涡轮导叶化学气相沉积渗铝涂层研究
时间：2023-06-20 08:35:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
任建伟，崔启政，李宏然，崔慧然
(无锡透平叶片有限公司，无锡 214174)
先进的航空发动机为追求高“推重比”，不断提高了涡轮进口温度，使得涡轮叶片等热端部件的工作条件越来越苛刻，在高温合金叶片表面制备防护涂层是提高其抗高温氧化和耐腐蚀能力的普遍方法[1]，扩散型铝化物涂层是一种重要的高温防护涂层，主要有四种制备技术，即粉末包埋法、料浆法、气相法和化学气相沉积(Chemical vapor deposition, CVD)[2]，其中CVD 技术制备的涂层厚度可控性好、质量高、环境污染小，是一种先进且国际主流的涡轮叶片渗铝化物涂层的制备方式[3]。CVD 是一种非接触式涂层制备方法，可对结构精密、形状复杂的零部件进行涂层制备，针对空心叶片内腔结构复杂，涂层的制备工艺有较高的要求，要保证冷却通道在涂层处理后尺寸增加较小，不影响叶片内腔的冷却效果[4]，CVD方法就能对这种微小通道进行防护。目前，在镍基高温合金铝化物涂层的研究主要集中在渗铝层组织和深度的影响因素、Al 元素的扩散机理及其抗氧化性能方面[5-11]，范凯平[1]在Inconel718 材料上开展了CVD 渗铝反应机理的热力学、渗铝设备及工艺设计、渗铝工艺试验、渗铝层成分分析及抗高温氧化性能等四个方面进行研究，结果表明Al 涂层均匀致密，氧化过程基本符合抛物线氧化规律，在1100 ℃下有利于形成完整的氧化膜，明显提升了基体的抗氧化性能。蒙彩思[2]等人分析了温度和时间对K417 材料上铝化物涂层形成的影响，结果表明渗铝涂层厚度与温度和时间均呈正相关，且温度影响更大。顿易章[4]采用CVD方法在GH4169 材料上进行了单一铝化物涂层制备并就其高温性能进行研究，结果表明，单一铝化物涂层为双层结构，起到了较好的抗高温腐蚀、抗热冲击能力。李克[9]对航空发动机复杂型腔空心叶片气相渗铝工艺和组织结构进行了研究，结果表明CVD 方法制备的Al 涂层组织良好，性能优良，并通过了1000 h 试车考核。张磊[16]采用CVD 方法在空心叶片内腔微小冷却通道内制备了铝化物涂层，结果显示内腔涂层为双层结构，均匀完整，可对基体有效保护。已开展的研究显示目前就渗铝过程对叶片的本体的尺寸、腔体流量和力学性能的影响研究较少，本文以某型航空发动机涡轮导叶为研究对象，采用CVD 方法开展铝涂层制备，研究铝涂层的显微形貌、化学构成以及抗氧化性能，并就其对叶片尺寸、腔体流量和力学性能产生的影响进行分析，为该镍基高温合金的工程应用提供指导。
1.1 材料
研究对象为某型航空发动机涡轮导叶，是机加工尺寸报废但叶身型面合格的叶片，材料为一种沉淀硬化型等轴镍基高温合金，铸态使用，其名义化学成分见表1 所示，该合金由多种金属元素进行综合强化，具有较高的高温强度和良好的铸造性能，在1000 ℃、100 h 的持久强度可达到150 MPa，1000 h 的持久强度可达94 MPa，但该合金的耐热腐蚀性能较差，在高温下长期使用，需要增加保护涂层[12]。
表1 材料化学成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of material (wt.%)
1.2 工艺方法
采用CVD 设备制备铝涂层，设备构造如图1所示，该设备能够实现叶片内腔铝涂层制备，无残余物清理，并且无堵孔风险。工艺过程为：室温装炉，同炉批力学性能试棒随炉，罩上保温罩，将反应罐内抽真空，再按比例通入HCl 和氩气，HCl 会与外部发生器中的Al 反应生成AlClx（含有AlCl3、AlCl 和AlCl2等）气体，AlClx气体随载气进入反应罐内，释放活性沉积元素与基体反应形成Al 涂层，反应示意图如图2 所示，反应过程如式(1)～(3)[1]所示，工艺结束后，继续通氩气冷却至室温，出炉后进行显微组织、尺寸和流量、力学性能检测。
图1 化学气相沉积设备构造示意图Fig.1 Equipment structure diagram of CVD
图2 气相AlClx 与Ni 基体反应示意图[1]Fig.2 Diagram of reaction of Gas phase AlClx with Ni
1.3 显微组织、尺寸和流量、力学性能、抗氧化性能测试
对叶片流道面、气膜孔以及内腔如图3 所示进行解剖，采用扫描电子显微镜观察渗铝涂层显微形貌及厚度，并使用能谱分析各元素在渗铝涂层中的含量。该叶片为空腔带冷却气膜孔叶片，如图4 所示，渗铝后涂层的增厚效应会对导叶的尺寸和腔体内流量产生影响，分别进行渗铝涂层制备前后三坐标尺寸检测和渗铝前后的空气、水流量检测。对经历CVD 渗铝热过程的力学性能试棒和未经历渗铝热过程的力学性能试棒分别按HB5159 和HB5150 进行800 ℃高温拉伸和975 ℃高温持久检测，对比分析渗铝热过程对基体材料的力学性能有无不利影响。抗氧化性能检测按照HB 5258-2000《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》执行，在马弗炉中进行，温度1000 ℃，试验总时间100 h，氧化进行中每隔25 h 对样品进行称重。
