蔡妍，李建平，湯智慧，牟仁德

（1. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

DZ125 合金是我國(guó)目前性能水平最髙的定向凝固鎳基鑄造高溫合金之一，具有良好的中、高溫綜合性能及優(yōu)異的熱疲勞性能，適合于制作在1000 ℃以下工作的燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子葉片和1050 ℃以下工作的導(dǎo)向葉片，以及其他高溫零件[1]。隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪技術(shù)的不斷發(fā)展，要求渦輪部件材料能夠在更高的溫度下工作，為了使 DZ125合金用于渦輪葉片具有更好的綜合性能，采用高性能防護(hù)涂層是合金在惡劣環(huán)境下工作安全可靠的保證[2-4]。

目前常用的涂層是采用真空電弧鍍技術(shù)制備的第三代高溫防護(hù)涂層-包覆型涂層。包覆型涂層對(duì)于保護(hù)渦輪葉片材料，提高合金的抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能起著非常重要的作用[2-6]。在涂層加工、運(yùn)輸和使用中，由于涂層的局部或全部可能受到不同程度的損傷和破壞，導(dǎo)致涂層失效[5]。另外，在運(yùn)行過(guò)程中，葉尖經(jīng)常與渦輪外環(huán)摩擦，導(dǎo)致葉片尖部涂層磨損、腐蝕或者出現(xiàn)微小裂紋[8]。再者葉片在壽命期間經(jīng)過(guò) 2～3次修理，涂層相應(yīng)需要進(jìn)行修復(fù)[8]。由于高溫合金和葉片加工費(fèi)用昂貴，通過(guò)局部或者修復(fù)涂層，可延長(zhǎng)葉片使用壽命[7]，因此，涂層的修復(fù)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，顯得至關(guān)重要[7-10]。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展對(duì)于包覆型涂層 HY3去除及再涂覆的研究，但是內(nèi)容集中于涂層的去除方法以及再涂覆后的性能宏觀表征[7-10]，而如何保證完全去除 HY3涂層且對(duì)DZ125合金沒(méi)有影響的技術(shù)尚需進(jìn)一步研究。

文中采用真空電弧鍍方法在 DZ125合金上涂覆包覆型涂層 HY3（NiCrAlYSi），采用化學(xué)法退除HY3涂層，研究涂層的退除對(duì)DZ125合金以及HY3涂層的影響。該研究對(duì)于在役葉片（合金為DZ125）包覆型涂層HY3的修復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)

1.1 涂層制備

采用 DZ125定向凝固鎳基高溫合金作為基體材料，其名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Cr 9.4%、Al 5.4%、Co 10.5%、W 7.5%、Mo 2.5%、Hf 1.8%、Ti 1.2%、Ni余量，試樣尺寸為30 mm×10 mm×1.5 mm。采用真空電弧鍍?cè)O(shè)備在合金試樣上涂覆 20～30 μm 的HY3涂層，然后進(jìn)行870 ℃/3 h真空擴(kuò)散處理。

1.2 涂層退除

1）分別配置1#和2#退除溶液，攪拌均勻，待溶液中固體成分完全溶解后放置24 h。退除前對(duì)試樣進(jìn)行濕吹砂處理，最大壓力為0.3 MPa，清洗、干燥后將DZ125合金試樣和帶HY3涂層試樣放入退除溶液中進(jìn)行涂層退除處理。

2）在退除過(guò)程中，每20 min取出合金/涂層試樣進(jìn)行觀察外觀、稱(chēng)量分析，直至100 min。為了對(duì)比，有兩組試樣（合金、涂層）采用蠟封試樣的 1/2，放在退除溶液一直進(jìn)行退除。

3）退除溶液由無(wú)色完全變成墨綠色甚至黑色時(shí)，應(yīng)該重新配置溶液。退除涂層和合金的試樣以表面微顯晶為限度，防止出現(xiàn)過(guò)腐蝕的現(xiàn)象[9]。

4）退除后采用熱著色法檢驗(yàn)涂層是否退除完全。將退除后的試樣在565～595 ℃下加熱1 h，出現(xiàn)藍(lán)色代表涂層退除完成，土黃色或者金黃色代表有涂層殘留，然后視情將試樣再次放入退除溶液中繼續(xù)進(jìn)行涂層退除。具體的方法流程為[7,9-10]：沉積涂層→吹砂→涂蠟→化學(xué)溶液退除→拭凈→稱(chēng)量→金相。

1.3 性能測(cè)試及組織觀察

采用數(shù)碼照相機(jī)拍攝試樣退除前后的表面狀態(tài)進(jìn)行外觀對(duì)比分析[9]。采用電子分析天平（精度為0.1 mg）BS110S稱(chēng)量計(jì)算退除過(guò)程中試樣的質(zhì)量變化，從而計(jì)算退除速率[9]。采用掃描電子顯微鏡（SEM,FEI-Quanta 600）分別觀察合金、涂層的表面及橫截面顯微形貌，同時(shí)借助能譜儀（EDS, Oxford INCAx-sight 6427）檢測(cè)相關(guān)區(qū)域的涂層成分[11]。

2 結(jié)果和討論

2.1 涂層的退除溶液

表1為退除DZ125合金上沉積態(tài)HY3涂層的化學(xué)溶液。1#溶液為強(qiáng)酸性退除溶液，2#溶液為添加酸性鹽的強(qiáng)酸性退除溶液。

