高參數汽輪機部件CoCrWSi系 涂層制備及性能研究

曹曉英 王偉 張建普

摘要：采用超音速火焰噴涂工藝制備CoCrWSi系高溫抗氧化涂層，并對噴涂態涂層金相組織、顯微硬度、結合強度、開裂韌性等性能進行分析。通過長時靜態氧化、熱震試驗考核涂層高溫抗氧化性能，采用掃描電鏡（SEM）分析了涂層截面形貌及化學成分變化，探討了抗氧化涂層的氧化過程與防護原理。試驗結果表明：CoCrWSi系抗氧化涂層均勻致密，孔隙率小于1%，顯微硬度達543～705 HV0.3，結合強度平均值達81.75 MPa。在200 h高溫靜態氧化和熱震試驗條件下，涂層僅有輕微氧化，涂層與基體無分離;氧化物由沿晶粒表面向晶粒內部逐漸包覆氧化，對基體表面起到了有效的防護作用，為630 ℃及更高溫度等級汽輪機部件高溫抗氧化防護提供了新的解決方案。

關鍵詞：汽輪機;超音速火焰噴涂;抗高溫氧化;涂層;熱震

中圖分類號：TG457.2? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）01-0073-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.11

0? ? 前言

隨著620 ℃超超臨界高參數大功率火電機組的投運，應用于汽輪機高溫部件的金屬材料要求具有優異的熱強性能、抗高溫腐蝕、抗氧化等綜合性能[1]。650 ℃、700 ℃溫度等級已經達到耐熱鋼的使用溫度極限，長時服役會加速高溫材料表面氧化，國內外學者主要通過優化材料成分開發新型耐熱鋼材料，以期提升耐熱材料的抗高溫氧化性能，但是效果有限。相比傳統的新材料開發工藝，在耐熱鋼表面制備涂層可以獲得相比基體材料更好的高溫抗氧化性能。因此，在保證高溫耐熱合金具有優良力學性能的前提下，制備抗氧化防護涂層成為改善合金抗高溫氧化性能、降低材料成本的有效途徑[1]。由于Co、Cr元素具有較好的抗高溫氧化特性，文中采用超音速火焰噴涂工藝制備CoCrWSi系抗氧化涂層，并對涂層組織、熱性能等方面進行研究，探索抗氧化涂層的防護原理，為提升超超臨界火電機組高溫部件材料的使用壽命提供解決方案。

1 試驗方法

本試驗采用超音速火焰噴涂工藝方法制備CoCrWSi系高溫抗氧化涂層，在10Cr9Mo1VNb（試樣規格φ25.4×5 mm）耐熱鋼基體表面制備涂層，噴涂粉末成分及特性見表1。噴涂前對基體進行除油處理，然后進行噴砂活化處理，采用進口超音速火焰噴涂系統制備涂層。對噴涂態涂層進行金相組織、結合強度、開裂韌性等性能分析，對比了噴涂態、靜態氧化、熱震試驗后的涂層顯微硬度、成分差異。涂層性能測試參數如表2所示。

2 結果與分析

2.1 涂層金相組織

采用超音速火焰噴涂工藝方法制備的CoCrWSi系涂層組織均勻，100×視場范圍內無裂紋等缺陷（見圖1），涂層內部為層狀結構[2]，粉末顆粒熔化充分，孔隙率小于1%，界面夾砂率小于10%。

2.2 顯微硬度

測試噴涂態、靜態氧化、熱震后涂層及基體的顯微硬度，顯微硬度值見表3，硬度變化趨勢見圖2。由表3可知，超音速火焰噴涂工藝對基體硬度無影響，范圍值約為197～208 HV0.3，經過靜態氧化和熱震的基體硬度略微降低，范圍值為170～178 HV0.3，涂層平均硬度值分別增加126 HV0.3和207 HV0.3，可能是涂層在高溫氧化和激冷激熱條件下，涂層呈燒結狀態而脆化使硬度略有提高。

2.3 涂層開裂韌性

開裂韌性反映了涂層內部韌性及開裂敏感性，開裂韌性值越高則涂層韌性越好。試驗采用壓痕法測試涂層開裂韌性，載荷5 kg，保持10 s，計算公式見圖3，開裂韌性測試值見表4，典型壓痕金相組織見圖4。由圖3可知，5 kg載荷條件下，壓痕的最大裂紋與最小裂紋長度越接近，計算所得開裂韌性值越高。由表4可知，涂層韌性較好，開裂韌性值范圍為3.96～5.02 MPam1/2，平均值達到4.7 MPam1/2。