图3 涡轮叶片渗铝涂层检测示意图Fig.3 Diagram of turbine guide blade aluminized coating detection position
图4 叶片型面气膜孔示意图Fig.4 Blade air film hole position diagram
2.1 外观及显微组织分析
经过化学气相沉积渗铝工艺后，叶片所有外表面呈均一浅灰色，色泽光亮，无碰划伤、腐蚀、粘结物、氧化起皮、凸起或剥落等缺陷。图5 为渗铝后涂层的组织结构，图6 和表2 为渗铝涂层化学元素分析，由图5 可知，涂层为典型的外扩散型铝化物涂层，内外层界限清晰，外层反应扩散形成单一的β-NiAl 相，其中Al 含量为28～30 wt.%，主要是Ni 向外扩散与Al 反应形成，内层为富含高熔点元素析出相的扩散区，该区域Ni 元素含量相对较低，Al含量为10～16 wt.%，与γ"-Ni3Al相中的铝含量相近；
对叶身型面一周、内外缘板的铝涂层进行检测分析，涂层组织致密，形貌规则，厚度均匀，约为23～35 μm。同时，内腔及气膜孔处铝涂层形貌与型面基本保持一致，厚度均匀，这是其他工艺方法所不具备的优势[9]。
表2 渗铝涂层化学元素分析(wt.%)Table 2 Chemical composition of aluminized coating (wt.%)
图5 叶片铝涂层显微组织照片：(a)下流道面；
(b)型面；
(c)上流道面；
(d)内腔；
Fig.5 Aluminized coating microstructures: (a) bottom flow area; (b) profile; (c) top flow area; (d) inner cavity；
图6 能谱检测位置图Fig.6 Diagram of EDS detection position
2.2 尺寸分析
一方面，CVD 法渗铝为升温-保温-降温过程会造成叶片应力的改变，从而产生变形，另一方面CVD 法制备的铝涂层为外扩散型，尤其采用整体渗的情况下，叶片的机加工面会同样形成渗铝涂层，产生增厚效应，渗铝层组织的外层与内层厚度比约1:1，增厚效应约占涂层厚度的50%。对比渗铝涂层前后叶片尺寸检测的三坐标报告，叶片机加工面的综合尺寸变化在0.02 mm 以内；
渗铝前后导叶喉道尺寸对比结果显示，渗铝涂层对喉道尺寸影响较小，变化量不足0.035%；
渗铝前后的流量检测结果对比显示，涂层的增厚效应有限，其对气体和水流量的影响不大，影响范围在0.5%以内。
2.3 随炉试棒力学性能分析
从表3 和表4 的数据可以看出，800 ℃的高温拉伸结果显示，与未经渗铝热过程的试棒相比，渗铝涂层后的试棒，抗拉强度下降了8 MPa，延伸率和断面收缩率上升，这是由于渗铝涂层的高温热过程使合金的γ"强化相聚集粗化，并产生了由M6C 和M23C6碳化物组成的弯曲晶界，从而合金强度下降，塑性提高[13,14]。与未经渗铝热过程的试棒相比，渗铝涂层后的试棒在975 ℃的高温持久强度升高约1.5 h，文献[15]的研究结果表明，镍基高温合金经过CVD 的高温热过程后，晶粒会变大，在较高的使用温度下，粗晶粒合金晶界数量和面积相对较少，使得裂纹沿晶界扩展的通道减少，扩展速率低，会有较高的持久强度。所以渗铝的热过程对基体材料并无明显不利影响。
表3 800 ℃高温拉伸结果Table 3 Tensile properties at 800 ℃
表4 975 ℃高温持久结果Table 4 Stress-rupture properties at 975 ℃
2.4 抗氧化性能分析
如图7 所示为该涂层在1000 ℃高温条件下100 h 的静态氧化动力学曲线，符合抛物线演变规律，即氧化初期增重明显，随着氧化时间的延长，试样的氧化增重速率降低，曲线趋于平缓。文献[17,18]的研究结果表明，在高温氧化过程中，涂层区内的Al 元素向涂层外表面扩散，Al 元素的扩散速率较Ni、Cr、Co 等较快，优先与空气中的O形成致密的Al3O2保护膜，避免形成NiO、Cr3O2等非保护性氧化膜，有效降低了涂层的氧化增重速率，起到了较好的耐高温防护效果。
图7 试样经过1000 ℃/100 h 氧化增重的动力学曲线Fig.7 Kinetics curves of specimen after the isothermal oxidation at 1000℃ for 100h
通过研究某型涡轮导叶渗铝涂层的厚度、显微组织形貌、元素含量分布以及抗氧化性能，分析其对叶片尺寸、气体流量和力学性能产生的影响，得出以下结论：
(1) CVD 工艺制备涡轮导叶的铝涂层外观良好，流道面、内腔和气膜孔需渗层部位涂层组织致密，形貌规则，厚度均匀，约为23～35 μm。
(2) 铝涂层对叶片本体的尺寸影响在0.02 mm以内，造成喉道尺寸的缩小值＜0.035%，内腔流量的缩小值＜0.5%，涂层的增厚效应有限。
(3) 经过渗铝涂层制备热过程，基体金属800℃抗拉强度下降了8 MPa，975 ℃持久强度提高了1.5 h，该热过程对基体材料未产生明显不利影响，较好地满足涡轮导叶的使用需求。
(4) 制备的铝涂层抗氧化性能良好，1000℃/100 h后氧化动力学曲线符合抛物线演变规律。
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