铼镍合金涡轮叶片的等离子耐热涂层

2015-02-02郭亚丽

中国新技术新产品 2015年3期

郭亚丽

（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司数据中心，辽宁沈阳 110043）

目前，含铼的高温铸造镍合金是制造各类燃气轮机工作叶片最有前景的结构材料。叶片使用过程中为了降低耐热合金表面的氧化速度并保证合金工作叶片叶身承力截面有足够的面积，长久以来一直采用各种类型的渗铝防护层。但是，根据国外的经验，在高温作用下耐热涂层元素的构成导致了铝涂层下含Re成分超过3-5%的合金表层中出现次反应区。而次反应区厚度有限的等离子高温铝涂层是否能用于含铼高温合金涡轮工作叶片则是本文研究的重点。

一、研究用的方法

按照ГOCT6130-71进行等离子涂层的特性研究。真空退火后和空气中高温试验后在光学显微镜下分析涂层的微观结构，并用JCMA-733分析涂层的元素组成，用有单能铜射线的X光衍射仪分析复合隔离层的相构成。当图像的对比度可以确定时即可在“COMPO”状态下用光谱分析仪分析涂层的组织。此时，原子质量的平均值越大则研究的相位微观结构图片就越亮。1000℃下500小时内，在ZST2/3-BNЭT设备上确定高温合金持久强度特性，并研究样件在空气中氧化且质量发生变化后涂层的耐热性。

二、研究和讨论的结果

含铼高温合金耐热涂层的初选要根据等温耐热性实验的结果来进行。用金相分析法评价试验后次级反应区的扩散状况和涂层的状态。

如果合金与涂层边界处的次反应区厚度小，则存在或实心的或断续的链条，外观类似碳化物。耐热试验后研究涂层和次反应区的平均成份，以及磨片上不同相位的元素组成。因为显示相中铼的含量很高，可以推测出涂层中有铼基固体溶液颗粒。涂层下还析出了形状和成份都很均匀的ТПУ相，但是铬的含量非常高。在涂层和次级反应区由于初始反应区的不同以及少量的圆形ТПУ相杂质而分得非常清。高温下长期氧化后有不同耐热合金普遍特性的铝涂层扩散反应区内有杂质。铝涂层与机体的扩散作用所产生的这些杂质是高温长时间氧化后各类高温合金的典型特征。涂层下扩散作用区的显微组织是含铼高温合金的典型特征，既次反应区存在个别“舌”状物，从表面向100μm处或更深处延伸。研究表明该涂层在1100℃氧化500小时后次反应区发展最慢。尽管在宽度小于100μm的涂层下在膜片区ТПУ相的析出不同，但是应该指出的是只有在（H1+C2H2）+H1+A涂层下没发现有含铼超过50%的相。

综上，在分析过的合金中次反应区中厚度最小是带（Me+C2H2）型等离子隔离层的涂层。因为以Me-Cr-Al-Y系合金为基础的多成分镍合金隔离以前从来没有分析过。只对它们的特性做了一些研究。这些涂层是等离子过程不同工艺参数的ЖС36样件，类似于耐热复合隔离层。

沉积后在1000℃下做4小时热处理。

在随后的真空热处理或底板电势增加过程中，涂层也随之被加热，（Y+Y’）相的均匀性和顺序性增加，并且图表上出现与碳化物和氮化物相对应的峰值。应该指出的是在零电势并有乙炔和氮时得到的涂层的显微硬度比同样的材料在真空中得到的显微硬度高1.5-2倍。这也证明此时涂层中存在硬度较大的金属化合物颗粒。但是由于这些颗粒分散程度大，用相分析法很难发现它们。因此工作中使用的隔离层是高温金属阴模和非金属夹渣构成的复合材料。

为了分析次反映区的形成特点还对涂层与含铬和钽氧化物复合隔离层（厚10μm）扩散作用进行了研究，以及对ЖС36合金在1150℃空中氧化50小时后的涂层（厚50μm）进行了研究。经过一段时间的高温后涂层下形成的次反映区比在ЖС47合金上涂的ЖС36 H1+A涂层下的次反映区形成速度更快。实际上同样材料的带有隔离层的ЖС36合金涂层完全没有次反映区。这就证明了次反映区的形成与在铸造结晶枝状组织和铸件结晶形成过程中耐热合金成分中金属铼的析出有关。因为在ЖС36合金的喷涂状态中有尺寸为几微米的晶粒，它们可以保证涂层元素的高度均一性。扩散区域结构的微小变化在含有钽氧化物的隔离层涂层下也同样发生。高温实验的结果显示，为了抑制次反映区的形成可以采用与被保护层同样材料的耐热合金中间等离子层，还可以使用专用合金复合隔离层，该合金采用了比铬的碳化物更稳定的碳化物元素。可见，隔离层的选择应该按照涡轮叶片的使用条件来确定，特别是燃气轮机的规定工作寿命，叶身表面的温度，热交换的强度等等。

研究了带（H1+C2H2）+H1+A涂层的耐热合金样件的耐热程度并确定了其寿命。显然，在结构中加入阻碍次反映区发展的复合隔离层即等离子涂层提高了ЖС32批产合金样件的寿命，但并没降低ЖС36和ЖС47在1000℃时所保证的持久强度特性。此时涂层的耐热性不低于冷凝-扩散涂层的耐热性。

应该指出的是，在研究与带（H1+C2H2）+H1+A涂层的ЖС47合金成份相近的合金抗疲劳性时，该特性并没有表现出降低。