任建偉，崔啟政，李宏然，崔慧然

(無錫透平葉片有限公司，無錫 214174)

0 引言

先進的航空發(fā)動機為追求高“推重比”，不斷提高了渦輪進口溫度，使得渦輪葉片等熱端部件的工作條件越來越苛刻，在高溫合金葉片表面制備防護涂層是提高其抗高溫氧化和耐腐蝕能力的普遍方法[1]，擴散型鋁化物涂層是一種重要的高溫防護涂層，主要有四種制備技術，即粉末包埋法、料漿法、氣相法和化學氣相沉積(Chemical vapor deposition, CVD)[2]，其中CVD 技術制備的涂層厚度可控性好、質量高、環(huán)境污染小，是一種先進且國際主流的渦輪葉片滲鋁化物涂層的制備方式[3]。CVD 是一種非接觸式涂層制備方法，可對結構精密、形狀復雜的零部件進行涂層制備，針對空心葉片內腔結構復雜，涂層的制備工藝有較高的要求，要保證冷卻通道在涂層處理后尺寸增加較小，不影響葉片內腔的冷卻效果[4]，CVD方法就能對這種微小通道進行防護。目前，在鎳基高溫合金鋁化物涂層的研究主要集中在滲鋁層組織和深度的影響因素、Al 元素的擴散機理及其抗氧化性能方面[5-11]，范凱平[1]在Inconel718 材料上開展了CVD 滲鋁反應機理的熱力學、滲鋁設備及工藝設計、滲鋁工藝試驗、滲鋁層成分分析及抗高溫氧化性能等四個方面進行研究，結果表明Al 涂層均勻致密，氧化過程基本符合拋物線氧化規(guī)律，在1100 ℃下有利于形成完整的氧化膜，明顯提升了基體的抗氧化性能。蒙彩思[2]等人分析了溫度和時間對K417 材料上鋁化物涂層形成的影響，結果表明滲鋁涂層厚度與溫度和時間均呈正相關，且溫度影響更大。頓易章[4]采用CVD方法在GH4169 材料上進行了單一鋁化物涂層制備并就其高溫性能進行研究，結果表明，單一鋁化物涂層為雙層結構，起到了較好的抗高溫腐蝕、抗熱沖擊能力。李克[9]對航空發(fā)動機復雜型腔空心葉片氣相滲鋁工藝和組織結構進行了研究，結果表明CVD 方法制備的Al 涂層組織良好，性能優(yōu)良，并通過了1000 h 試車考核。張磊[16]采用CVD 方法在空心葉片內腔微小冷卻通道內制備了鋁化物涂層，結果顯示內腔涂層為雙層結構，均勻完整，可對基體有效保護。已開展的研究顯示目前就滲鋁過程對葉片的本體的尺寸、腔體流量和力學性能的影響研究較少，本文以某型航空發(fā)動機渦輪導葉為研究對象，采用CVD 方法開展鋁涂層制備，研究鋁涂層的顯微形貌、化學構成以及抗氧化性能，并就其對葉片尺寸、腔體流量和力學性能產生的影響進行分析，為該鎳基高溫合金的工程應用提供指導。

1 試驗

1.1 材料

研究對象為某型航空發(fā)動機渦輪導葉，是機加工尺寸報廢但葉身型面合格的葉片，材料為一種沉淀硬化型等軸鎳基高溫合金，鑄態(tài)使用，其名義化學成分見表1 所示，該合金由多種金屬元素進行綜合強化，具有較高的高溫強度和良好的鑄造性能，在1000 ℃、100 h 的持久強度可達到150 MPa，1000 h 的持久強度可達94 MPa，但該合金的耐熱腐蝕性能較差，在高溫下長期使用，需要增加保護涂層[12]。

表1 材料化學成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of material (wt.%)

