高渦葉片表面NiCrAlYSi涂層工藝研究

裴麗艷

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的高渦葉片，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，該葉片一直處于高溫、高壓和高速的腐蝕工作環(huán)境中，承受著離心力、氣動(dòng)力和溫度應(yīng)力等循環(huán)交變載荷與動(dòng)載荷作用，使用環(huán)境非常惡劣[1]。熱噴涂作為重要的表面工程技術(shù)之一，在材料表面制備材料保護(hù)涂層與功能涂層，賦予基體材料在使用環(huán)境中需要的表面性能[2]。為有效提高抗高溫腐蝕的能力和高溫燃?xì)饬鳑_刷的能力，葉片表面采用了真空電弧鍍NiCrAlYSi 涂層作為防護(hù)層。該種涂層是提高渦輪葉片可靠性和延長使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)。該涂層具有良好的耐高溫氧化和耐燃?xì)鉄岣g的性能，結(jié)合強(qiáng)度高，抗沖刷性能好[3]。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)使用時(shí)間的累積，經(jīng)過一個(gè)使用壽命周期后，零件表面涂層會(huì)出現(xiàn)不同程度的脫落和不完整，無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。為此，需要去除涂層，重新進(jìn)行涂鍍涂層（NiCrAlYSi）和恢復(fù)性能熱處理等修理工作。該項(xiàng)目將重新修理由于涂層問題而無法使用的葉片，使其能夠重新使用，并延長使用壽命，同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)修理成本。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試片采用問題零件，NiCrAlYSi 合金管狀陰極靶材尺寸：外徑為Φ（178±2）mm，內(nèi)徑為Φ（140±0.5）mm，長度為（338±2）mm。

1.2 工藝及流程

1.2.1 去除涂層工藝及流程

首選2 種配方，即采用鹽酸+WRTP（六次甲基四胺）工業(yè)和硝酸+氫氟酸工藝。

主要工藝流程：來件驗(yàn)收→吹砂→有機(jī)溶劑除油→化學(xué)除油→除涂層→檢驗(yàn)。

吹砂：采用剛玉砂進(jìn)行干吹砂，風(fēng)壓為0.2 MPa～0.4 MPa，砂子粒度50 目～70 目，噴嘴與零件的夾角為60°～90°，要將所有應(yīng)除涂層的表面全部吹砂。吹砂后的零件表面應(yīng)呈均勻的灰白色無光澤狀。

除涂層：在酸洗時(shí)，要保證一直攪拌溶液。

檢驗(yàn):包括過腐蝕及殘余涂層檢查、熒光檢查。

1.2.2 涂層工藝及流程

主要工藝流程如下。前處理（光整處理→濕吹砂→強(qiáng)水流沖洗→超聲波清洗→丙酮浸洗→干燥）→外觀檢查→原始質(zhì)量稱量→涂鍍→涂鍍后質(zhì)量稱量→真空熱處理→外觀及金相檢查。光整處理：用粘有180 目金剛砂的羊毛氈輪處理葉片葉身和緣板。葉背和葉盆分別用200 mm×40 mm和35 mm×40 mm 兩種規(guī)格的氈輪處理。濕吹砂：白剛玉砂粒度為180 目～280 目，風(fēng)壓0.20 MPa～0.40 MPa，水壓大于2 kg/cm2，吹砂距離為180 mm～350 mm。涂鍍工藝參數(shù)：電弧電流中，Ⅰ組選600 A、Ⅱ組選750 A、工件電壓30 V，時(shí)間90 min。真空熱處理工藝:A 組保溫時(shí)間32 h，B 組保溫時(shí)間20 h，溫度（870±10）℃。

