李玉春

(大慶師范學(xué)院)

高溫合金表面滲鈷層的抗腐蝕性研究

李玉春

(大慶師范學(xué)院)

高溫合金有很強(qiáng)的力學(xué)性能和抗斷裂性能，合金涂層的制備能充分發(fā)揮對基體的保護(hù)作用，提高基體受腐蝕和氧化的程度，而不會改變其高溫強(qiáng)度.通過對合金表面滲層的制備，滲層結(jié)構(gòu)的分析，及能譜分析，得到Co原子的特性與Ni接近，形成Ni、Co連續(xù)固溶體，在高溫合金表面生成一薄層NiAl和CoAl相，滲層致密，能保護(hù)基體內(nèi)部，具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性能.

鎳基合金；抗腐蝕性；滲鈷鋁層

0 引言

高溫合金顧名思義有很強(qiáng)的抗高溫氧化性能，同時在實際應(yīng)用和生產(chǎn)中又要求有抗高溫腐蝕性能，以及高溫力學(xué)性能，由于高溫合金這些優(yōu)異的性能，使其在實際應(yīng)用中越來越廣泛.而實際上很難使得這些有益的性能同時存在于同一合金中.當(dāng)提高抗腐蝕與氧化性能時，力學(xué)性能可能會被降低，兩者都想達(dá)到最佳，這時可以在合金表面制備涂層.不僅能使涂層充分發(fā)揮對基體的保護(hù)作用，而且也減少基體受腐蝕和氧化的程度，而基體合金不會改變其高溫強(qiáng)度.在生產(chǎn)實際中為了即降低成本，又能達(dá)到高級材料的功效，可以在合金表面制備滲層[1].

該文在鎳基高溫合金表面制作滲層，滲鈷鋁的制備采用了粉末包埋法，首先將鈷粉末包裹在基體合金表面，1000 ℃保溫，然后在用事先制備好的鋁粉末包埋試樣，通過兩次熱擴(kuò)散得到改性涂層.該試驗分析滲鈷鋁涂層的組織結(jié)構(gòu)、分析滲層相組成及探討滲層的形成機(jī)制.

1 滲鈷鋁層的組織結(jié)構(gòu)

1.1 滲鈷鋁層的截面形貌

圖1 滲鈷6 h，滲鋁5 h的合金的截面形貌

圖1為1000 ℃滲鈷6 h，再1000 ℃滲鋁5 h，970 ℃退火5 h的滲鈷鋁層截面形貌.圖1中清晰地看到基體表面的一層保護(hù)層，滲鈷鋁層與基體有明顯的分界，并且較基體相比結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，滲層與基體界面平直相連，交界面結(jié)合牢固，基體與滲層非常清晰、平整，在滲層中并沒沒有出現(xiàn)大的孔隙和明顯裂紋，滲層的厚度也非常均勻，整個基體表面都被滲層覆蓋.從圖1中還可以看到有明顯的分層，說明深層制備的時間和溫度都較好.

1.2 滲鈷鋁涂層的相組成

圖2為高溫合金1000℃滲鈷6 h后、再1000 ℃滲鋁5 h，970℃保溫5 h后滲層表面的XRD衍射圖譜.從圖2中可以看出，合金表層經(jīng)過高溫滲鈷鋁后，表面相發(fā)生了變化，滲層表面的主要相為NiAl相和CoAl相，除了Al和Ni的化合相外，還增加了CoAl相，也有少量的Al2O3的存在，但是Al2O3的衍射峰較弱.

圖2 滲鈷6 h，滲鋁5 h的K488合金的XRD衍射譜

2 滲鈷鋁涂層的能譜

圖3為合金涂層中的過渡金屬層和擴(kuò)散層對應(yīng)的能譜，是在1000℃滲鈷6 h，在1000℃鋁化5 h，在970℃退火5小時后得到的. 圖3 (b)為滲層過渡層的平均能譜，從能譜圖中可以看出，Ni、Co和Al是組成過渡層的主要元素，極少量的Cr也存在于過渡層中，另外，與基體相比較過渡層中缺少了Ti、Mo、W等元素，能譜分析說明NiAl和CoAl相是過渡層中的主要相.

對擴(kuò)散層(A區(qū))亮色區(qū)域進(jìn)行能譜分析得到圖3 (c)，對圖中灰色區(qū)域的能譜分析得到圖3 (d)，從這兩個能譜中可以看出，與基體中元素含量相比，Ni和Al的含量明顯低很多，這也恰好是形成了Ni在基體中的擴(kuò)散，并且Al在滲透劑中的內(nèi)部擴(kuò)散非常小，因此該區(qū)域被稱為擴(kuò)散層.

