渦輪導(dǎo)葉化學(xué)氣相沉積滲鋁涂層研究

任建偉，崔啟政，李宏然，崔慧然

(無錫透平葉片有限公司，無錫 214174)

0 引言

先進的航空發(fā)動機為追求高“推重比”，不斷提高了渦輪進口溫度，使得渦輪葉片等熱端部件的工作條件越來越苛刻，在高溫合金葉片表面制備防護涂層是提高其抗高溫氧化和耐腐蝕能力的普遍方法[1]，擴散型鋁化物涂層是一種重要的高溫防護涂層，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(Chemical vapor deposition, CVD)[2]，其中CVD 技術(shù)制備的涂層厚度可控性好、質(zhì)量高、環(huán)境污染小，是一種先進且國際主流的渦輪葉片滲鋁化物涂層的制備方式[3]。CVD 是一種非接觸式涂層制備方法，可對結(jié)構(gòu)精密、形狀復(fù)雜的零部件進行涂層制備，針對空心葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涂層的制備工藝有較高的要求，要保證冷卻通道在涂層處理后尺寸增加較小，不影響葉片內(nèi)腔的冷卻效果[4]，CVD方法就能對這種微小通道進行防護。目前，在鎳基高溫合金鋁化物涂層的研究主要集中在滲鋁層組織和深度的影響因素、Al 元素的擴散機理及其抗氧化性能方面[5-11]，范凱平[1]在Inconel718 材料上開展了CVD 滲鋁反應(yīng)機理的熱力學(xué)、滲鋁設(shè)備及工藝設(shè)計、滲鋁工藝試驗、滲鋁層成分分析及抗高溫氧化性能等四個方面進行研究，結(jié)果表明Al 涂層均勻致密，氧化過程基本符合拋物線氧化規(guī)律，在1100 ℃下有利于形成完整的氧化膜，明顯提升了基體的抗氧化性能。蒙彩思[2]等人分析了溫度和時間對K417 材料上鋁化物涂層形成的影響，結(jié)果表明滲鋁涂層厚度與溫度和時間均呈正相關(guān)，且溫度影響更大。頓易章[4]采用CVD方法在GH4169 材料上進行了單一鋁化物涂層制備并就其高溫性能進行研究，結(jié)果表明，單一鋁化物涂層為雙層結(jié)構(gòu)，起到了較好的抗高溫腐蝕、抗熱沖擊能力。李克[9]對航空發(fā)動機復(fù)雜型腔空心葉片氣相滲鋁工藝和組織結(jié)構(gòu)進行了研究，結(jié)果表明CVD 方法制備的Al 涂層組織良好，性能優(yōu)良，并通過了1000 h 試車考核。張磊[16]采用CVD 方法在空心葉片內(nèi)腔微小冷卻通道內(nèi)制備了鋁化物涂層，結(jié)果顯示內(nèi)腔涂層為雙層結(jié)構(gòu)，均勻完整，可對基體有效保護。已開展的研究顯示目前就滲鋁過程對葉片的本體的尺寸、腔體流量和力學(xué)性能的影響研究較少，本文以某型航空發(fā)動機渦輪導(dǎo)葉為研究對象，采用CVD 方法開展鋁涂層制備，研究鋁涂層的顯微形貌、化學(xué)構(gòu)成以及抗氧化性能，并就其對葉片尺寸、腔體流量和力學(xué)性能產(chǎn)生的影響進行分析，為該鎳基高溫合金的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗

1.1 材料

研究對象為某型航空發(fā)動機渦輪導(dǎo)葉，是機加工尺寸報廢但葉身型面合格的葉片，材料為一種沉淀硬化型等軸鎳基高溫合金，鑄態(tài)使用，其名義化學(xué)成分見表1 所示，該合金由多種金屬元素進行綜合強化，具有較高的高溫強度和良好的鑄造性能，在1000 ℃、100 h 的持久強度可達到150 MPa，1000 h 的持久強度可達94 MPa，但該合金的耐熱腐蝕性能較差，在高溫下長期使用，需要增加保護涂層[12]。

表1 材料化學(xué)成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of material (wt.%)