1.3 涂層組織和性能試驗(yàn)方法

涂層組織結(jié)構(gòu)分析包括涂層成分分析、組織結(jié)構(gòu)、相分析及熒光檢驗(yàn)。性能分析內(nèi)容包括涂層合金的抗氧化性能、抗熱腐蝕性能以及室溫拉伸、中高溫持久和高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能。涂層金相：對(duì)將葉片在規(guī)定位置用線切割或帶水冷的試樣切割機(jī)切開，在鑲樣并完成金相準(zhǔn)備后，用金相顯微鏡對(duì)涂層試樣進(jìn)行組織觀察和分析。拉伸試驗(yàn)：按照HB5143“金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涂層合金室溫拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)。高溫持久拉伸試驗(yàn)：按照HB5150“金屬高溫拉伸持久試驗(yàn)方法”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涂層合金的760 ℃和980 ℃高溫持久拉伸試驗(yàn)。高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)：按照HB5153“金屬高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涂層高溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)分別對(duì)基體和基體+涂層樣品進(jìn)行了1 100 ℃恒溫氧化性能測試、1 000 ℃循環(huán)氧化性能測試和900 ℃熔鹽熱腐蝕性能測試。試樣尺寸為20 mm×10 mm×2 mm。涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)：按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/3B 1425—2003 “熱噴涂涂層彎曲試驗(yàn)方法”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涂層彎曲試驗(yàn)。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 去除工藝試驗(yàn)

2.1.1 不同去除溶液對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

所用試樣為工作時(shí)間100 h 超溫報(bào)廢的葉片。

通過觀察試樣外觀，可以看出2 種工藝均可去除涂層，熒光檢查無顯示，且殘留涂層均小于10%，但是鹽酸+WRTP（六次甲基四胺）工業(yè)配方涂層去除時(shí)間較長，大于8 h，而硝酸+氫氟酸工藝去除涂層時(shí)間不到1 h。考慮到鹽酸+WRTP溶液去除時(shí)間較長，所以選擇采用硝酸+氫氟酸溶液去除涂層。具體溶液配方及參數(shù)見表1。

表1 硝酸+氫氟酸溶液配方及工藝參數(shù)

在酸洗時(shí)，要保證一直不斷攪拌溶液。

2.1.2 去除溶液對(duì)葉片厚度的影響試驗(yàn)

該試驗(yàn)采用超聲波方法葉片測量壁厚，測量部位分別在葉盆、葉背的Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅴ-Ⅴ截面進(jìn)行，每個(gè)部位選取6 個(gè)點(diǎn)測量，測試結(jié)果均符合要求，腐蝕除涂層后沒有使葉片壁厚減薄超標(biāo)。

2.2 去除涂層性能測試

2.2.1 熒光顯示試驗(yàn)

熒光檢查按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，除涂層后葉片無熒光顯示。

2.2.2 除涂層金相檢查結(jié)果

將做過熒光檢查的試片清洗干凈后做涂層清除情況的金相分析，檢查結(jié)果為清除涂層的試片表面無殘余涂層和過腐蝕現(xiàn)象。因此可以認(rèn)定，該批除涂層零件質(zhì)量合格，工藝可行。

2.3 涂層各項(xiàng)性能檢測

2.3.1 涂鍍參數(shù)對(duì)涂層組織的影響

分別按Ⅰ組和Ⅱ組參數(shù)制備的涂層試樣進(jìn)行金相觀察，如圖1 所示，可見按Ⅰ組參數(shù)制備的涂層內(nèi)部存在孔隙、空洞等缺陷。按Ⅱ組參數(shù)制備的涂層組織均勻、致密。工作電流較小時(shí)，靶材合金離化出的原子霧化程度低，有些原子是以液滴狀態(tài)沉積在試樣表面的，合金沉積時(shí)容易凝固，因此沉積涂層時(shí)會(huì)出現(xiàn)孔隙、空洞等缺陷。當(dāng)電弧電流處于較合適的水平時(shí)，涂層的涂鍍過程處于相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，靶材合金離化出的原子較易霧化，且試樣表面溫度比較高，合金沉積時(shí)能夠盡可能地鋪開。

