Ni合金表面耐氧化腐蝕涂層制備研究進展

（遼寧軌道交通職業學院，遼寧 沈陽 110023）

廣泛用于制造航空航天發動機，各類燃氣輪機熱端部件，如渦輪部件的燃燒室部件，工作葉片，渦輪盤等的鎳基合金是一種比較常見的高溫合金。由于這些零部件長期服役在高溫高應力的工作環境下，工作環境較為復雜苛刻，因此這些部件應同時具有較高的熱強性及良好的抗高溫耐腐蝕性能，但是對于同一高溫合金來說，在很多時候同時滿足這兩方面是矛盾的，如Ni合金：Cr元素是高溫合金中抗熱腐蝕性能較好的合金元素，其耐蝕性隨著Cr含量的增加而急劇增強[1]，通常鎳基合金中，當Cr的含量大于20 wt%時，鎳合金表面能夠形成連續致密穩定的鈍化膜[2]，但由于高強度鎳基合金中所含有的Cr、Al、Mo等合金元素含量過高時會形成有害的σ相（Cr,Mo)x(Ni,Co)y，另一方面雖然Al元素能夠有效提高合金的抗高溫氧化性能，但只有當Al含量大于15wt%時，高溫環境下合金表面才能形成連續致密的Al2O3氧化膜，但當添加的Al含量過高時，合金的塑性必然會不斷下降，從而降低了合金的力學性能和加工工藝性能。所以工程上通常采用在合金表面制備一層防護涂層來提高其抗高溫氧化能力[3]。

因此對能夠提高這些零部件的使用壽命和工作溫度的高溫防護涂層的研究具有十分重要的意義。故本文對國內外學者于鎳合金表面耐氧化腐蝕涂層的制備方式及效果加以總結。

1 鎳合金表面耐氧化腐蝕涂層制備方式及效果

1.1 磁控濺射法

李美妲[4]等人通過磁控濺射的方法在鎳基單晶高溫合金上沉積制備出NiCrAlY涂層,并研究了真空熱處理對涂層組織結構及其抗氧化性能的影響。研究結果顯示：真空熱處理后，通過濺射所得的NiCrAlY涂層表面生成了具有優良抗氧化腐蝕性能的α-Al2O3。在1000℃溫度下氧化200 h,涂層表面的氧化鋁膜大部分剝落,但通過真空熱處理后的涂層表面氧化膜卻仍然牢固地粘附在基體表面。真空熱處理使得濺射NiCrAlY涂層表面生成的氧化膜的粘附性更強,從而大大提高了濺射NiCrAlY涂層的抗氧化性能。

付廣艷[5]同樣采用磁控濺射的工藝方法在鎳合金表面制備了鋁涂層，并在600℃溫度下對涂層進行真空擴散退火處理及預氧化處理，并研究了處理后的涂層在1100℃高溫下的抗氧化性能。研究結果顯示，鋁涂層在一定程度上提高了Ni基合金的抗氧化性能及耐腐蝕性能。

1.2 料漿法

楊世偉[6]等人采用料漿法在DZ4鎳基高溫合金表面“二次”制備Al-Si涂層,其根據GB/T13303-91對DZ4合金的料漿滲鋁硅試樣進行了1100℃下300小時的抗高溫氧化實驗。為了便于比較,對無防護處理的DZ4合金也進行了同環境下的氧化實驗。

結果表明，DZ4合金滲Al-Si涂層的氧化動力學曲線基本上遵循拋物線規律,其抗氧化性及耐腐蝕性能均能明顯要優于無防護涂層的DZ4合金。

1.3 熱噴涂法

羅順等[7]采用低壓等離子噴涂的工藝方法在鎳基單晶高溫合金表面制備了NiCoCrAlYTa涂層，研究結果顯示，Ni、Cr、Al和 Co 主 要 以 β-NiAl、γ ′ -Ni3Al、γ-Ni及CrCoTa等金屬間化合物的形式均勻分布在涂層中，涂層與基體材料的界面處形成了Ni、Cr、Al和Co元素的濃度梯度，噴涂有涂層的鎳合金的高溫抗氧化性能明顯優于無防護處理的鎳基單晶高溫合金。

