GH3030概述：GH3030固溶強化型高溫合金是早期發(fā)展的80Ni-20Cr固溶強化型高溫合金，化學(xué)成分簡單，在800℃以下具好的熱強性和高的塑性，并具有良好的耐氧化、冷沖壓和焊接工藝性能。合金經(jīng)固溶處理后為單相奧氏體，使用過程中組織穩(wěn)定。用于800℃以下工作的渦輪發(fā)動機燃燒室部件和在1100℃以下要求耐氧化但承受載荷小的其他高溫部件。GH3030具有強熱加工及冷加工性能，用于制作化工設(shè)備及配套配件。

GH3030化學(xué)成分：

應(yīng)用概況與特殊要求：

主要用于燃燒室和加力燃燒室零部件以及機匣安裝邊等零部件。

物理及化學(xué)性能

熱性能

熔化溫度范圍：1374～1420℃

金相組織結(jié)構(gòu)：

該合金在1000攝氏度固溶處理后為單相奧氏體組織，間有少量TiC和Ti(CN)。

工藝性能與要求：

1.該合金具有良好的可鍛性能，鍛造加熱溫度1180℃，終鍛900℃。

2.該合金的晶粒度平均尺寸與鍛件的變形程度、終鍛溫度密切相關(guān)。

3.熱處理后，零件表面氧化皮可用吹砂或酸洗方法清除。

采用等離子噴涂法制備的航空發(fā)動機渦輪部件不能滿足抗高溫和熱腐蝕需求。采用真空電弧離子鍍

技術(shù) (A IP)在 GH3030鎳基高溫合金上制備 170～180μm厚的 N iCrA lYSi涂層 ,研究了該涂層 700 ℃下的高溫氧化

行為和 760 ℃下的燃?xì)鉄岣g行為。結(jié)果表明 :經(jīng)過長時間的氧化 , N iCrA lYSi涂層表面形成了以 A l2 O3, Cr2 O3為主的氧化膜 ,提高了其抗高溫氧化性能 ;經(jīng)過 760 ℃, 100 h燃?xì)飧g試驗后 , N iCrA lYSi涂層主要由 N i3A l和 α2Cr相組成 ,N iCrA lYSi涂層明顯改善了 GH3030合金的抗低溫?zé)岣g性能。

GH3030鎳基高溫合金已成功應(yīng)用于航空發(fā)動機

主燃燒室、加力燃燒室噴嘴等零部件中

現(xiàn)代航空發(fā)動機渦輪部件材料要求能夠在高溫燃?xì)猸h(huán)境下長期

工作 ,為避免其出現(xiàn)氧化和腐蝕 ,需要對其進(jìn)行防護(hù)N iCrA lYSi涂層具有優(yōu)異的抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能和較高的塑性 ,而且與高溫合金基體的結(jié)合較好 ,目前已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機高溫部件的表面防護(hù)

傳統(tǒng)的燃燒室噴嘴大多采用等離子噴涂技術(shù)制備 ,厚度超過 100μm的防護(hù)涂層孔隙率大、與合金的結(jié)合也不好。本工作采用真空電弧離子鍍工藝在GH3030合金上制備 N iCrA lYSi涂層 ,并考察了涂層的抗高溫氧化性能和低溫燃?xì)鉄岣g性能。

1. 1　涂層制備

基體選用 GH3030鎳基高溫合金 ,尺寸為 30. 0 mm×10. 0 mm ×1. 5 mm,表面粗糙度 Ra 為 0. 63～1. 25μm。采用 SS22液體吹砂機進(jìn)行濕吹砂處理 , 工作壓力為 0. 5～0. 6 MPa,磨料粒度 0. 154 mm 以上。采用LCX 252系水基清洗劑在 TP2600C超聲波清洗機中對試樣清洗 20～30 m in,然后烘干 ;鍍膜前將真空室抽至10- 3Pa,通入氬氣。首先進(jìn)行 15～20 m in的離子清洗 ,消除其表面的氧化物和污染物。沉積涂層材料為N iCrA lYSi,基材和 N iCrA lYSi材料成分見表 1