圖1 涂鍍參數(shù)對(duì)涂層組織的影響

2.3.2 真空熱處理制度對(duì)擴(kuò)散層的影響

分別將2 組參數(shù)真空擴(kuò)散的涂層試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)按A 組參數(shù)進(jìn)行真空擴(kuò)散的涂層擴(kuò)散層較厚，按B組參數(shù)進(jìn)行真空擴(kuò)散的涂層擴(kuò)散層厚度適中。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，選定Ⅱ組涂鍍參數(shù)和B 組真空熱處理參數(shù)制備涂層性能試樣，進(jìn)行涂層抗氧化、涂層抗腐蝕性能、涂層結(jié)合強(qiáng)度、涂層力學(xué)性能等測試。

2.3.3 涂層顯微結(jié)構(gòu)及成份分析

從沉積態(tài)涂層的表面和截面形貌及XRD（X 射線衍射）圖譜看到，涂層表面厚度均勻，約為30 μm，涂層與基材之間有一擴(kuò)散層，XRD 相分析中表明涂層主要由γ'-Ni3Al 和富Cr 相（涂層中黑點(diǎn)）組成。

2.3.4 涂層抗氧化性能

穩(wěn)定型冠心病的發(fā)病機(jī)制主要是冠狀動(dòng)脈存在固定狹窄或部分閉塞的基礎(chǔ)上發(fā)生需氧量的增加。其中冠狀動(dòng)脈痙攣和微循環(huán)障礙也參與其中，但穩(wěn)定型心絞痛在一些誘發(fā)因素下可以部分轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定型心絞痛，其主要發(fā)病原因是由穩(wěn)定的斑塊發(fā)生侵蝕或破裂，繼發(fā)血小板聚集，因此穩(wěn)定型心絞痛的抗血小板治療也是必不可少的，有相關(guān)專家就此進(jìn)行論述。

將DZ 125 基體試樣和真空電弧鍍NiCrAlYSi 涂層試樣進(jìn)行恒溫氧化試驗(yàn)和循環(huán)氧化試驗(yàn)，氧化試樣尺寸規(guī)格為10 mm×20 mm×2 mm。

恒溫氧化試驗(yàn)可以記錄涂層和合金在氧化過程中由于氧化膜的生長而發(fā)生的試樣增重的過程。圖2 為合金及涂層樣品在1 100 ℃靜態(tài)空氣中恒溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線。1 100 ℃恒溫氧化過程中，涂層樣品的氧化增重始終低于基體合金，氧化100 h 后，基體合金的氧化增重約為1.87 mg/cm2，涂層樣品的氧化增重1.69 mg/cm2。

圖2 合金及涂層樣品1 100℃空氣中恒溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線

另外從基材和涂層樣品1 100 ℃恒溫氧化100 h 后的宏觀照片可以看出，試樣氧化后，基材和涂層樣品表面氧化皮都有剝落，基材比涂層樣品出現(xiàn)氧化皮剝落的情況更為嚴(yán)重。

對(duì)合金基材1 100 ℃恒溫氧化100 h 后的掃描電鏡表面形貌及相應(yīng)的能譜分析。由表面形貌可知，合金氧化后表面生成的氧化皮出現(xiàn)了開裂剝落，表面由氧化膜嚴(yán)重剝落后形成的凹區(qū)和輕微剝落形成的凸區(qū)組成，從背散射成像，可見凹區(qū)與凸區(qū)的成分是不同的，同時(shí)能譜分析表明，凹區(qū)中的白亮部分為氧化膜完全剝落后露出的基體，凹區(qū)中顏色最暗的部分為上層氧化膜剝落后露出的下層氧化膜Al2O3，輕微剝落區(qū)凸區(qū)為Ni 和Al 等混合氧化物。XRD分析表明氧化膜主要由α-Al2O3、NiAl2O4、HfO2、NiCo2O4組成。

2.3.5 涂層循環(huán)氧化性能

從合金及涂層樣品1 000 ℃空氣中循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)曲線可知，NiCrAlYSi 涂層樣品的氧化增重略高于基材合金樣品。同時(shí)在基材和涂層樣品1 000 ℃循環(huán)氧化100 h 后的表面，肉眼并未觀察到樣品表面氧化膜出現(xiàn)開裂和剝落。

