劉德林，牟仁德，陸峰

（北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點實驗室，北京 100095）

NiCrAlY涂層的抗氧化和腐蝕作用，是基于在涂層的表面形成致密的Al2O3或Cr2O3氧化膜，這些氧化膜作為氧的障礙層（屏蔽層）而阻止基體進(jìn)一步氧化或腐蝕[1]。NiCoCrAlYTa涂層是在NiCrAlY的基礎(chǔ)上改性而成，通過添加Co、Ta等元素，提高NiCrAlY涂層的抗氧化和抗熱腐蝕性能。該涂層塑性極好，具有很強的抗氧化性、抗腐蝕性，適用于海洋環(huán)境服役的渦輪機構(gòu)件[2-4]。文中針對海洋環(huán)境服役的某型發(fā)動機渦輪葉片，NiCoCrAlYTa涂層的高溫氧化和燃?xì)鉄岣g行為進(jìn)行研究，以保障葉片的安全可靠應(yīng)用。

1 試驗

1.1 材料

渦輪工作葉片基體材料采用DZ22B高溫合金，其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Cr 8.0%～10.0%，Co 9.0%～11.0%，W 11.5%～12.5%，Al 4.75%～5.25%，Ti 1.75%～2.25%，F(xiàn)e≤0.25%，Nb 0.75%～1.25%，Hf 0.8%～1.1%，B 0.01～0.02%，Ni余量。

由于葉片僅葉身涂覆有 NiCoCrAlYTa涂層，為考察涂層的抗高溫氧化和抗燃?xì)鉄岣g性能，需切除無涂層的部分，僅對葉身進(jìn)行試驗。切后的工作葉片試樣如圖1所示。工作葉片切完后從進(jìn)氣邊至排氣邊四個位置測量高度分別為：38.15、38.12、38.17、38.14 mm，平均值為 38.15 mm。計算出葉身（不含切口端面）面積理論值為1868 mm2。

圖1 工作葉片試樣

1.2 試驗方法與過程

高溫氧化試驗按HB 5258—2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法》規(guī)定進(jìn)行，試驗溫度為1050 ℃。將瓷杯在高溫箱式爐中焙燒至恒重為止，葉片試樣清洗干凈、烘干并置入瓷杯，然后放入DC-B8/11型智能箱式高溫爐中進(jìn)行氧化試驗。試驗總時間為100 h，分為四個周期，每隔25 h取出試樣稱量一次。

燃?xì)鉄岣g試驗采用RFL-1型腐蝕試驗裝置、按HB 7740—2004《燃?xì)鉄岣g試驗方法》規(guī)定進(jìn)行。試驗溫度為950 ℃，燃油種類RP-5號，燃油流量為0.2 L/h，油氣比為1∶45，海水濃度20 mg/L。試驗總時間為100 h，分為100個循環(huán)周期，每個循環(huán)周期加熱55 min，冷卻5 min。每25個周期取出試樣進(jìn)行外觀檢查和質(zhì)量稱量，并記錄。

稱量采用 BSA224S-CW 型電子天平進(jìn)行，精度為0.0001 g。試驗結(jié)束后，沿試樣葉身橫截面截取金相試樣，磨制拋光后采用OLYMPUS PME3型金相顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果及分析

2.1 高溫氧化試驗

經(jīng)100 h高溫氧化試驗后，無涂層試樣由原始的灰色氧化成藍(lán)灰色，氧化皮分散剝落成斑點狀，如圖2a所示。帶涂層試樣由原始的灰色變成灰藍(lán)色，涂層表面未見明顯氧化皮剝落，如圖2b所示。

葉片試樣的氧化試驗數(shù)據(jù)見表1，可見無涂層試樣的平均氧化皮剝落量是帶涂層試樣的10倍左右，且前者的平均氧化速率是后者的近3倍。

100 h氧化試驗后，葉片無涂層試樣表面可見大量氧化皮剝落形成的凹坑，凹坑最大深度為55 μm左右，且可見形成的氧化物，如圖 3a所示。在掃描電鏡下可觀察到大量塊狀氧化物，如圖3b所示。能譜分析結(jié)果表明，氧化物主要為 Al、Cr、W、Ni、Ti的氧化物，如圖 3c所示。帶涂層試樣的涂層基本完好，基體未見氧化特征，涂層表面可見一層致密的氧化膜，如圖 4a所示。能譜分析結(jié)果表明，氧化膜為Al2O3膜，如圖4b所示。

2.2 燃?xì)鉄岣g試驗

經(jīng)100 h燃?xì)鉄岣g試驗后，無涂層試樣葉身表面腐蝕相對較重，如圖5所示。燃?xì)鉄岣g試驗數(shù)據(jù)見表2，無涂層葉片試樣的腐蝕速率是帶涂層試樣的3倍。

100 h燃?xì)鉄岣g試驗后，無涂層試樣葉身表面可見較多腐蝕坑，其最大深度為 35 μm左右，如圖6a所示，在掃描電鏡下可觀察到表面存在一層幾微米厚的腐蝕產(chǎn)物，如圖6b所示。能譜分析表明，腐蝕產(chǎn)物主要為Cr、Ni、Ti、Al的氧化物，如圖6c所示。帶涂層試樣的涂層未見剝落，表面可見一層致密的氧化膜，如圖 7a所示。能譜分析結(jié)果表明，氧化膜為Al2O3膜，如圖7b所示。

圖2 100 h抗氧化試驗后工作葉片試樣外觀

表1 葉片氧化試驗數(shù)據(jù)

表2 葉片燃?xì)鉄岣g試驗數(shù)據(jù)

圖3 100 h抗氧化試驗后無涂層試樣表面形貌及氧化物能譜分析結(jié)果

圖4 100 h抗氧化試驗后涂層表面氧化膜及能譜分析結(jié)果

從上述結(jié)果可以看出，有NiCoCrAlYTa涂層的葉片在高溫氧化和燃?xì)鉄岣g條件下，由于較高的氧分壓和Al元素的選擇性優(yōu)先氧化，使涂層表面迅速形成一層保護(hù)性的、以 Al2O3為主的氧化膜[5-7]。涂層中的 Ta主要是起提高 Al的活度，促進(jìn) Al2O3氧化膜形成，使氧化膜細(xì)膩和致密的作用[8]。涂層中加入微量 Y可以釘扎氧化物提高涂層性能[9-10]。綜合這些因素，涂層在經(jīng)過長時間高溫氧化和燃?xì)鉄岣g后仍能形成完整的 Al2O3膜，從而起到較好的保護(hù)作用。

圖5 100 h燃?xì)鉄岣g試驗后葉片試樣外觀

圖7 100 h燃?xì)鉄岣g試驗后涂層表面的氧化膜及能譜分析結(jié)果

3 結(jié)論

1）DZ22B高溫合金葉片在高溫氧化和燃?xì)鉄岣g條件下分別遭受嚴(yán)重的氧化和腐蝕，帶 NiCoCr-AlYTa涂層的葉片相同條件下試驗后涂層完好。

2）NiCoCrAlYTa涂層在經(jīng)過長時間高溫氧化和燃?xì)鉄岣g后仍能形成完整的Al2O3膜，從而起到較好的保護(hù)作用。Ta、Y等元素對Al2O3氧化膜的形成及質(zhì)量具有促進(jìn)作用。