DZ125合金HY3包覆型涂层退除研究

2019-01-04蔡妍李建平汤智慧牟仁德

装备环境工程 2018年12期

蔡妍，李建平，汤智慧，牟仁德

（1. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京 100095）

DZ125 合金是我国目前性能水平最髙的定向凝固镍基铸造高温合金之一，具有良好的中、高温综合性能及优异的热疲劳性能，适合于制作在1000 ℃以下工作的燃气涡轮转子叶片和1050 ℃以下工作的导向叶片，以及其他高温零件[1]。随着现代航空发动机涡轮技术的不断发展，要求涡轮部件材料能够在更高的温度下工作，为了使 DZ125合金用于涡轮叶片具有更好的综合性能，采用高性能防护涂层是合金在恶劣环境下工作安全可靠的保证[2-4]。

目前常用的涂层是采用真空电弧镀技术制备的第三代高温防护涂层-包覆型涂层。包覆型涂层对于保护涡轮叶片材料，提高合金的抗高温氧化、抗热腐蚀性能起着非常重要的作用[2-6]。在涂层加工、运输和使用中，由于涂层的局部或全部可能受到不同程度的损伤和破坏，导致涂层失效[5]。另外，在运行过程中，叶尖经常与涡轮外环摩擦，导致叶片尖部涂层磨损、腐蚀或者出现微小裂纹[8]。再者叶片在寿命期间经过 2～3次修理，涂层相应需要进行修复[8]。由于高温合金和叶片加工费用昂贵，通过局部或者修复涂层，可延长叶片使用寿命[7]，因此，涂层的修复技术在实际应用中，显得至关重要[7-10]。目前国内外已经开展对于包覆型涂层 HY3去除及再涂覆的研究，但是内容集中于涂层的去除方法以及再涂覆后的性能宏观表征[7-10]，而如何保证完全去除 HY3涂层且对DZ125合金没有影响的技术尚需进一步研究。

文中采用真空电弧镀方法在 DZ125合金上涂覆包覆型涂层 HY3（NiCrAlYSi），采用化学法退除HY3涂层，研究涂层的退除对DZ125合金以及HY3涂层的影响。该研究对于在役叶片（合金为DZ125）包覆型涂层HY3的修复具有重要的指导意义。

1 试验

1.1 涂层制备

采用 DZ125定向凝固镍基高温合金作为基体材料，其名义成分（质量分数）为：Cr 9.4%、Al 5.4%、Co 10.5%、W 7.5%、Mo 2.5%、Hf 1.8%、Ti 1.2%、Ni余量，试样尺寸为30 mm×10 mm×1.5 mm。采用真空电弧镀设备在合金试样上涂覆 20～30 µm 的HY3涂层，然后进行870 ℃/3 h真空扩散处理。

1.2 涂层退除

1）分别配置1#和2#退除溶液，搅拌均匀，待溶液中固体成分完全溶解后放置24 h。退除前对试样进行湿吹砂处理，最大压力为0.3 MPa，清洗、干燥后将DZ125合金试样和带HY3涂层试样放入退除溶液中进行涂层退除处理。

2）在退除过程中，每20 min取出合金/涂层试样进行观察外观、称量分析，直至100 min。为了对比，有两组试样（合金、涂层）采用蜡封试样的 1/2，放在退除溶液一直进行退除。

3）退除溶液由无色完全变成墨绿色甚至黑色时，应该重新配置溶液。退除涂层和合金的试样以表面微显晶为限度，防止出现过腐蚀的现象[9]。

4）退除后采用热着色法检验涂层是否退除完全。将退除后的试样在565～595 ℃下加热1 h，出现蓝色代表涂层退除完成，土黄色或者金黄色代表有涂层残留，然后视情将试样再次放入退除溶液中继续进行涂层退除。具体的方法流程为[7,9-10]：沉积涂层→吹砂→涂蜡→化学溶液退除→拭净→称量→金相。

1.3 性能测试及组织观察

采用数码照相机拍摄试样退除前后的表面状态进行外观对比分析[9]。采用电子分析天平（精度为0.1 mg）BS110S称量计算退除过程中试样的质量变化，从而计算退除速率[9]。采用扫描电子显微镜（SEM,FEI-Quanta 600）分别观察合金、涂层的表面及横截面显微形貌，同时借助能谱仪（EDS, Oxford INCAx-sight 6427）检测相关区域的涂层成分[11]。