1.2 工藝方法

采用CVD 設(shè)備制備鋁涂層，設(shè)備構(gòu)造如圖1所示，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)葉片內(nèi)腔鋁涂層制備，無殘余物清理，并且無堵孔風(fēng)險。工藝過程為：室溫裝爐，同爐批力學(xué)性能試棒隨爐，罩上保溫罩，將反應(yīng)罐內(nèi)抽真空，再按比例通入HCl 和氬氣，HCl 會與外部發(fā)生器中的Al 反應(yīng)生成AlClx（含有AlCl3、AlCl 和AlCl2等）氣體，AlClx氣體隨載氣進入反應(yīng)罐內(nèi)，釋放活性沉積元素與基體反應(yīng)形成Al 涂層，反應(yīng)示意圖如圖2 所示，反應(yīng)過程如式(1)～(3)[1]所示，工藝結(jié)束后，繼續(xù)通氬氣冷卻至室溫，出爐后進行顯微組織、尺寸和流量、力學(xué)性能檢測。

圖1 化學(xué)氣相沉積設(shè)備構(gòu)造示意圖Fig.1 Equipment structure diagram of CVD

圖2 氣相AlClx 與Ni 基體反應(yīng)示意圖[1]Fig.2 Diagram of reaction of Gas phase AlClx with Ni

1.3 顯微組織、尺寸和流量、力學(xué)性能、抗氧化性能測試

對葉片流道面、氣膜孔以及內(nèi)腔如圖3 所示進行解剖，采用掃描電子顯微鏡觀察滲鋁涂層顯微形貌及厚度，并使用能譜分析各元素在滲鋁涂層中的含量。該葉片為空腔帶冷卻氣膜孔葉片，如圖4 所示，滲鋁后涂層的增厚效應(yīng)會對導(dǎo)葉的尺寸和腔體內(nèi)流量產(chǎn)生影響，分別進行滲鋁涂層制備前后三坐標(biāo)尺寸檢測和滲鋁前后的空氣、水流量檢測。對經(jīng)歷CVD 滲鋁熱過程的力學(xué)性能試棒和未經(jīng)歷滲鋁熱過程的力學(xué)性能試棒分別按HB5159 和HB5150 進行800 ℃高溫拉伸和975 ℃高溫持久檢測，對比分析滲鋁熱過程對基體材料的力學(xué)性能有無不利影響?？寡趸阅軝z測按照HB 5258-2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法》執(zhí)行，在馬弗爐中進行，溫度1000 ℃，試驗總時間100 h，氧化進行中每隔25 h 對樣品進行稱重。

圖3 渦輪葉片滲鋁涂層檢測示意圖Fig.3 Diagram of turbine guide blade aluminized coating detection position

圖4 葉片型面氣膜孔示意圖Fig.4 Blade air film hole position diagram

2 結(jié)果分析與討論

2.1 外觀及顯微組織分析

經(jīng)過化學(xué)氣相沉積滲鋁工藝后，葉片所有外表面呈均一淺灰色，色澤光亮，無碰劃傷、腐蝕、粘結(jié)物、氧化起皮、凸起或剝落等缺陷。圖5 為滲鋁后涂層的組織結(jié)構(gòu)，圖6 和表2 為滲鋁涂層化學(xué)元素分析，由圖5 可知，涂層為典型的外擴散型鋁化物涂層，內(nèi)外層界限清晰，外層反應(yīng)擴散形成單一的β-NiAl 相，其中Al 含量為28～30 wt.%，主要是Ni 向外擴散與Al 反應(yīng)形成，內(nèi)層為富含高熔點元素析出相的擴散區(qū)，該區(qū)域Ni 元素含量相對較低，Al含量為10～16 wt.%，與γ'-Ni3Al相中的鋁含量相近；對葉身型面一周、內(nèi)外緣板的鋁涂層進行檢測分析，涂層組織致密，形貌規(guī)則，厚度均勻，約為23～35 μm。同時，內(nèi)腔及氣膜孔處鋁涂層形貌與型面基本保持一致，厚度均勻，這是其他工藝方法所不具備的優(yōu)勢[9]。

表2 滲鋁涂層化學(xué)元素分析(wt.%)Table 2 Chemical composition of aluminized coating (wt.%)

圖5 葉片鋁涂層顯微組織照片：(a)下流道面；(b)型面；(c)上流道面；(d)內(nèi)腔；Fig.5 Aluminized coating microstructures: (a) bottom flow area; (b) profile; (c) top flow area; (d) inner cavity；