1.2 工藝方法

采用CVD 設備制備鋁涂層，設備構造如圖1所示，該設備能夠實現葉片內腔鋁涂層制備，無殘余物清理，并且無堵孔風險。工藝過程為：室溫裝爐，同爐批力學性能試棒隨爐，罩上保溫罩，將反應罐內抽真空，再按比例通入HCl 和氬氣，HCl 會與外部發(fā)生器中的Al 反應生成AlClx（含有AlCl3、AlCl 和AlCl2等）氣體，AlClx氣體隨載氣進入反應罐內，釋放活性沉積元素與基體反應形成Al 涂層，反應示意圖如圖2 所示，反應過程如式(1)～(3)[1]所示，工藝結束后，繼續(xù)通氬氣冷卻至室溫，出爐后進行顯微組織、尺寸和流量、力學性能檢測。

圖1 化學氣相沉積設備構造示意圖Fig.1 Equipment structure diagram of CVD

圖2 氣相AlClx 與Ni 基體反應示意圖[1]Fig.2 Diagram of reaction of Gas phase AlClx with Ni

1.3 顯微組織、尺寸和流量、力學性能、抗氧化性能測試

對葉片流道面、氣膜孔以及內腔如圖3 所示進行解剖，采用掃描電子顯微鏡觀察滲鋁涂層顯微形貌及厚度，并使用能譜分析各元素在滲鋁涂層中的含量。該葉片為空腔帶冷卻氣膜孔葉片，如圖4 所示，滲鋁后涂層的增厚效應會對導葉的尺寸和腔體內流量產生影響，分別進行滲鋁涂層制備前后三坐標尺寸檢測和滲鋁前后的空氣、水流量檢測。對經歷CVD 滲鋁熱過程的力學性能試棒和未經歷滲鋁熱過程的力學性能試棒分別按HB5159 和HB5150 進行800 ℃高溫拉伸和975 ℃高溫持久檢測，對比分析滲鋁熱過程對基體材料的力學性能有無不利影響?？寡趸阅軝z測按照HB 5258-2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法》執(zhí)行，在馬弗爐中進行，溫度1000 ℃，試驗總時間100 h，氧化進行中每隔25 h 對樣品進行稱重。

圖3 渦輪葉片滲鋁涂層檢測示意圖Fig.3 Diagram of turbine guide blade aluminized coating detection position

圖4 葉片型面氣膜孔示意圖Fig.4 Blade air film hole position diagram

2 結果分析與討論

2.1 外觀及顯微組織分析

經過化學氣相沉積滲鋁工藝后，葉片所有外表面呈均一淺灰色，色澤光亮，無碰劃傷、腐蝕、粘結物、氧化起皮、凸起或剝落等缺陷。圖5 為滲鋁后涂層的組織結構，圖6 和表2 為滲鋁涂層化學元素分析，由圖5 可知，涂層為典型的外擴散型鋁化物涂層，內外層界限清晰，外層反應擴散形成單一的β-NiAl 相，其中Al 含量為28～30 wt.%，主要是Ni 向外擴散與Al 反應形成，內層為富含高熔點元素析出相的擴散區(qū)，該區(qū)域Ni 元素含量相對較低，Al含量為10～16 wt.%，與γ'-Ni3Al相中的鋁含量相近；對葉身型面一周、內外緣板的鋁涂層進行檢測分析，涂層組織致密，形貌規(guī)則，厚度均勻，約為23～35 μm。同時，內腔及氣膜孔處鋁涂層形貌與型面基本保持一致，厚度均勻，這是其他工藝方法所不具備的優(yōu)勢[9]。

表2 滲鋁涂層化學元素分析(wt.%)Table 2 Chemical composition of aluminized coating (wt.%)

圖5 葉片鋁涂層顯微組織照片：(a)下流道面；(b)型面；(c)上流道面；(d)內腔；Fig.5 Aluminized coating microstructures: (a) bottom flow area; (b) profile; (c) top flow area; (d) inner cavity；

