岳陽，趙忠興，張鵬，袁福河，孫金錄

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心，沈陽110043）

可磨耗封嚴(yán)涂層技術(shù)是發(fā)動機(jī)氣路封嚴(yán)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以降低機(jī)匣與葉片之間的間隙，提高發(fā)動機(jī)工作效率，降低油耗。鋁氮化硼涂層是其中常用的一種[1]，該涂層采用常規(guī)等離子噴涂方法制備，制備的涂層中含有潤滑相以及少量的孔隙，以提高涂層與葉片之間的可刮削性能。軍用發(fā)動機(jī)在工作或者停飛狀態(tài)均可能處于腐蝕環(huán)境，若涂層本身的抗腐蝕性差或涂層與基體的電化學(xué)匹配性差，引發(fā)其與周圍環(huán)境介質(zhì)及基體材料相互作用，從而導(dǎo)致化學(xué)或電化學(xué)腐蝕，使涂層的防護(hù)性能減弱甚至造成腐蝕失效[2]。

本文針對熱噴涂鋁氮化硼封嚴(yán)涂層及其對應(yīng)基體的腐蝕行為進(jìn)行研究，分析腐蝕機(jī)理，為該涂層的腐蝕失效提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

基體材料采用GH4169合金，中科院過程所生產(chǎn)的鎳鋁作為噴涂底層材料，北京礦冶研究院生產(chǎn)的鋁氮化硼粉末作為噴涂面層材料。鎳-鋁粉末是以鎳為核心，外表包裹一層鋁的自熔性合金粉末，粉末鎳含量為93%，鋁含量5%。鋁氮化硼粉末Al含量為75%，BN含量為21%，兩種粉末的微觀形貌見圖1，鎳鋁粒度大約為60μm，近球形，鋁氮化硼為不規(guī)則的團(tuán)聚型復(fù)合粉末，粒度在200μm左右。

圖1 封嚴(yán)涂層粉末的表面形貌Fig. 1 The surface morphology of sealing coating powder，（a）nickel aluminum；（b）aluminumboron nitride

1.2 噴涂方法

采用Metco 7M等離子噴涂設(shè)備制備底、面層，具體的噴涂參數(shù)見表1。噴涂前需對試片進(jìn)行表面除油及吹砂前處理，以活化和粗化基材表面，增強涂層的結(jié)合強度。

表1 等離子噴涂的工藝參數(shù)Table 1 The plasma spraying process parameter

1.3 試驗方法

對材料進(jìn)行電化學(xué)腐蝕行為分析以及中性鹽霧腐蝕實驗。

電化學(xué)實驗條件如下：3.5%NaCl溶液，采用分析純NaCl和蒸餾水配置。實驗過程中持續(xù)通空氣，以模擬實際使用時的薄液膜環(huán)境。實驗溫度25±1℃，用恒溫水浴控制。測試系統(tǒng)為CHI750電化學(xué)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集由計算機(jī)控制。電解池采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極體系，樣品為工作電極，鉑片為輔助電極，參比電極是飽和甘汞電極，本測試所提供的電極電位均是相對于此參比電極的電極電位。開路電位法評價腐蝕趨勢，動電位掃描法評價平均腐蝕速度。測試裝置如圖2。

中性鹽霧腐蝕實驗按照GJB150.11-86軍用設(shè)備環(huán)境實驗方法鹽霧試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，設(shè)備型號為HYW-030，采用連續(xù)噴霧模式，噴霧壓力為0.07～0.15MPa。試驗裝置如圖2。利用SEM分析材料腐蝕后形貌，利用X射線衍射儀對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析。

圖2 電化學(xué)測試系統(tǒng)Fig.2 The electrochemical test system

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層組織結(jié)構(gòu)

按照噴涂工藝制備的鎳鋁及鋁氮化硼涂層的組織結(jié)構(gòu)見圖3，可見鋁氮化硼涂層為疏松結(jié)構(gòu)，涂層對腐蝕介質(zhì)的屏蔽作用很差。粘結(jié)層鎳鋁為片層狀結(jié)構(gòu)，片層間有間隙。

NaCl溶液中的氯離子能穿透金屬表面的氧化層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，同時，氯離子含有一定的水合能，易被孔隙、裂縫吸附，排擠并取代氧，把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態(tài)表面變成活潑表面，造成對極壞的不良反應(yīng)[3-4]。從涂層的微觀組織分析，此涂層體系的抗腐蝕性不會太好。

圖3 鋁氮化硼及鎳鋁涂層微觀組織（a）鋁氮化硼（b）鎳鋁Fig.3 Aluminum boron nitride and nickel aluminum coating microstructure(a) aluminum boron nitride (b) nickel aluminum

2.2 涂層體系的腐蝕趨勢

利用電化學(xué)開路電位法測量涂層體系中單獨的基體材料及兩種涂層的腐蝕趨勢，測試結(jié)果見圖4。開路電位即各涂層的自腐蝕電位Ecorr，由E-t圖可知：

圖4 鋁氮化硼、鎳鋁涂層和GH4169基體在3.5%NaCl中的開路電位-時間曲線Fig.4 Aluminum boron nitride, nickel aluminum coating and GH4169 substrate in the 3.5% NaCl in the open circuit potential time curve