3 滲鈷鋁層的形成機(jī)制

通過圖3分析了涂層的相組成，微觀結(jié)構(gòu)和組成，并討論了Ni-Al相互擴(kuò)散的知識[2]，可以得出結(jié)論基體中中的鎳元素歲保溫時間的延長不斷向外擴(kuò)散，逐漸在合金涂層中形成了NiAl相.

圖3 滲鈷6 h、滲鋁5 h合金滲層的EDS分析 (a)滲層的放大圖 (b)滲層外層的放大圖 (c)外層的平均能譜 (d)A區(qū)亮點的能譜 (e)A區(qū)黑色暗點的能譜 (f)A區(qū)灰色暗點的能譜

表1 滲層不同區(qū)域的EDS數(shù)據(jù)分析

圖4為滲層的結(jié)構(gòu)、成分的分析.事實上滲層最外層，Ni對基體通過連續(xù)向外擴(kuò)散產(chǎn)生. 整個涂層的鋁含量的變化既可以看出，由外向內(nèi)含量逐步降低(見表1).富鋁的β(NiAl)相結(jié)構(gòu)特殊，是帶缺陷的體心立方結(jié)構(gòu)，并且有高的鎳空位數(shù)存在于立體角隅位置上，因此鎳遷移成為熱擴(kuò)散中的主要形式[3].

圖4 滲鈷鋁層的微觀組織

這個β(NiAl)相的出現(xiàn)(圖4中2區(qū))，意味著會有新的體積在系統(tǒng)內(nèi)生成；而新體積的生成，會使得外面富鋁層的體積損耗，也會使基底合金體積產(chǎn)生損耗[4].圖4中1區(qū)中富鎳相的出現(xiàn)是最外層富鋁相逐漸轉(zhuǎn)變而來，這就是說在這過程中，有鎳穿過β(NiAl)向外擴(kuò)散，同時也有等量的鋁遷移.在這一過程種生成的β(NiAl)相帶有第二相，這些相大部分來源于原始涂層中的沉淀物，這些相會在熱擴(kuò)散過程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣罜r，Mo固溶體，最終變?yōu)榉€(wěn)定相[5].

相的穩(wěn)定性因素決定相的形成，另考慮結(jié)構(gòu)，通過觀察推斷，圖4中(3區(qū))中相沉淀的次序大體是這樣的：最先沉淀的應(yīng)該是碳化物，這一區(qū)的最外層主要由它構(gòu)成.因此基體由鈦、鉻、鈷和碳反應(yīng)而生得到，碳主要來源于基體的外擴(kuò)散.當(dāng)基板中的碳供給不足時，這些反應(yīng)不能繼續(xù)，并且在β(NiAl)基質(zhì)中形成片狀的σ-Cr-Mo相.

4 結(jié)束語

通過在鎳基高溫合金表面滲鈷鋁，得到基體表面致密的防護(hù)層，防護(hù)層與基體的界面清晰平整，滲層及基體中均無孔隙和裂紋出現(xiàn).防護(hù)層結(jié)構(gòu)可分為三部分：擴(kuò)散層、中間過渡層和滲層；基體表面形成了NiAl相，并且伴有Cr，Mo，Ti等的析出相.基體表面防護(hù)層主要由CoAl相和NiAl相組成.而這種相的結(jié)構(gòu)具有很好的抗腐蝕性能.

[1] 李鐵藩. 金屬高溫氧化和熱腐蝕[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003.270.

[2] 黃乾堯，李漢康等. 高溫合金[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社,2000.

[3] 王旭.真空電弧鍍用陰極靶材的研制 [M]. 長春：長春理工大學(xué)碩士論文,2013.

[4] 蔡玉林，鄭運榮，莫龍生，等. 鋁-硅涂層中Si的分布及作用[J]. 航空學(xué)報，1985,6(3):258-266.

[5] 陸世英. 鎳基及鐵鎳基耐蝕合金[M]. 北京：化工工業(yè)出版社，1989.

(責(zé)任編輯：季春陽)

Study on Corrosion Resistance of High Temperature Alloy Surface Layer

Li Yuchun

(Daqing Normal University)

High temperature alloys have a strong mechanical properties and fracture resistance. The preparation of alloy coating can play to the role of the substrate to improve the matrix by the degree of corrosion and oxidation, without changing its high temperature strength. Through the preparation of the alloy surface layer, the analysis of carburized layer structure and its energy spectrum, the results show that the characteristics of Co atoms are close to those of Ni, and Ni and Co are formed on the surface of the superalloy. Which Ras excellent resistance to hot corrosion.

High temperature alloy； Corrosion resistance； Cobalt coating

2016-06-16

O614.81+2

A

1000-5617(2016)05-0056-04