表1 HY3涂層退除溶液

選擇退除溶液的原則是退除溶液能夠退除涂層，并且不損傷合金基體，即合金與涂層的腐蝕速率相差很大。1#溶液中針對(duì)涂層鋁含量比合金高（涂層中的Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～12%，合金為5%～6%）的特點(diǎn)，在合適的溫度和溶液濃度下，控制退除溶液的反應(yīng)活度，從而使得在100 min內(nèi)，溶液優(yōu)先與涂層中的保護(hù)性涂層元素Al、Cr反應(yīng)[12]。結(jié)合合金、涂層退除后外觀、質(zhì)量變化以及退除后的截面微觀分析，1#退除溶液需要大于100 min才能退除涂層。從退除速率比值來(lái)看，1#溶液在退除涂層的同時(shí)，對(duì)合金基本無(wú)損傷，因而1#退除溶液更加適合退除涂層。

2.2 涂層退除后形貌

2.2.1 表面形貌

DZ125合金、DZ125+HY3涂層在1#和2#溶液中反應(yīng)后的外觀如圖1a—d所示，反應(yīng)時(shí)間分別為20、40、60、80 min。圖1e是DZ125合金、DZ125+HY3涂層、DZ125合金（保護(hù)1/2）、DZ125+HY3涂層（保護(hù)1/2）在兩種溶液中反應(yīng)100 min后的外觀。從外觀來(lái)看，DZ125合金在溶液中反應(yīng)100 min后，表面無(wú)明顯侵蝕痕跡。DZ125+HY3涂層試樣在溶液中反應(yīng)100 min后，試樣表面呈現(xiàn)均勻灰黑色，無(wú)明顯腐蝕痕跡。從圖5可見(jiàn)，帶涂層的試樣，被保護(hù)的區(qū)域，涂層依然存在；未經(jīng)保護(hù)的區(qū)域，涂層已經(jīng)被完全去除。合金試樣，保護(hù)和沒(méi)有保護(hù)的區(qū)域外觀基本一致，沒(méi)有明顯差異。

2.2.2 截面形貌

DZ125+HY3涂層試樣被保護(hù)區(qū)域在2#溶液中退除100 min后的截面顯微形貌如圖2所示?？梢钥闯?，反應(yīng)100 min后，由于保護(hù)劑的作用，涂層沒(méi)有被退除溶液侵蝕，涂層與基體界面完整，涂層表面均勻平整，能譜分析如圖3所示。涂層成分依然為NiCrAlYSi（Ni-21.11Cr-8.72Al-Y-0.77Si-2Co），涂層厚度為 22 μm左右。

DZ125+HY3涂層試樣未被保護(hù)區(qū)域在2#溶液中退除100 min后的截面顯微形貌如圖4所示。從圖4可見(jiàn)，在溶液2中反應(yīng)100 min后，涂層完全被退除，涂層與基體界面完整，合金表面均勻平整。能譜分析如圖 5所示，合金成分依然為 DZ125的主要成分（9.99Co-8.91Cr-5.0Al-2.22Mo-3.61Ta-8.47W-3.71C-0.94Ti-Ni余量）。

DZ125+HY3涂層試樣保護(hù)、未保護(hù)的分界點(diǎn)在1#溶液中退除100 min后的截面形貌如圖6所示。從圖10可見(jiàn)，剩余的涂層為22 μm左右，證明保護(hù)劑能夠有效保護(hù)涂層不被退除溶液侵蝕。左邊的區(qū)域可見(jiàn)涂層已經(jīng)完全退除，表明溶液能夠在100 min有效全部退除22 μm左右的涂層。

DZ125+HY3涂層試樣被保護(hù)區(qū)域在1#溶液中退除100 min后的截面顯微形貌如圖7所示。從圖7可見(jiàn)，在反應(yīng)100 min后，由于保護(hù)劑的作用，涂層沒(méi)有被退除溶液侵蝕，涂層與基體界面完整，涂層表面均勻平整。

DZ125+HY3涂層試樣未被保護(hù)區(qū)域在1#溶液中退除100 min后的截面顯微形貌如圖8所示。從圖8可見(jiàn)，在反應(yīng)100 min后，涂層還有部分未退除，需要延長(zhǎng)退除時(shí)間方能全部退除涂層。

2.2.3 涂層退除速率

DZ125合金、DZ125+HY3涂層在兩種溶液中反應(yīng)的退除速率如圖9所示。

從圖9可見(jiàn)，涂層試樣在2#溶液中反應(yīng)很快，反應(yīng)20 min就減輕了15.746 mg/cm2。隨后趨于平緩，在 40、60、80、100 min，質(zhì)量減輕分別為 15.79、15.86、15.91、15.99 mg/cm2。涂層試樣在1#溶液中反應(yīng)比較平和，呈現(xiàn)拋物線上揚(yáng)趨勢(shì)，反應(yīng)從20～40 min，質(zhì)量減輕分別為7.823 mg/cm2和 12.80 mg/cm2，在隨后的60、80、100 min，減輕速率開(kāi)始趨于平穩(wěn)，分別為 15.01、15.75、15.83 mg/cm2。

3 結(jié)論

1）兩種溶液均能完全退除涂層。采用2#溶液在100 min內(nèi)可以將20 mm的HY3涂層完全退除；1#溶液需要超過(guò)100 min才能完全退除涂層。

2）溶液對(duì)合金的腐蝕性很小，對(duì)于同一種合金而言，1#溶液和2#溶液對(duì)其的腐蝕速率比值為1∶13。

3）1#溶液更適合于退除涂層。在 1#溶液中，合金與涂層腐蝕速率的比值是1∶87.65；在2#溶液中，合金與涂層腐蝕速率的比值為1∶6.81。