錸鎳合金渦輪葉片的等離子耐熱涂層

郭亞麗

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司 數(shù)據(jù)中心，遼寧 沈陽 110043）

目前，含錸的高溫鑄造鎳合金是制造各類燃?xì)廨啓C工作葉片最有前景的結(jié)構(gòu)材料。葉片使用過程中為了降低耐熱合金表面的氧化速度并保證合金工作葉片葉身承力截面有足夠的面積，長久以來一直采用各種類型的滲鋁防護層。但是，根據(jù)國外的經(jīng)驗，在高溫作用下耐熱涂層元素的構(gòu)成導(dǎo)致了鋁涂層下含Re成分超過3-5%的合金表層中出現(xiàn)次反應(yīng)區(qū)。而次反應(yīng)區(qū)厚度有限的等離子高溫鋁涂層是否能用于含錸高溫合金渦輪工作葉片則是本文研究的重點。

一、研究用的方法

按照ГOCT6130-71進(jìn)行等離子涂層的特性研究。 真空退火后和空氣中高溫試驗后在光學(xué)顯微鏡下分析涂層的微觀結(jié)構(gòu)，并用JCMA-733分析涂層的元素組成，用有單能銅射線的X光衍射儀分析復(fù)合隔離層的相構(gòu)成。當(dāng)圖像的對比度可以確定時即可在“COMPO”狀態(tài)下用光譜分析儀分析涂層的組織。此時，原子質(zhì)量的平均值越大則研究的相位微觀結(jié)構(gòu)圖片就越亮。1000℃下500小時內(nèi)，在ZST2/3-BNЭT設(shè)備上確定高溫合金持久強度特性，并研究樣件在空氣中氧化且質(zhì)量發(fā)生變化后涂層的耐熱性。

二、研究和討論的結(jié)果

含錸高溫合金耐熱涂層的初選要根據(jù)等溫耐熱性實驗的結(jié)果來進(jìn)行。用金相分析法評價試驗后次級反應(yīng)區(qū)的擴散狀況和涂層的狀態(tài)。

如果合金與涂層邊界處的次反應(yīng)區(qū)厚度小，則存在或?qū)嵭牡幕驍嗬m(xù)的鏈條，外觀類似碳化物。耐熱試驗后研究涂層和次反應(yīng)區(qū)的平均成份，以及磨片上不同相位的元素組成。因為顯示相中錸的含量很高，可以推測出涂層中有錸基固體溶液顆粒。涂層下還析出了形狀和成份都很均勻的ТПУ相，但是鉻的含量非常高。在涂層和次級反應(yīng)區(qū)由于初始反應(yīng)區(qū)的不同以及少量的圓形ТПУ相雜質(zhì)而分得非常清。高溫下長期氧化后有不同耐熱合金普遍特性的鋁涂層擴散反應(yīng)區(qū)內(nèi)有雜質(zhì)。鋁涂層與機體的擴散作用所產(chǎn)生的這些雜質(zhì)是高溫長時間氧化后各類高溫合金的典型特征。涂層下擴散作用區(qū)的顯微組織是含錸高溫合金的典型特征，既次反應(yīng)區(qū)存在個別“舌”狀物，從表面向100μm處或更深處延伸。研究表明該涂層在1100℃氧化500小時后次反應(yīng)區(qū)發(fā)展最慢。盡管在寬度小于100μm的涂層下在膜片區(qū)ТПУ相的析出不同，但是應(yīng)該指出的是只有在（H1+C2H2）+H1+A涂層下沒發(fā)現(xiàn)有含錸超過50%的相。

綜上，在分析過的合金中次反應(yīng)區(qū)中厚度最小是帶（Me+C2H2）型等離子隔離層的涂層。因為以Me-Cr-Al-Y系合金為基礎(chǔ)的多成分鎳合金隔離以前從來沒有分析過。只對它們的特性做了一些研究。這些涂層是等離子過程不同工藝參數(shù)的ЖС36樣件，類似于耐熱復(fù)合隔離層。