真空電弧鍍設(shè)備為 A 21000 Vacuum A rc Ion2PlatingUnit型。涂層沉積工藝 :電弧電流 I = 500～600 A,工件偏壓 U = 10～30 V,真空度 (6～7) ×10- 3Pa;沉積 10h,涂層厚度為 170～180μm;沉積后置于 VBF230型真空高溫爐中進(jìn)行真空擴散 ,從室溫按 9 ℃/m in的速度升溫至 870 ℃后再保溫 3 h,真空度大于 7. 5 ×10- 3Pa,以增強涂層與基材間的結(jié)合力和消除涂層內(nèi)應(yīng)力。

1. 2　循環(huán)氧化

按照 HB 5258 - 2000鋼及高溫合金的抗氧化性測試試驗方法通則 ,采用循環(huán)氧化自動控制設(shè)備在 700 ℃進(jìn)行循環(huán)抗氧化試驗 ,氧化時間分別為 10 h和 2 000 h,保溫 60 min,出爐后在空氣中冷卻 5 min為 1個周期 ,試驗中任試樣表面氧化皮自然脫落。在規(guī)定的試驗周期數(shù)(如 1, 4, 7, 10, 20, 50, 100 h等 )稱量 ,試樣平均質(zhì)量變化≤0時 ,為該試驗條件下材料的循環(huán)氧化壽命。

1. 3　抗熱腐蝕

按照 HB 7740 - 2004燃?xì)鉄岣g試驗方法進(jìn)行抗熱腐蝕試驗 :溫度 760 ℃,航空燃油流量 0. 2 L /h,人造海水流量 0. 2 L /h。從爐中取出試樣任其腐蝕產(chǎn)物自然脫落 ,然后進(jìn)行稱量 ,每 25 h稱量一次 ,觀察試樣表面狀態(tài) ,記錄質(zhì)量變化 ,試驗時間 100 h。通過堿洗去除腐蝕產(chǎn)物 ,再通過計算單位面積腐蝕失重獲得腐蝕速率 v:

1. 4　測試及表征

采用 FEI2Quanta 600型掃描電子顯微鏡 (SEM )和B rukerD8 Advance型 X射線衍射儀 (XRD)觀察分析涂層的截面形貌和相結(jié)構(gòu) ,選取基體、涂層一定微區(qū) ,用Oxford INCAx 2sight 6427型能量分散譜儀 ( EDS)進(jìn)行成分分析。

2　結(jié)果與討論

2. 1　涂層的顯微結(jié)構(gòu)及成分

圖 1為電弧離子鍍 N iCrA lYSi涂層經(jīng) 870 ℃、3 h真空擴散后的顯微結(jié)構(gòu)?？梢娡繉雍穸葹?170～180μm;涂層與基體形成了冶金結(jié)合 ,涂層致密 ,無明顯的孔隙和孔洞等缺陷。 EDS分析結(jié)果表明涂層成分為10. 76A l20. 81Si 222. 48Cr 265. 95N i。與等離子噴涂相比 ,電弧離子鍍技術(shù)獨有的離子清洗功能提高了涂層質(zhì)量 ,更適合于噴嘴等高溫部件的涂層制備。

圖 2為鍍覆 NiCrAlYSi涂層試樣 700 ℃下氧化 2 000h后的截面 SEM形貌?？梢姼邷匮趸?,涂層試樣表面形成了一層致密的厚氧化膜 ,膜層成分以Al2O3, Cr2O3為

主 (見表 2)。A l2 O3, Cr2 O3具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能 ,因而 N iCrA lYSi涂層具備很好的抗高溫氧化能力。氧化后涂層成分為 20. 35Cr29. 59A l270. 06N i,與涂層的原始成分相比 ,沒有太大變化 ,說明高溫氧化并未造成涂層失效 ,涂層中抗氧化性元素 A l, Cr向涂層表面遷移 ,在表面形成了致密的氧化膜 A l2 O3, Cr2O3,涂層的厚度沒有明顯減少 ,涂層依然具有保護(hù)基體合金的作用.

