涡轮叶片NiCoCrAlYTa涂层抗高温氧化和腐蚀性能测试研究

2018-12-18刘德林牟仁德陆峰

装备环境工程 2018年11期

刘德林，牟仁德，陆峰

（北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京 100095）

NiCrAlY涂层的抗氧化和腐蚀作用，是基于在涂层的表面形成致密的Al2O3或Cr2O3氧化膜，这些氧化膜作为氧的障碍层（屏蔽层）而阻止基体进一步氧化或腐蚀[1]。NiCoCrAlYTa涂层是在NiCrAlY的基础上改性而成，通过添加Co、Ta等元素，提高NiCrAlY涂层的抗氧化和抗热腐蚀性能。该涂层塑性极好，具有很强的抗氧化性、抗腐蚀性，适用于海洋环境服役的涡轮机构件[2-4]。文中针对海洋环境服役的某型发动机涡轮叶片，NiCoCrAlYTa涂层的高温氧化和燃气热腐蚀行为进行研究，以保障叶片的安全可靠应用。

1 试验

1.1 材料

涡轮工作叶片基体材料采用DZ22B高温合金，其主要化学成分（质量分数）为：Cr 8.0%～10.0%，Co 9.0%～11.0%，W 11.5%～12.5%，Al 4.75%～5.25%，Ti 1.75%～2.25%，Fe≤0.25%，Nb 0.75%～1.25%，Hf 0.8%～1.1%，B 0.01～0.02%，Ni余量。

由于叶片仅叶身涂覆有 NiCoCrAlYTa涂层，为考察涂层的抗高温氧化和抗燃气热腐蚀性能，需切除无涂层的部分，仅对叶身进行试验。切后的工作叶片试样如图1所示。工作叶片切完后从进气边至排气边四个位置测量高度分别为：38.15、38.12、38.17、38.14 mm，平均值为 38.15 mm。计算出叶身（不含切口端面）面积理论值为1868 mm2。

图1 工作叶片试样

1.2 试验方法与过程

高温氧化试验按HB 5258—2000《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》规定进行，试验温度为1050 ℃。将瓷杯在高温箱式炉中焙烧至恒重为止，叶片试样清洗干净、烘干并置入瓷杯，然后放入DC-B8/11型智能箱式高温炉中进行氧化试验。试验总时间为100 h，分为四个周期，每隔25 h取出试样称量一次。

燃气热腐蚀试验采用RFL-1型腐蚀试验装置、按HB 7740—2004《燃气热腐蚀试验方法》规定进行。试验温度为950 ℃，燃油种类RP-5号，燃油流量为0.2 L/h，油气比为1∶45，海水浓度20 mg/L。试验总时间为100 h，分为100个循环周期，每个循环周期加热55 min，冷却5 min。每25个周期取出试样进行外观检查和质量称量，并记录。

称量采用 BSA224S-CW 型电子天平进行，精度为0.0001 g。试验结束后，沿试样叶身横截面截取金相试样，磨制抛光后采用OLYMPUS PME3型金相显微镜进行观察。

2 结果及分析

2.1 高温氧化试验

经100 h高温氧化试验后，无涂层试样由原始的灰色氧化成蓝灰色，氧化皮分散剥落成斑点状，如图2a所示。带涂层试样由原始的灰色变成灰蓝色，涂层表面未见明显氧化皮剥落，如图2b所示。

叶片试样的氧化试验数据见表1，可见无涂层试样的平均氧化皮剥落量是带涂层试样的10倍左右，且前者的平均氧化速率是后者的近3倍。

100 h氧化试验后，叶片无涂层试样表面可见大量氧化皮剥落形成的凹坑，凹坑最大深度为55 μm左右，且可见形成的氧化物，如图 3a所示。在扫描电镜下可观察到大量块状氧化物，如图3b所示。能谱分析结果表明，氧化物主要为 Al、Cr、W、Ni、Ti的氧化物，如图 3c所示。带涂层试样的涂层基本完好，基体未见氧化特征，涂层表面可见一层致密的氧化膜，如图 4a所示。能谱分析结果表明，氧化膜为Al2O3膜，如图4b所示。

2.2 燃气热腐蚀试验

经100 h燃气热腐蚀试验后，无涂层试样叶身表面腐蚀相对较重，如图5所示。燃气热腐蚀试验数据见表2，无涂层叶片试样的腐蚀速率是带涂层试样的3倍。

100 h燃气热腐蚀试验后，无涂层试样叶身表面可见较多腐蚀坑，其最大深度为 35 μm左右，如图6a所示，在扫描电镜下可观察到表面存在一层几微米厚的腐蚀产物，如图6b所示。能谱分析表明，腐蚀产物主要为Cr、Ni、Ti、Al的氧化物，如图6c所示。带涂层试样的涂层未见剥落，表面可见一层致密的氧化膜，如图 7a所示。能谱分析结果表明，氧化膜为Al2O3膜，如图7b所示。

图2 100 h抗氧化试验后工作叶片试样外观

表1 叶片氧化试验数据

表2 叶片燃气热腐蚀试验数据

图3 100 h抗氧化试验后无涂层试样表面形貌及氧化物能谱分析结果

图4 100 h抗氧化试验后涂层表面氧化膜及能谱分析结果

从上述结果可以看出，有NiCoCrAlYTa涂层的叶片在高温氧化和燃气热腐蚀条件下，由于较高的氧分压和Al元素的选择性优先氧化，使涂层表面迅速形成一层保护性的、以 Al2O3为主的氧化膜[5-7]。涂层中的 Ta主要是起提高 Al的活度，促进 Al2O3氧化膜形成，使氧化膜细腻和致密的作用[8]。涂层中加入微量 Y可以钉扎氧化物提高涂层性能[9-10]。综合这些因素，涂层在经过长时间高温氧化和燃气热腐蚀后仍能形成完整的 Al2O3膜，从而起到较好的保护作用。