GH710合金Al-Si滲層制備及燃氣熱腐蝕性能研究

王亞，趙小全，劉昌標，盧文海，黃凱

1.中國航發(fā)常州蘭翔機械有限責任公司 江蘇常州 213022

2.陸軍裝備部駐上海地區(qū)航空軍事代表室 江蘇常州 213022

1 序言

GH710合金是以Ni-Cr-Co為基的沉淀強化型難變形高溫合金，在900℃以上具有較高的抗拉強度、良好的高溫持久和抗蠕變性能，可在760～950℃使用，是目前實用性變形高溫合金服役溫度和綜合力學性能水平最高的合金之一。該合金在20世紀80年代中期研制而成，應用于整體葉盤結構[1]。在海洋環(huán)境服役過程中，由于工況環(huán)境較為惡劣，故零件表面易產(chǎn)生沿晶溝壑。經(jīng)分析，零件失效在長期高溫服役工況下，近海海洋環(huán)境會促進晶界腐蝕。為延長零件的使用壽命，普遍采用表面改性的方法來提高熱端部件材料的高溫防護性能。采用料漿法制備A1-Si滲層，由于其工藝簡單、價格低廉，因此得到了廣泛應用[2]。

本文以GH710合金為基體，采用料漿滲技術在基體上制備Al-Si滲層，并對該滲層在900℃下的燃氣熱腐蝕行為進行研究。

2 試驗方法

試驗用材料為G H710鎳基高溫合金，其主要化學成分見表1。熱處理狀態(tài)為兩次固溶+兩次時效處理，即一次固溶（1170±10）℃×4h，空冷；二次固溶（1080±10）℃×4h，空冷；一次時效（845±10）℃×24h，空冷；二次時效（760±10）℃×16h，空冷。

表1 GH710合金主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

采用料漿滲技術制備Al-Si滲層，料漿成分由金屬滲劑（Al粉和Si粉）、填充劑（Ni粉）和黏結劑（磷酸鹽、鉻酸鹽）組成。滲層制備工藝：涂料在使用前使用攪拌機搖勻，基體使用130#剛玉砂進行吹砂以活化表面。用噴槍在距離試樣10～20cm處噴涂Al-Si涂料，自然表干，重復2次50～90μm后在烘箱中進行（80±5）℃下烘30min，隨爐升至（340±5）℃后保溫30min的固化工藝。

為保證GH710合金零件性能，依據(jù)GH710合金特點，通常其擴散溫度采用固溶+時效或時效制度進行，選取兩種推薦制度對試樣進行擴散處理，擴散工藝見表2。擴散處理后吹砂去除表面黑色顆粒。滲制和擴散過程都是在高純氬氣氛中進行，防止?jié)B層出現(xiàn)氧化。

表2 擴散工藝

為摸索擴散處理對材料性能的影響，對經(jīng)隨爐處理的性能試樣按HB 5423—1989《航空用GH710合金餅坯鍛件》進行常溫拉伸和高溫持久（980℃/120MPa，30h）試驗。

按照HB 7740—2017《燃氣熱腐蝕試驗方法》對GH710合金基體和滲層進行燃氣熱腐蝕試驗。試驗溫度為900℃，時長100h，航空燃油流量0.2L/h，人造海水流量0.2L/h，油氣比為1:45。燃氣熱腐蝕試驗每組選取5個試樣，每隔25h對試樣進行堿洗稱重，測定腐蝕速率。試驗結束后，使用光學顯微鏡對滲層及合金晶界進行顯微觀察。

3 試驗與分析

3.1 擴散處理對合金力學性能的影響

隨爐擴散的性能試樣按照HB 5423—1989進行力學性能測試，結果見表3。由表3中數(shù)據(jù)可見，兩種擴散工藝制度對合金的力學性能無影響，采用固溶+時效及時效制度擴散的GH710合金力學性能均合格。

表3 擴散處理后GH710合金力學性能

3.2 滲層顯微組織

經(jīng)料漿滲技術處理后，對工藝方案A擴散的試樣進行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)擴散后組織呈柱狀晶結構（見圖1a），滲層深度63.19μm，整體滲層深度40～70μm。局部有漏滲現(xiàn)象（見圖1b），分析原因為涂層噴涂固化后在1080℃擴散處理加熱過程中涂層剝落所致。部分滲層與基體界面過渡區(qū)出現(xiàn)“針狀”組織（見圖1c），疑似為片狀σ相，對性能會造成不良影響。“針狀”組織的出現(xiàn)，與高溫情況下滲層與基體元素濃度差異造成基體元素偏析有關。

