鎳基高溫合金陶瓷涂料的制備和性能

　　摘要：以 Cr2O3 以粉末、玻璃材料和粘土為原料，涂在鎳基上

　　高溫合金 GH44 熱化學(xué)反應(yīng)法用于表面 1050℃保溫 10min，高溫陶瓷涂溫陶瓷涂層。掃描電鏡和 X 射線衍射分析了高溫陶瓷涂層的表面、截面形狀和相位組成，測(cè)試了鎳基合金的抗熱沖擊、抗氧化和高溫疲勞。結(jié)果表明，陶瓷涂層結(jié)構(gòu)致密，與基體結(jié)合牢固，抗熱震性能好。鎳基合金涂有陶瓷層的高溫抗氧化性能高于基體6 其高溫疲勞性能顯著提高。

　　關(guān)鍵詞:鎳基高溫合金；陶瓷涂層；抗熱震；抗氧化；高溫疲勞

　　鎳基高溫合金因其良好的高溫性能而廣泛應(yīng)用于航天、航空和船舶 特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、葉片等熱端部件中。向更高推重 先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需要耐熱、耐高溫氧化腐蝕等 性能要求高，簡單的鎳基高溫合金已不能滿足其使用要求。行之有 有效的方法是在接近材料溫度上限時(shí)，在鎳基高溫合金表面涂上防護(hù)涂層 [1-5]。在金屬材料表面涂上陶瓷層的方法可以制備金屬強(qiáng)度和韌性 該方法已成功應(yīng)用于耐高溫、耐磨、耐腐蝕的復(fù)合材料 [6]航空、化工、機(jī)械等領(lǐng)域。

　　陶瓷涂層的制備方法包括氣相沉積、熱噴涂、溶膠凝膠和熱化學(xué)反應(yīng) 熱化學(xué)反應(yīng)法工藝簡單，操作方便，成本低 性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。鎳基高溫合金采用熱化學(xué)反應(yīng)法 GH44 制備陶瓷涂料表面 比較鎳基高溫合金高溫氧化腐蝕和熱疲勞引起的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī) 磁盤和葉片損傷失效的影響。研究結(jié)果表明，涂層與基體結(jié)合良好 該層能大大提高高溫合金的熱震穩(wěn)定性和抗氧化性，提高其高溫疲勞性能。

　　1 實(shí)驗(yàn)

　　1.1 料漿制備

　　陶瓷涂層由玻璃、氧化鉻粉和粘土組成，其主要原料的質(zhì)量分為 數(shù)：玻璃料 66.7%氧化鉻粉 28.5%，黏土 4.8%。氧化鉻粉和熔化玻璃的原料 均為沈陽國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純?cè)噭?合試劑有限公司。玻璃材料主要由：SiO2 40.0%，BaO 42.3%，CaO 4.0%，ZnO 4.7%，TiO2 3.0%，B2O3 6.0%。機(jī)械混合均勻后，將上述比例的原材料放置在剛度 在高溫爐內(nèi)的玉坩堝中 1380~1400℃熔制 2h，玻璃經(jīng)水淬、干燥、破碎而成 璃粉。將稱重玻璃、氧化鉻粉和粘土放入聚氨酯球磨罐中，加入瑪瑙球， 以水為助磨劑，球墨80~1000h之后，懸濁液通過 270 篩選，取篩下物陳腐 7d 以 使用前調(diào)整料漿密度 1.75~1.95g/mL 備用。

　　1.2 制備陶瓷涂料

　　上海荷花牌采用冷噴涂 2A 型噴槍，以空氣為載氣，壓力大 0.3MPa，控制噴嘴與基體之間的距離 150mm。將準(zhǔn)備好的料漿均勻涂抹在經(jīng)絡(luò)上 無油無污染鎳基高溫過預(yù)處理(包括研磨、堿洗、酸洗、超聲波洗滌等。 金 GH44 噴涂厚度約為基材表面 100μm。室溫下噴涂樣品自然陰干 后來在電熱鼓風(fēng)干燥箱中 120℃干燥 0.5~1.0h。高溫爐內(nèi)有干燥樣品 1050℃焙 燒 10min 將爐子冷卻至室溫，取出后進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

　　1.3 涂層表征于性能檢測(cè)