結(jié)合涂層組織結(jié)構(gòu)分析，鋁氮化硼涂層的屏蔽性能很差，腐蝕介質(zhì)可以很容易到達(dá)鋁氮化硼/鎳鋁界面處。在整體腐蝕過程中，鋁氮化硼作為陽極，鎳鋁作為陰極，二者耦合到同一腐蝕電位，形成整體的腐蝕電位。

在腐蝕過程中，鋁氮化硼作為陽極優(yōu)先發(fā)生溶解，由于表層鋁氮化硼的電位較粘結(jié)層鎳鋁負(fù)，即使腐蝕介質(zhì)到達(dá)了鋁氮化硼/鎳鋁界面處，粘結(jié)層鎳鋁所受到的腐蝕破壞很小，不會發(fā)生粘結(jié)層破壞。

2.3 涂層體系的平均腐蝕速度

電化學(xué)動電位掃描法測量涂層體系中單獨的基體材料及兩種涂層的腐蝕趨勢，測試結(jié)果見圖5。由極化曲線可見，面層鋁氮化硼有鈍化行為，這可能是由于在極化過程中，涂層純鋁相會發(fā)生鈍化，鈍化膜的擊破點位在-0.75V左右，鈍化膜擊破后，鋁氮化硼陽極繼續(xù)溶解。粘結(jié)層鎳鋁涂層無鈍化行為，表現(xiàn)為陽極溶解。數(shù)據(jù)分析測試結(jié)果見表2。

圖5 GH4169及相關(guān)封嚴(yán)涂層的極化曲線Fig.5 Polarization curves of GH4169 and related seal coating

涂層整體的腐蝕行為是面層鋁氮化硼和粘結(jié)層鎳鋁耦合后的結(jié)果。這是由于鋁氮化硼的屏蔽性能差，腐蝕介質(zhì)很容易到達(dá)鋁氮化硼/鎳鋁界面，此時鋁氮化硼由于其自腐蝕點位低而作為陽極，鎳鋁由于其自腐蝕點位高而作為陰極，二者耦合后形成整體的腐蝕行為，即點偶腐蝕，此時鋁氮化硼優(yōu)先溶解。此外GH4169的耐蝕性能十分優(yōu)異。

表2 GH4169及相關(guān)封嚴(yán)涂層的電化學(xué)參數(shù)Table 2 The electrochemical parameters of GH4169 and associated sealing coating

2.4 中性鹽霧試驗

按照國軍標(biāo)進(jìn)行中性鹽霧實驗，48h后形貌如圖6所示。

圖6 鋁氮化硼腐蝕前后宏觀形貌（a）腐蝕前（b）腐蝕后Fig.6 Before and after the corrosion morphology of aluminium boron nitride(a) before corrosion (b) after corrosion

鋁氮化硼涂層其顏色為灰白色，表面十分粗糙，呈現(xiàn)凹凸不平的狀態(tài)。在鹽霧腐蝕5小時的時候開始出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，表現(xiàn)為涂層表面出現(xiàn)類似凝膠狀物質(zhì)。隨著腐蝕時間的延長，凝膠狀物質(zhì)的析出量增加，干燥后為白色粉末?？赡苁峭繉又性谹l由于鹽霧作用而溶解析出。

圖7為腐蝕后涂層微觀腐蝕形貌。

圖7 鋁氮化硼腐蝕后微觀形貌Fig.7 The corrosion morphology of aluminium nitride boron

整體腐蝕時，表層鋁氮化硼腐蝕，腐蝕后表面也覆蓋有腐蝕產(chǎn)物。鋁氮化硼鹽霧腐蝕前后XRD分析見圖8?？梢缘贸?，腐蝕后鋁氮化硼涂層表面生成了腐蝕產(chǎn)物Al2O3，Al2O3為白色無定形物。

圖8 AlBN涂層鹽霧腐蝕前后XRD分析Fig.8 Analysis of XRD AlBN coatings before and after salt spray corrosion

3 結(jié) 論

本文研究了現(xiàn)役軍用發(fā)動機(jī)使用的可磨耗封嚴(yán)涂層鋁氮化硼的抗腐蝕性能，分析了GH4169基體、鎳鋁底層、鋁氮化硼面層三者配合使用狀態(tài)下的電化學(xué)腐蝕趨勢以及腐蝕速度，開展了中性鹽霧試驗，分析涂層的腐蝕形貌及產(chǎn)物。

（1）電化學(xué)結(jié)果分析，鋁氮化硼作為陽極優(yōu)先發(fā)生溶解，由于表層鋁氮化硼的電位較粘結(jié)層鎳鋁負(fù)，即使腐蝕介質(zhì)到達(dá)了鋁氮化硼/鎳鋁界面處，粘結(jié)層鎳鋁所受到的腐蝕破壞很小，不會發(fā)生粘結(jié)層破壞。鋁氮化硼由于其自腐蝕點位低而作為陽極，鎳鋁由于其自腐蝕點位高而作為陰極，二者耦合后形成整體的腐蝕行為，即點偶腐蝕。

（2）中性鹽霧試驗結(jié)果分析，腐蝕后鋁氮化硼涂層表面十分粗糙，呈現(xiàn)凹凸不平的狀態(tài)，出現(xiàn)類似凝膠狀物質(zhì)。經(jīng)XRD分析產(chǎn)物為白色無定形物Al2O3。