對(duì)合金基材1 000 ℃循環(huán)氧化100 h 后的掃描電鏡表面形貌及相應(yīng)的能譜進(jìn)行分析，可知合金樣品氧化不均勻，氧化后的表面由瘤狀氧化物、平整區(qū)和厚氧化膜區(qū)組成。氧化后樣品的XRD 分析結(jié)果顯示，氧化膜主要由NiO、NiCr2O4、α-Al2O3、HfO2、NiTa2O6組成。

2.3.6 涂層抗腐蝕性能

從合金及涂層樣品表面涂覆75%Na2SO4+25%NaCl 900 ℃腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線可見，在腐蝕過程中基材試樣出現(xiàn)明顯的腐蝕失重，而涂層樣品出現(xiàn)較小的腐蝕增重。從宏觀形貌上可見，基體合金腐蝕嚴(yán)重，表面生成厚而疏松的腐蝕產(chǎn)物，樣品減薄，腐蝕程度隨腐蝕時(shí)間的延長而明顯加劇；涂層樣品只是在孔周圍及棱邊處的局部加速腐蝕，其腐蝕程度隨時(shí)間緩慢加劇，樣品表面基本保持完好。

2.3.7 涂層結(jié)合強(qiáng)度

對(duì)涂層試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。沒有發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散20 h 的NiCr-AlYSi 涂層有明顯的涂層剝落現(xiàn)象。這說明經(jīng)過20 h 的真空擴(kuò)散后，NiCrAlYSi 涂層結(jié)合強(qiáng)度非常高，葉片合金在工作狀態(tài)下，經(jīng)受彎曲變形和熱沖擊時(shí)不容易發(fā)生涂層的剝落。

2.4 涂層對(duì)合金力學(xué)性能的影響

2.4.1 室溫拉伸性能

按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，合金室溫拉伸性能的要求為：σb（抗拉強(qiáng)度）≥980MPa；σ0.2（條件屈服極限）≥820MPa；δ（伸長率）≥5%；Ψ（斷面收縮率）≥5%。從測試結(jié)果見表2，可以看出在修理后，合金室溫拉伸性能有所下降，但仍然符合使用要求。

表2 NiCrAlYSi 涂層對(duì)DZ125 合金室溫拉伸性能的影響

2.4.2 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能

試驗(yàn)設(shè)備：旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)溫度：900 ℃。

試驗(yàn)頻率：5000 rad/min。

應(yīng)力比：R=-1。測試數(shù)據(jù)顯示，修理后合金旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能有所下降，下降比例為17.6%。

2.4.3 持久性能

企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求DZ 125 合金持久性能：試驗(yàn)溫度760 ℃，σ為725 MPa；時(shí)間48 h 時(shí)，δ（%）≤4。

試驗(yàn)溫度980 ℃，σ為235 MPa，時(shí)間為20 h 或時(shí)間≥32 h 時(shí)，δ（%）分別為≤2 和≥10。

修理后，試驗(yàn)溫度760 ℃，σ為725 MPa，時(shí)間48 h 時(shí)，δ（%）為2.4、3.2；試驗(yàn)溫度980 ℃，σ為235 MPa，時(shí)間為20 h 時(shí)，δ（%）為1.6、2.0；37 h 13 min 斷時(shí)δ（%）為24.0，從數(shù)據(jù)可以看出，合金持久性能變化很小，符合使用要求。

3 結(jié)論

研究人員確定了化學(xué)法去除工藝的要求為HNO3400mL/L，HF 25 mL/L，鐵粉4 g/L，水余量，槽液溫度35℃。采用化學(xué)法去除涂層可以滿足設(shè)計(jì)要求。采用該項(xiàng)目真空電弧鍍工藝參數(shù)制備的NiCrAlYSi 涂層的抗氧化、抗腐蝕性能、涂層外觀、合金室溫拉伸和高溫持久性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

化學(xué)法去除涂層可有效規(guī)避機(jī)械加工去除涂層造成的零件超差風(fēng)險(xiǎn)，不需要投入機(jī)加工夾具，同時(shí)，化學(xué)法去除涂層可同時(shí)加工多個(gè)零件，設(shè)備投入少，成本低，過程監(jiān)控簡單，工藝可操作性強(qiáng)。