　　1.3.1 陶瓷涂層微結(jié)構(gòu)及物相分析

　　用場發(fā)射掃描電鏡檢測(cè)涂層的表面形狀和界面組合，檢測(cè)涂層

　　質(zhì)量。采用 X 分析陶瓷涂層的物相組成。

　　1.3.2 陶瓷涂層的熱震穩(wěn)定性

　　涂層的抗熱震性能采用急冷急熱法檢測(cè)。具體檢驗(yàn)步驟如下：將樣品放在高位

　　溫爐內(nèi)于 1000℃加熱 15min，取出冷水冷卻。這種加熱、冷卻循環(huán)，記錄樣品涂層的外觀與基體的結(jié)合。

　　1.3.3 陶瓷涂層抗氧化性能試驗(yàn)

　　氧化增重試樣的抗氧化性能。涂有防護(hù)涂層和無涂層樣品

　　在空氣氛圍中，放置在高溫爐中 1000℃焙燒 100h，高精度電子天平測(cè)量烘焙

　　樣品燃燒前后的質(zhì)量變化。根據(jù)氧化前后樣品質(zhì)量的變化Δm、總面積 A 以及氧化

　　時(shí)間 t 計(jì)算樣品的氧化速率 v，表示涂層的抗氧化性。氧化速率計(jì)算公式如下：

　　1.3.4 測(cè)試陶瓷涂層的高溫疲勞性能

　　(1)在自制非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，測(cè)試溫度 850℃，

　　振幅±4mm。樣品的一端固定在高溫夾具上，另一端固定在偏心轉(zhuǎn)軸承的外環(huán)上

　　動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后產(chǎn)生一定的振幅，樣品承受等幅反復(fù)彎曲，直到葉片因疲勞而開裂

　　其固有頻率下降 1%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，測(cè)量和控制疲勞失效前的循環(huán)次數(shù)

　　數(shù)。

　　(2)自制非標(biāo)設(shè)置熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱疲勞檢測(cè)。850℃下加熱 55s、

　　水冷5s這樣循環(huán)150次，測(cè)量試樣裂紋的長度。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 陶瓷涂層微結(jié)構(gòu)及物相分析

　　圖 1a、1b 掃描電鏡的照片分別是涂層表面和截面。由圖 1 涂層表面可見

　　結(jié)構(gòu)致密均勻，無明顯裂紋、孔洞等缺陷；涂層與基體明顯相交

　　界面錯(cuò)誤，結(jié)合良好，有利于提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

　　圖 1 鎳基陶瓷涂層的表面和截面形狀

　　高溫?zé)Y(jié)陶瓷涂層 XRD 測(cè)試結(jié)果見圖 2。體層中的主要物相可見

　　玻璃相、Cr2O3和 SiO還有少量 BaAl2O4、CaSi2O5和 Al2SiO5。圖 2 表面，

　　涂層中的相關(guān)材料在燒結(jié)過程中發(fā)生了更復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。涂層中新物

　　相的產(chǎn)生有利于提高涂層的密實(shí)度和涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度

　　的作用。

　　2.2 陶瓷涂層的熱震穩(wěn)定性

　　測(cè)試了陶瓷涂層的熱震穩(wěn)定性 5 每個(gè)樣品重復(fù)組 10

　　二次冷熱循環(huán)。結(jié)果表明，涂層、脫落等明顯損傷與基體粘附牢固

　　表面狀態(tài)良好的固體。良好的熱震穩(wěn)定性表明燒結(jié)涂層接近基體的膨脹系數(shù)

　　涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較高。根據(jù)分析，漿料中的主要原料 Cr2O3.熱膨脹系數(shù)

　　與金屬基體的熱膨脹系數(shù)相匹配，降低了冷熱循環(huán)的熱應(yīng)力。料漿中的

　　玻璃在高溫下熔化，產(chǎn)生液相，降低涂層孔隙率，增加金屬密度

　　基體表面形成致密的液相附著層，解決了冷卻過程中金屬基體收縮大的問題

　　剝離問題。此外，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9]，涂層在高溫下烘烤

　　雨基體發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生中間層，中間層的熱膨脹系數(shù)高于涂層本身