田素貴[8]等通過對有無NiCrAlY涂層的鎳基單晶合金進行了不同溫度下的恒溫氧化動力學曲線測定并對高溫氧化后鎳合金的組織結構進行了觀察，并研究了NiCrAlY納米晶涂層對高Cr含量的單晶Ni基合金的高溫氧化行為的影響。結果表明：在高溫氧化過程中，無防護涂層的試樣有明顯氧化腐蝕現象發生、同時產生了內氧化及內氮化，高Cr含量的單晶合金經濺射NiCrAlY納米晶涂層后，其抗氧化腐蝕性能得到大大提高；濺射有防護涂層的試樣在不同溫度的恒溫氧化動力學曲線僅僅在氧化初期有輕微增重，之后便趨于平穩，其表面形成的氧化鋁膜連續致密，只有在近涂層與基體的界面處存在少量AlN內氮化物。另外，還有一些學者[9]對NiCrAl合金涂層進行了試驗研究。

1.4 電弧離子鍍及粉末包埋法

李艷瓊等[10]采用電弧離子鍍及粉末包埋的聯合工藝在鎳基合金表面制備了Al-Cr復合涂層,并利用粉末包埋法在基體表面制備單一滲Al涂層作為對比，作者對兩種涂層的組織結構及成分進行了分析,研究了鎳基合金表面Al-Cr復合涂層及單一Al層在1000和1100℃下的恒溫氧化行為。結果顯示:復合涂層可以明顯提高基體合金的抗氧化腐蝕性能，且遠優于單一滲Al層。這是因為Al-Cr涂層在氧化過程中出現了Cr(W)析出帶，進而阻礙了涂層中鋁元素向基體方向的擴散，減緩了涂層的失效速度，另外Cr元素還可以促進Al的選擇性氧化，提高涂層的自修復能力。

2 結論

雖已有不少學者采用各種技術手段在Ni基合金上制備防護涂層以提高其抗高溫氧化及腐蝕能力，然而對于涂層在高溫氧化腐蝕環境下作用于基體的防護機理方面的研究卻較少，有必要在今后的研究中對此加以深入系統的分析，以便為防護涂層的應用提供更為有效的理論依據。

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[3]Sun K N,Wang F P,Cao Y.A Study of the properties of hot-dipped aluminum coating[J].MaterialsScience&Technolo gy,2002,10(2):193-195.

[4]李美妲，張重遠，孫曉峰等.真空熱處理對鎳基單晶高溫合金濺射NiCrAlY涂層抗氧化性能的影響[J].中國腐蝕與防護學報，2002,22(3):153-156.

[5]付廣艷，俞立艷，武永昭，等.Al涂層對Ni基合金高溫氧化性能的影響[J].沈陽工業大學學報，2016,38(4):397-402.

[6]楊世偉，張志明，潘健全等.鎳基高溫合金滲Al-Si涂層抗高溫氧化性能研究[J].材料熱處理，2007,36(20):59-61.

[7]羅順，劉立斌，陳和興等.低壓等離子噴涂NiCoCrAlYTa涂層微觀結構及抗氧化性能[J].熱加工工藝，2009,38(14):109.

[8]田素貴，盧旭東，王濤，等.NiCrAlY涂層對單晶鎳基合金高溫氧化行為的影響[J].材料熱處理學報，2011,32(11):109-116.

[9]Mahesh R A,Jayaganthan R,Prakash S.High temperature oxidation studies on HVOF sprayed NiCrAl coatings on superalloys[J].Surface Engineering,2011,27(5):332-339.

[10]吳多利，姜肅猛，范其香等.鎳基高溫合金Al-Cr涂層的恒溫氧化行為[J].金屬學報，2014,50(10):1170-1178.