋁層抗氧化性能

抗氧化性試樣檢測(cè)結(jié)果1～4#平均氧化速度依次為0.0025 g/（m²·h）、0.008 g/（m²·h）、0.0027 g/（m²·h）、0.0028 g/（m²·h），均為完全抗氧化級(jí)，4組試樣的試樣表面狀態(tài)良好，瓷舟內(nèi)僅有少量剝落物。因此在滲鋁層經(jīng)1180℃保溫60min處理，在800℃的抗氧化性能仍為完全抗氧化級(jí)，也能符合零件工況要求。

3?分析與討論

通過對(duì)工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：

3.1?滲鋁層經(jīng)1180℃熱處理后，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)滲鋁層深度加深，而滲鋁層的硬度沒有明顯的變化，

3.2?滲鋁層經(jīng)過1180℃保溫40min處理表層仍為富鋁相，而經(jīng)過1180℃保溫60min處理表層不再是富鋁相，

3.3?滲鋁層經(jīng)過1180℃保溫60min處理在800℃檢測(cè)抗氧化性，仍為完全抗氧 化級(jí)。

3.4?噴涂W-2高溫陶瓷在1180℃保溫的最長(zhǎng)時(shí)間為14min，生產(chǎn)時(shí)若W-2高溫陶瓷需返修1次，則在1180℃保溫的最長(zhǎng)時(shí)間為28min。結(jié)合該零件的工況，該零件在使用時(shí)要求滲鋁層的抗氧化性能。因此有試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明針對(duì)該零件滲鋁層在經(jīng)過高溫陶瓷固化處理后，能夠滿足零件的使用要求，該零件工序安排可為“滲鋁-高溫陶瓷”。

參考文獻(xiàn)：

[1] 航空制造手冊(cè)熱處理分冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1993.

[2] 張冀翔，徐修炎，宋健斐.鋼的滲鋁工藝技術(shù)及性能研究進(jìn)展[J].表面技術(shù)，2018（02）.