圖6 能譜檢測位置圖Fig.6 Diagram of EDS detection position

2.2 尺寸分析

一方面，CVD 法滲鋁為升溫-保溫-降溫過程會造成葉片應力的改變，從而產生變形，另一方面CVD 法制備的鋁涂層為外擴散型，尤其采用整體滲的情況下，葉片的機加工面會同樣形成滲鋁涂層，產生增厚效應，滲鋁層組織的外層與內層厚度比約1:1，增厚效應約占涂層厚度的50%。對比滲鋁涂層前后葉片尺寸檢測的三坐標報告，葉片機加工面的綜合尺寸變化在0.02 mm 以內；滲鋁前后導葉喉道尺寸對比結果顯示，滲鋁涂層對喉道尺寸影響較小，變化量不足0.035%；滲鋁前后的流量檢測結果對比顯示，涂層的增厚效應有限，其對氣體和水流量的影響不大，影響范圍在0.5%以內。

2.3 隨爐試棒力學性能分析

從表3 和表4 的數據可以看出，800 ℃的高溫拉伸結果顯示，與未經滲鋁熱過程的試棒相比，滲鋁涂層后的試棒，抗拉強度下降了8 MPa，延伸率和斷面收縮率上升，這是由于滲鋁涂層的高溫熱過程使合金的γ'強化相聚集粗化，并產生了由M6C 和M23C6碳化物組成的彎曲晶界，從而合金強度下降，塑性提高[13,14]。與未經滲鋁熱過程的試棒相比，滲鋁涂層后的試棒在975 ℃的高溫持久強度升高約1.5 h，文獻[15]的研究結果表明，鎳基高溫合金經過CVD 的高溫熱過程后，晶粒會變大，在較高的使用溫度下，粗晶粒合金晶界數量和面積相對較少，使得裂紋沿晶界擴展的通道減少，擴展速率低，會有較高的持久強度。所以滲鋁的熱過程對基體材料并無明顯不利影響。

表3 800 ℃高溫拉伸結果Table 3 Tensile properties at 800 ℃

表4 975 ℃高溫持久結果Table 4 Stress-rupture properties at 975 ℃

2.4 抗氧化性能分析

如圖7 所示為該涂層在1000 ℃高溫條件下100 h 的靜態(tài)氧化動力學曲線，符合拋物線演變規(guī)律，即氧化初期增重明顯，隨著氧化時間的延長，試樣的氧化增重速率降低，曲線趨于平緩。文獻[17,18]的研究結果表明，在高溫氧化過程中，涂層區(qū)內的Al 元素向涂層外表面擴散，Al 元素的擴散速率較Ni、Cr、Co 等較快，優(yōu)先與空氣中的O形成致密的Al3O2保護膜，避免形成NiO、Cr3O2等非保護性氧化膜，有效降低了涂層的氧化增重速率，起到了較好的耐高溫防護效果。

圖7 試樣經過1000 ℃/100 h 氧化增重的動力學曲線Fig.7 Kinetics curves of specimen after the isothermal oxidation at 1000℃ for 100h

3 結論

通過研究某型渦輪導葉滲鋁涂層的厚度、顯微組織形貌、元素含量分布以及抗氧化性能，分析其對葉片尺寸、氣體流量和力學性能產生的影響，得出以下結論：

(1) CVD 工藝制備渦輪導葉的鋁涂層外觀良好，流道面、內腔和氣膜孔需滲層部位涂層組織致密，形貌規(guī)則，厚度均勻，約為23～35 μm。

(2) 鋁涂層對葉片本體的尺寸影響在0.02 mm以內，造成喉道尺寸的縮小值＜0.035%，內腔流量的縮小值＜0.5%，涂層的增厚效應有限。

(3) 經過滲鋁涂層制備熱過程，基體金屬800℃抗拉強度下降了8 MPa，975 ℃持久強度提高了1.5 h，該熱過程對基體材料未產生明顯不利影響，較好地滿足渦輪導葉的使用需求。

(4) 制備的鋁涂層抗氧化性能良好，1000℃/100 h后氧化動力學曲線符合拋物線演變規(guī)律。