圖6 能譜檢測位置圖Fig.6 Diagram of EDS detection position

2.2 尺寸分析

一方面，CVD 法滲鋁為升溫-保溫-降溫過程會造成葉片應(yīng)力的改變，從而產(chǎn)生變形，另一方面CVD 法制備的鋁涂層為外擴散型，尤其采用整體滲的情況下，葉片的機加工面會同樣形成滲鋁涂層，產(chǎn)生增厚效應(yīng)，滲鋁層組織的外層與內(nèi)層厚度比約1:1，增厚效應(yīng)約占涂層厚度的50%。對比滲鋁涂層前后葉片尺寸檢測的三坐標(biāo)報告，葉片機加工面的綜合尺寸變化在0.02 mm 以內(nèi)；滲鋁前后導(dǎo)葉喉道尺寸對比結(jié)果顯示，滲鋁涂層對喉道尺寸影響較小，變化量不足0.035%；滲鋁前后的流量檢測結(jié)果對比顯示，涂層的增厚效應(yīng)有限，其對氣體和水流量的影響不大，影響范圍在0.5%以內(nèi)。

2.3 隨爐試棒力學(xué)性能分析

從表3 和表4 的數(shù)據(jù)可以看出，800 ℃的高溫拉伸結(jié)果顯示，與未經(jīng)滲鋁熱過程的試棒相比，滲鋁涂層后的試棒，抗拉強度下降了8 MPa，延伸率和斷面收縮率上升，這是由于滲鋁涂層的高溫?zé)徇^程使合金的γ'強化相聚集粗化，并產(chǎn)生了由M6C 和M23C6碳化物組成的彎曲晶界，從而合金強度下降，塑性提高[13,14]。與未經(jīng)滲鋁熱過程的試棒相比，滲鋁涂層后的試棒在975 ℃的高溫持久強度升高約1.5 h，文獻[15]的研究結(jié)果表明，鎳基高溫合金經(jīng)過CVD 的高溫?zé)徇^程后，晶粒會變大，在較高的使用溫度下，粗晶粒合金晶界數(shù)量和面積相對較少，使得裂紋沿晶界擴展的通道減少，擴展速率低，會有較高的持久強度。所以滲鋁的熱過程對基體材料并無明顯不利影響。

表3 800 ℃高溫拉伸結(jié)果Table 3 Tensile properties at 800 ℃

表4 975 ℃高溫持久結(jié)果Table 4 Stress-rupture properties at 975 ℃

2.4 抗氧化性能分析

如圖7 所示為該涂層在1000 ℃高溫條件下100 h 的靜態(tài)氧化動力學(xué)曲線，符合拋物線演變規(guī)律，即氧化初期增重明顯，隨著氧化時間的延長，試樣的氧化增重速率降低，曲線趨于平緩。文獻[17,18]的研究結(jié)果表明，在高溫氧化過程中，涂層區(qū)內(nèi)的Al 元素向涂層外表面擴散，Al 元素的擴散速率較Ni、Cr、Co 等較快，優(yōu)先與空氣中的O形成致密的Al3O2保護膜，避免形成NiO、Cr3O2等非保護性氧化膜，有效降低了涂層的氧化增重速率，起到了較好的耐高溫防護效果。

圖7 試樣經(jīng)過1000 ℃/100 h 氧化增重的動力學(xué)曲線Fig.7 Kinetics curves of specimen after the isothermal oxidation at 1000℃ for 100h

3 結(jié)論

通過研究某型渦輪導(dǎo)葉滲鋁涂層的厚度、顯微組織形貌、元素含量分布以及抗氧化性能，分析其對葉片尺寸、氣體流量和力學(xué)性能產(chǎn)生的影響，得出以下結(jié)論：

(1) CVD 工藝制備渦輪導(dǎo)葉的鋁涂層外觀良好，流道面、內(nèi)腔和氣膜孔需滲層部位涂層組織致密，形貌規(guī)則，厚度均勻，約為23～35 μm。

(2) 鋁涂層對葉片本體的尺寸影響在0.02 mm以內(nèi)，造成喉道尺寸的縮小值＜0.035%，內(nèi)腔流量的縮小值＜0.5%，涂層的增厚效應(yīng)有限。

(3) 經(jīng)過滲鋁涂層制備熱過程，基體金屬800℃抗拉強度下降了8 MPa，975 ℃持久強度提高了1.5 h，該熱過程對基體材料未產(chǎn)生明顯不利影響，較好地滿足渦輪導(dǎo)葉的使用需求。

(4) 制備的鋁涂層抗氧化性能良好，1000℃/100 h后氧化動力學(xué)曲線符合拋物線演變規(guī)律。