沉積后在1000℃下做4小時熱處理。

在隨后的真空熱處理或底板電勢增加過程中，涂層也隨之被加熱，（Y+Y’）相的均勻性和順序性增加，并且圖表上出現(xiàn)與碳化物和氮化物相對應(yīng)的峰值。應(yīng)該指出的是在零電勢并有乙炔和氮時得到的涂層的顯微硬度比同樣的材料在真空中得到的顯微硬度高1.5-2倍。這也證明此時涂層中存在硬度較大的金屬化合物顆粒。但是由于這些顆粒分散程度大，用相分析法很難發(fā)現(xiàn)它們。因此工作中使用的隔離層是高溫金屬陰模和非金屬夾渣構(gòu)成的復(fù)合材料。

為了分析次反映區(qū)的形成特點還對涂層與含鉻和鉭氧化物復(fù)合隔離層（厚10μm）擴散作用進(jìn)行了研究，以及對ЖС36合金在1150℃空中氧化50小時后的涂層（厚50μm）進(jìn)行了研究。經(jīng)過一段時間的高溫后涂層下形成的次反映區(qū)比在ЖС47合金上涂的ЖС36 H1+A涂層下的次反映區(qū)形成速度更快。實際上同樣材料的帶有隔離層的ЖС36合金涂層完全沒有次反映區(qū)。這就證明了次反映區(qū)的形成與在鑄造結(jié)晶枝狀組織和鑄件結(jié)晶形成過程中耐熱合金成分中金屬錸的析出有關(guān)。因為在ЖС36合金的噴涂狀態(tài)中有尺寸為幾微米的晶粒，它們可以保證涂層元素的高度均一性。擴散區(qū)域結(jié)構(gòu)的微小變化在含有鉭氧化物的隔離層涂層下也同樣發(fā)生。高溫實驗的結(jié)果顯示，為了抑制次反映區(qū)的形成可以采用與被保護層同樣材料的耐熱合金中間等離子層，還可以使用專用合金復(fù)合隔離層，該合金采用了比鉻的碳化物更穩(wěn)定的碳化物元素?？梢?，隔離層的選擇應(yīng)該按照渦輪葉片的使用條件來確定，特別是燃?xì)廨啓C的規(guī)定工作壽命，葉身表面的溫度，熱交換的強度等等。

研究了帶（H1+C2H2）+H1+A涂層的耐熱合金樣件的耐熱程度并確定了其壽命。顯然，在結(jié)構(gòu)中加入阻礙次反映區(qū)發(fā)展的復(fù)合隔離層即等離子涂層提高了ЖС32批產(chǎn)合金樣件的壽命，但并沒降低ЖС36和ЖС47在1000℃時所保證的持久強度特性。此時涂層的耐熱性不低于冷凝-擴散涂層的耐熱性。

應(yīng)該指出的是，在研究與帶（H1+C2H2）+H1+A涂層的ЖС47合金成份相近的合金抗疲勞性時，該特性并沒有表現(xiàn)出降低。

結(jié)語

（1）在含錸的耐熱合金上采用涂耐熱等離子涂層，碳化鉻基隔離層或含碳化鉻的復(fù)合金屬層能降低次反應(yīng)區(qū)的形成速度并限定其厚度，這樣在保留了合金的持久強度特性的同時提高了耐熱性。

（2）為了避免含錸耐熱合金鋁涂層上次反應(yīng)區(qū)的形成，可采用內(nèi)部冷凝隔離層，成分等同于有保護作用的鎳合金。

（3）為了保護含錸的耐熱合金渦輪工作葉片防止其氧化可以采用附加了隔離層的批產(chǎn)冷凝-擴散等離子涂層。該隔離層是在有乙炔保護的情況下涂Me-Cr-Al-Y系合金內(nèi)涂層時形成的。

[1]唐慶菊.耐熱合金涂層結(jié)構(gòu)板材內(nèi)部缺失的脈沖紅外熱成像檢測[J].紅外激光工程 ，2013（07）.

[2]張家雄.采用感應(yīng)加熱模擬航空發(fā)動機帶陶瓷涂層葉片的受熱狀態(tài)[J].熱處理，2014（03）.