镍基高温合金表面中性盐浴铝铬共渗及其性能研究

发布时间：2020-06-20 10:11

【摘要】：作为“十三五”提出的“两机”重大专项之一的航空发动机发展技术已深入到零部件性能提升上了,而零部件性能和材料密切相关,以镍基高温合金为代表的航空材料长期工作在高温和腐蚀的环境中,而仅靠自身性能已无法满足使用要求,因而亟需改善其高温性能。在材料表面制备高温防护涂层是解决这一问题的有效途径,其中扩散渗铝是用的较多的提高合金抗高温氧化性的方法,而铬改性的铝化物涂层既可以提高合金的抗高温氧化性又能提高抗高温热腐蚀性,具有很高的使用价值。中性盐浴流动性好、残盐少,但该法在高温合金上使用极少,因此本文创新性的采用中性盐浴法在镍基高温合金GH625表面进行了扩散渗铝层和铝铬共渗层的制备,并运用正交法优化了渗剂配方和工艺。还研究了稀土La_2O_3改性的上述两种渗层,对每种渗层进行各项性能测试与分析。(1)综合采用正交法和单因素法对中性盐浴渗铝、铝铬共渗配方及工艺进行优化,以渗层厚度和表面残盐清洗时间为评定指标得出最优的渗铝配方(以下百分数均为质量百分比)和工艺参数为:6%Al、8%NaF、26%NaCl、60%BaCl_2,渗铝温度950℃,保温时间为4h;得出铝铬共渗的最佳配方和工艺为9.5%Al、8%NaF、22%NaCl、50.5%BaCl_2,10%Cr_2O_3,共渗温度950℃,保温时间为4h。(2)研究表明两种渗层表面都是由均匀致密的Al-Ni化合物组成,XRD检测结果主要是β-NiAl相,其中铝铬共渗层表面有固溶的Cr相。截面形貌分析得到渗铝层的厚度为50μm,铝铬共渗层的厚度为46μm,在其富Al层下方存在Cr的扩散层。渗铝层和铝铬共渗层的表面平均硬度分别为495.6HV、577.32HV,较基体的299.72HV分别提高了0.65和0.93倍;渗铝层和铝铬共渗层的界面结合力分别为53N、63N。(3)基体、渗铝层和铝铬共渗层经1000℃氧化100h的结果表明:基体、渗铝层及铝铬共渗层的氧化增重分别为0.94375 mg/cm~2、0.55625 mg/cm~2、0.4125mg/cm~2,说明渗层具有优异的抗高温氧化性。这是因为基体在氧化过程中生成的Cr_2O_3保护膜不稳定且易使氧化膜产生内应力,氧化后期产生的NiCr_2O_4易导致氧化膜剥落失效;而渗铝层和铝铬共渗层在氧化初期能快速形成θ-Al_2O_3,使得氧化增重较快,然后亚稳态的θ-Al_2O_3向稳态α-Al_2O_3继续转变,渗层的抗高温氧化性得到极大提高。铝铬共渗层中的Cr能促进θ-Al_2O_3向α-Al_2O_3的转变并在扩散区形成富Cr层阻止Al的内扩散,因此其抗高温氧化性能比渗铝层好。(4)对基体和两种渗层在1000℃温度下75wt%Na_2SO_4+25wt%NaCl混合盐中进行了100h的热腐蚀实验。结果表明:基体、渗铝层及铝铬共渗层的腐蚀增重分别为30.009 mg/cm~2、12.012 mg/cm~2、6.685 mg/cm~2;在腐蚀初期基体表面氧化膜就剥落了,随后生成NiO和尖晶石态NiCr_2O_4,并出现内硫化,热腐蚀现象加剧。而渗铝层和铝铬共渗层在热腐蚀过程中表面能持续形成Al_2O_3保护膜,减缓热腐蚀速度,两种渗层都体现出了良好的抗热腐蚀性能。但是在热腐蚀后期渗铝层出现了剥落现象,富Al的β-NiAl相消耗很大,且有转化成了部分γ相,因此渗层的抗高温热腐蚀能力下降;而铝铬共渗层中的Cr能抑制Al_2O_3的碱性溶解,表面氧化膜仅出现了局部的开裂,表现出优异的抗高温热腐蚀性。(5)采用单因素法确定渗剂中La_2O_3的最佳添加量为1wt%。添加La_2O_3后的渗铝层和铝铬共渗层厚度分别可达到93.59和51.61μm,表面主要相都是β-NiAl,且更致密均匀,表面还能检测到La元素。(6)对添加La_2O_3后的渗铝层和铝铬共渗层进行了1000℃氧化100h的实验。结果表明:两种渗层的氧化增重较未添加La_2O_3时有明显减缓,表层氧化物仍然是以α-Al_2O_3为主,但θ-Al_2O_3向α-Al_2O_3的转变速度变快,尤其是铝铬共渗层,说明La_2O_3有促进相变,降低氧化速度的作用。与未添加La_2O_3相比,两种渗层的抗高温氧化性都有了大的提高,铝铬共渗层依然表现出最好的抗高温氧化性。(7)对添加La_2O_3后两种渗层在1000℃温度下75wt%Na_2SO_4+25wt%NaCl混合盐中进行了100h的热腐蚀实验。结果表明:两种渗层的热腐蚀增重进一步变慢,说明抗高温热腐蚀性能较未添加La_2O_3都提高了,这是因为La_2O_3能提高氧化膜的黏附性及细化涂层晶粒。在腐蚀100h后,渗铝层表面仅出现了轻微的剥落现象,而铝铬共渗层氧化膜仍然保持连续状态。总的来说,本文创造性且成功地采用中性盐浴渗在GH625合金表面制备了高界面结合力、高硬度、高温性能优异的铝铬渗层,为高温合金表面改性提供了理论基础。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4;TG132.3
【图文】：

镍基高温合金,涡轮发动机,涡轮叶片

江苏大学学术型硕士学位论文空涡轮发动机上的涡轮叶片、导轮叶片等。而涡轮叶片是航空发动的转动部件。目前镍基高温合金在航空飞行器动力部件上的使用已而且随着工业化进程的推进，镍基高温合金的运用已经逐渐推广到石油化工、冶金矿山及交通运输等很多的工业部门[10]。和铁基高温基高温合金组织更稳定，弱化相少以及有更强的抗高温氧化和腐高温合金相比，镍基高温合金叶片材料在高温和大应力下工作性

二元相图,二元相图,包埋渗

然后进行高温加热并保温一段时间。为提高涂层的质法是在充满惰性气体的环境中进行。固体粉末包埋法常见备铝化物涂层。镍基高温合金表面渗铝，渗铝层主要是由成其他一些 Al 的金属间化合物，具体可参见 Al-Ni 二元Boone[28]探讨了镍基合金渗层的扩散过程，得到了铝化物700-800℃时，铝的活度比镍高，涂层主要是 Al 向基体内；在高温 980-1100℃之间，铝的活度比镍低，这时基体沉积在表面的铝形成外扩散涂层。包埋渗涂层与温度、保相关。向志东[29]研究了包埋渗成分、温度和时间对渗层厚厚度和时间的关系：h 16.2 t 4备简单是固体粉末包埋渗法的优点，缺点是工件尺寸要达行涂层制备、且要求高精度的设备。

【参考文献】