2.4 涂層結合強度

根據ASTMC633標準，對噴涂態涂層試片進行結合強度試驗，粘結劑選用E7環氧樹脂膠，100 ℃固化4 h。結合強度測試前、后外觀見圖5，測試值見表5。由圖5可知，件1～件3涂層斷開位置為涂層橫、縱向層間，件4涂層斷開位置為涂層內部層間斷開，結合強度值反映了涂層內部結合力。由表5可知，膠的結合強度達到93 MPa，涂層結合強度值均大于75 MPa，平均值達到81.75 MPa。

2.5 涂層靜態氧化性能

在630 ℃條件下，將噴涂態涂層放置加熱爐中（空氣氣氛）保溫200 h，完成靜態氧化過程。并對氧化后的涂層進行金相組織分析，采用掃描電鏡觀察涂層截面組織，分析測試元素成分含量。

2.5.1 金相組織

靜態氧化200 h后的涂層截面金相組織如圖6所示。可以看出，與噴涂態涂層組織相比，涂層出現了輕微的氧化（灰色區域），涂層內部半熔融顆粒輪廓逐漸清晰，灰色組織已開始在顆粒周圍形成，涂層與基體界面結合良好。

2.5.2 掃描電鏡分析

涂層氧化區域金相組織如圖6所示，靜態氧化200 h后的涂層SEM截面微觀組織及涂層元素成分EDS圖譜如圖7所示，元素含量如表6所示。由圖7可知，由于界面處存在氧化，所以涂層與基體界面有明顯的界線。由元素能譜圖和表6可知，微區2（灰色區域）檢測到O元素，表明此灰色組織為氧化物。在微區1（白色區域）未檢測到O元素，表明氧化過程為由半熔融顆粒表面向顆粒內部逐漸包覆氧化，與晶界是氧快速擴散通道[3-4]類似，顆粒邊界是一種缺陷[2]，也是氧的快速擴散通道，可以預測，隨時間的推移，涂層內的金屬元素將被消耗完全形成金屬氧化物，而氧化物為脆硬相，相互間結合力極其弱，則涂層被逐漸剝離消耗完全而失效。因此，制備涂層能有效延緩基體的使用壽命。

2.6 涂層熱震性能

為考核涂層在更加惡劣的熱力學工況下的服役壽命，采用熱震方式使涂層在激冷激熱的條件下加速涂層失效，試驗條件為630 ℃，保溫5 min，水淬，試驗過程循環進行100次。

2.6.1 金相組織

100次循環熱震試驗后的涂層截面金相組織如圖8所示。由圖8可知，與噴涂態、靜態氧化態涂層組織相比較，涂層僅出現輕微的氧化（灰色區域），涂層內部半熔融顆粒輪廓逐漸清晰，氧化層開始在未熔顆粒周圍形成，未見裂紋產生。不同的是，雖然涂層內部結合良好，涂層與基體界面出現深灰色的條狀物，但未見涂層與基體分離。

2.6.2 掃描電鏡分析

熱震后的涂層進行了微區1、微區2、微區3（見圖8）形貌觀察和成分分析，100次熱震試驗后的涂層SEM截面微觀組織如圖9所示，元素含量如表7所示。由圖9可知，經過苛刻的熱震試驗，涂層內部結合良好，無裂紋，熱震后涂層內部的氧含量與靜態氧化的涂層內部氧含量相當，表明涂層高溫熱穩定性能好;涂層與基體界面出現了材料的缺失，但是涂層與基體未見分離，界面氧化物含量是涂層內部的2倍，界面氧化速率也是涂層內部的2倍。在極端苛刻的條件下，由于涂層與基體的結構及線膨脹系數的差異，界面應力集中，是最薄弱位置，生成的氧化膜受力時自界面開始剝落[5]，在界面處出現灰色缺失的條帶，界面抗氧化能力較差，在極端惡劣的條件下，基體-涂層的界面是涂層最先失效的部位。

3 結論

（1）超音速火焰噴涂制備的抗氧化涂層組織致密，孔隙率小于1%，顯微硬度達543～743 HV0.3，結合強度大于75 MPa，開裂韌性平均值達到4.7 MPam1/2。

（2）涂層經靜態氧化和熱震試驗后，CoCrWSi系涂層內部無裂紋，熱穩定性好，氧化過程為未熔顆粒邊界包覆氧化。

（3）經靜態氧化和熱震后的涂層內部，氧化速率相當，涂層表現出優異的高溫穩定性。

（4）苛刻的熱震試驗表明，CoCrWSi系涂層界面氧化速率是涂層內部氧化速率的2倍，涂層與基體的結構及線膨脹系數差異大，界面是薄弱位置，預期會是涂層最先失效的部位。

參考文獻：

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