2. 2　氧化動力學(xué)行為

試驗顯示 ,基材 GH3030合金經(jīng) 10 h氧化后 ,表面就出現(xiàn)黃斑和燒蝕的痕跡 ,經(jīng)過 2 000 h氧化后表面沒有形成致密的氧化膜。N iCrA lYSi涂層經(jīng) 10 h氧化表面形成了一層薄的黑色氧化膜 ,經(jīng) 2 000 h氧化 ,表面的氧化膜平整 ,無缺陷和孔洞。圖 3為 GH3030合金及其 N iCrA lYSi涂層 700 ℃下循環(huán)氧化的動力學(xué)曲線。由圖 3可見 : N iCrA lYSi涂層的氧化增重隨時間延長而增大 ,經(jīng)過 2 000 h循環(huán)氧化 ,依然呈現(xiàn)增重狀態(tài) ,說明 700 ℃下涂層壽命超過2 000 h; GH3030合金 700 ℃下氧化數(shù)小時后即迅速失重 ,說明已達(dá)到其氧化壽命。以上結(jié)果表明 , N iCrA lYSi涂層能夠提高 GH3030合金的氧化壽命。

圖 3 GH30合金試樣涂覆 N iCrA lYSi涂層前后的循環(huán)氧化曲線

2. 3 熱腐蝕行為

在 760 ℃下進(jìn)行 100 h 的燃?xì)鉄岣g試驗后 ,GH3030合金表面及 N iCrA lYSi涂層表面生成了一層腐蝕產(chǎn)物。堿洗后分別計算出涂層與合金的熱腐蝕速率為 0. 026 g/ (m2 ·h)和 0. 086 g/ (m2 ·h)。結(jié)果表明 ,涂層與合金的腐蝕速率在同一數(shù)量級 , N iCrA lYSi涂層提高了 GH3030合金的抗熱腐蝕能力。

對經(jīng) 760 ℃、100 h熱腐蝕試驗的 GH3030合金及其 N iCrA lYSi涂層試樣堿洗去除氧化皮后的 XRD分析見圖 4。由圖 4可見 , GH3030合金主要由 N i3A l相組成 ,而經(jīng)過燃?xì)鉄岣g試驗 , N iCrA lYSi涂層主要由N i3A和l α2Cr組成 ,改善了合金的抗熱腐蝕性能。

N iCrA lYS涂i 層經(jīng)過 100 h的熱腐蝕后 ,表面形成了以Cr2O3為主的膜 ,具有很好的抗腐蝕性能。通常將在Na2 SO4熔點 (884 ℃)以下產(chǎn)生的熱腐蝕稱為 Ⅱ型熱腐蝕 ,即低溫?zé)岣g。

噴嘴工作溫度在 760 ℃,屬于低溫?zé)岣g ,比 Ⅰ型熱腐蝕 (通常在 900 ℃,即高溫?zé)岣g )要嚴(yán)重。因此 ,提高合金的低溫?zé)岣g性能意義更為重大。在含 SO3和氧的環(huán)境中 , GH3030合金出現(xiàn)低溫?zé)岣g ,先是孕育期 ,隨后加速腐蝕 ,最后發(fā)生孔蝕。

而 GH3030合金上的 N iCrA lYSi涂層在模擬低溫?zé)岣g的環(huán)境中 ,在表面首先形成了含 A l2 O3, Cr2 O3的氧化膜 ,不僅提高了合金的抗高溫氧化能力 ,還形成了抗腐蝕能力好的α2Cr相 ,阻滯了合金的加速腐蝕 ,防止了合金發(fā)生孔蝕 ,提高了合金的抗低溫?zé)岣g能力。

3　結(jié) 　論

(1)采用真空電弧離子鍍技術(shù)在 GH3030合金表面制備了厚 170 ～180 μm 的 N iCrA lYSi涂層 ,經(jīng) 870℃、3 h真空擴散后 ,涂層結(jié)構(gòu)致密 ,與基體結(jié)合力好。

(2)經(jīng)過 700 ℃、2 000 h氧化 , N iCrA lYSi涂層表面形成了一層完整的以 A l2 O3, Cr2 O3為主的氧化膜 ,提高了 GH3030合金的長期抗高溫氧化能力。

(3)經(jīng)過 760 ℃、100 h的燃?xì)鉄岣g , N iCrA lYSi涂層主要由 N i3A l和 α2Cr相組成 ,改善了合金基體的抗低溫?zé)岣g性能。