　　加 熱膨脹系數(shù)接近基體的15%~25%，更有利于緩沖熱應(yīng)力。以上因素

　　涂層在急冷急熱條件下的抗熱震性能有所提高，不易開裂脫落。

　　2.3 陶瓷涂層的抗氧化性

　　無涂層試樣抗氧化試驗(yàn)結(jié)果如表所示 1 所示。

　　表 1 抗氧化試驗(yàn)結(jié)果

　　從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：GH44 陶瓷涂層后，材料的抗氧化性相對(duì)于

　　基體提高了 6 倍以上。對(duì)于無涂層樣品，金屬基體直接接觸高溫空氣

　　表面金屬原子與氧快速氧化反應(yīng)。對(duì)于涂層樣品，致密陶瓷涂料

　　層將空氣與基體隔離，增加氧氣的擴(kuò)散阻力，阻礙氧氣向基體擴(kuò)散

　　大大延遲了試驗(yàn)的氧化速度。

　　2.4 陶瓷涂層的高溫疲勞性能

　　鎳基 GH44 陶瓷涂熱疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果如表所示 2、表

　　3 所示。可見鎳基合金涂陶瓷涂層后，其高溫疲勞性能明顯優(yōu)于基材。

　　一般認(rèn)為，材料在高溫循環(huán)作用下的損傷主要是由時(shí)間相關(guān)的蠕變損傷和循環(huán)造成的

　　由于鎳基高溫合金、環(huán)相關(guān)疲勞損傷和氧化損傷的共同作用 GH44

　　蠕變阻力高，蠕變損傷不是其斷裂的主要因素[11]。因此，循環(huán)相

　　關(guān)的疲勞損傷 ui 氧化損傷的交互作用是導(dǎo)致樣品最終斷裂的主要因素

　　原因。

　　當(dāng)材料在高溫環(huán)境下承受疲勞載荷時(shí)，氧化對(duì)裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)制和疲勞壽命

　　生活對(duì)[12]有顯著影響。在高溫下，金屬材料的強(qiáng)度通常會(huì)隨著溫度的升高而下降

　　氧化在損傷過程中起著關(guān)鍵作用，由于循環(huán)載荷和疲勞損傷而形成的氧化膜

　　反向滑移和損傷會(huì)導(dǎo)致裂紋從氧化裂紋中萌生并生長到基體中。金

　　熱裂紋的出現(xiàn)包括妊娠期、萌生期和擴(kuò)展期，伴隨著熱裂紋的萌生和擴(kuò)展

　　氧化損傷縮短了裂紋的妊娠期，促進(jìn)了裂紋進(jìn)入裂紋

　　相反，裂紋的萌生加劇了樣品表面的氧化損傷，促進(jìn)了裂紋的形成。

　　結(jié)合涂層樣品的熱震穩(wěn)定性和抗氧化試驗(yàn)結(jié)果，涂層樣品具有良好的熱量

　　因此，鎳基高溫合金可以在一定程度上大大提高振動(dòng)穩(wěn)定性和抗氧化性GH44

　　高溫疲勞性能。

　　3 結(jié)論

　　(1)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為準(zhǔn) 28.5%的 Cr2O玻璃材料3粉，66.7% 粘土成分4.8%

　　高溫合金鎳基高溫合金 GH44 高溫烘烤熱化基材表面

　　結(jié)構(gòu)致密法可密，結(jié)合良好的陶瓷涂層，有效地阻擋高溫環(huán)境

　　與金屬基體的直接接觸降低了基體的氧化速度，其抗氧化性能高于基體 6

　　倍以上。

　　(2)涂層中的 Cr2O3.玻璃材料能有效調(diào)節(jié)涂層的熱膨脹系數(shù)，保證鎳基高

　　溫合金 GH44 陶瓷涂層具有良好的熱震穩(wěn)定性。

　　(3)鎳基高溫合金涂有陶瓷涂層 GH44 具有良好的抗氧化性和熱性

　　因此，能有效抑制裂紋的產(chǎn)生，具有良好的高溫疲勞性能。

　　(3)鎳基高溫合金涂有陶瓷涂層 GH44 具有良好的抗氧化性和熱性

　　因此，能有效抑制裂紋的產(chǎn)生，具有良好的高溫疲勞性能。

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