圖1 工藝A葉片滲層組織形貌

工藝方案B經(jīng)擴散處理后，葉片滲層較為平整光滑，滲層形貌呈典型滲Al-Si結構（見圖2），滲層厚度20～30μm，呈分層形態(tài)。從圖2可看出，滲層界面由外至內(nèi)依次為表面Al-Si疏松滲層（見圖2中a區(qū)域）、內(nèi)側Al-Si致密滲層（見圖2中b區(qū)域）和Ni-Al互擴散層（見圖2中c區(qū)域）。表面Al-Si疏松滲層，由于元素沉積致使該層以Al元素為主，內(nèi)側Al-Si滲層致密平整，擴散層主要由Ni、Al與基體連接，擴散層起到良好的支撐過渡作用。

圖2 Al-Si滲層截面形貌

3.3 滲層抗熱腐蝕性能分析

由于工藝方案A擴散處理后出現(xiàn)欠滲及“針狀”微觀組織等問題，故該參數(shù)不推薦應用在實際零件生產(chǎn)。經(jīng)分析，出現(xiàn)欠滲問題主要是因為噴涂層經(jīng)340℃固化后，由于采用到溫入爐方式擴散處理，涂層溫升速度過快，使熱膨脹系數(shù)與基體差異較大，導致局部區(qū)域出現(xiàn)剝落。“針狀”組織主要是因1080℃高溫狀態(tài)下滲層與基體元素濃度差異而造成基體元素偏析。

工藝方案B擴散處理的滲層組織致密均勻，建議推薦該參數(shù)應用于實際生產(chǎn)。因此，對工藝方案B擴散處理的滲層開展抗燃氣熱腐蝕性能研究。

GH710合金未經(jīng)熱擴散處理試樣（即兩次固溶+兩次時效處理）和采用工藝方案B擴散處理試樣均經(jīng)過900℃、100h燃氣熱腐蝕試驗后，GH710合金和滲層試樣的燃氣腐蝕速率見表4。由表4可見，經(jīng)Al-Si共滲處理后的GH710合金抗燃氣熱腐蝕性能有所提高，滲層和基體腐蝕速率在同一數(shù)量級。

表4 GH710基體與Al-Si滲層試樣燃氣熱腐蝕速率［g/(m2·h)］

對兩種抗燃氣熱腐蝕試樣進行顯微觀察，試樣腐蝕形貌如圖3所示。GH710合金試樣腐蝕較為嚴重，基體表面形成一層疏松腐蝕層，在含SO3和氧的環(huán)境中，GH710合金發(fā)生熱腐蝕，先是孕育期，隨后加速腐蝕，最后發(fā)生孔腐蝕，腐蝕元素已沿晶界進一步向基體內(nèi)部擴散的趨勢[3]。

圖3 試樣腐蝕形貌

Al-Si滲層試樣保持較為完整，滲層外表面出現(xiàn)較薄的一層腐蝕層，滲層較為平整光滑，未發(fā)現(xiàn)腐蝕坑等缺陷，說明滲層能夠提高GH710合金的抗燃氣熱腐蝕性能。滲層中Si元素有效地提高滲層與基體的結合力，防止?jié)B層剝落。Al-Si滲層在模擬熱腐蝕環(huán)境中，在表面首先形成了致密的Al2O3膜，不僅提高了合金的抗高溫氧化能力，還形成了抗腐蝕能力好的化合物層，阻滯了腐蝕元素向內(nèi)部擴散，防止了合金發(fā)生孔蝕，提高了合金的抗燃氣熱腐蝕能力。

4 結束語

1）經(jīng)845℃×24h/氬冷+760℃×16h/氬冷擴散處理，可使GH710合金得到20～30μm深的均勻滲層。

2）經(jīng)900℃、100h燃氣熱腐蝕試驗，Al-Si滲層可提高GH710合金抗燃氣熱腐蝕性能。