2 结果和讨论

2.1 涂层的退除溶液

表1为退除DZ125合金上沉积态HY3涂层的化学溶液。1#溶液为强酸性退除溶液，2#溶液为添加酸性盐的强酸性退除溶液。

表1 HY3涂层退除溶液

选择退除溶液的原则是退除溶液能够退除涂层，并且不损伤合金基体，即合金与涂层的腐蚀速率相差很大。1#溶液中针对涂层铝含量比合金高（涂层中的Al的质量分数为10%～12%，合金为5%～6%）的特点，在合适的温度和溶液浓度下，控制退除溶液的反应活度，从而使得在100 min内，溶液优先与涂层中的保护性涂层元素Al、Cr反应[12]。结合合金、涂层退除后外观、质量变化以及退除后的截面微观分析，1#退除溶液需要大于100 min才能退除涂层。从退除速率比值来看，1#溶液在退除涂层的同时，对合金基本无损伤，因而1#退除溶液更加适合退除涂层。

2.2 涂层退除后形貌

2.2.1 表面形貌

DZ125合金、DZ125+HY3涂层在1#和2#溶液中反应后的外观如图1a—d所示，反应时间分别为20、40、60、80 min。图1e是DZ125合金、DZ125+HY3涂层、DZ125合金（保护1/2）、DZ125+HY3涂层（保护1/2）在两种溶液中反应100 min后的外观。从外观来看，DZ125合金在溶液中反应100 min后，表面无明显侵蚀痕迹。DZ125+HY3涂层试样在溶液中反应100 min后，试样表面呈现均匀灰黑色，无明显腐蚀痕迹。从图5可见，带涂层的试样，被保护的区域，涂层依然存在；未经保护的区域，涂层已经被完全去除。合金试样，保护和没有保护的区域外观基本一致，没有明显差异。

2.2.2 截面形貌

DZ125+HY3涂层试样被保护区域在2#溶液中退除100 min后的截面显微形貌如图2所示。可以看出，反应100 min后，由于保护剂的作用，涂层没有被退除溶液侵蚀，涂层与基体界面完整，涂层表面均匀平整，能谱分析如图3所示。涂层成分依然为NiCrAlYSi（Ni-21.11Cr-8.72Al-Y-0.77Si-2Co），涂层厚度为 22 μm左右。

DZ125+HY3涂层试样未被保护区域在2#溶液中退除100 min后的截面显微形貌如图4所示。从图4可见，在溶液2中反应100 min后，涂层完全被退除，涂层与基体界面完整，合金表面均匀平整。能谱分析如图 5所示，合金成分依然为 DZ125的主要成分（9.99Co-8.91Cr-5.0Al-2.22Mo-3.61Ta-8.47W-3.71C-0.94Ti-Ni余量）。

DZ125+HY3涂层试样保护、未保护的分界点在1#溶液中退除100 min后的截面形貌如图6所示。从图10可见，剩余的涂层为22 μm左右，证明保护剂能够有效保护涂层不被退除溶液侵蚀。左边的区域可见涂层已经完全退除，表明溶液能够在100 min有效全部退除22 μm左右的涂层。

DZ125+HY3涂层试样被保护区域在1#溶液中退除100 min后的截面显微形貌如图7所示。从图7可见，在反应100 min后，由于保护剂的作用，涂层没有被退除溶液侵蚀，涂层与基体界面完整，涂层表面均匀平整。

DZ125+HY3涂层试样未被保护区域在1#溶液中退除100 min后的截面显微形貌如图8所示。从图8可见，在反应100 min后，涂层还有部分未退除，需要延长退除时间方能全部退除涂层。

2.2.3 涂层退除速率

DZ125合金、DZ125+HY3涂层在两种溶液中反应的退除速率如图9所示。

从图9可见，涂层试样在2#溶液中反应很快，反应20 min就减轻了15.746 mg/cm2。随后趋于平缓，在 40、60、80、100 min，质量减轻分别为 15.79、15.86、15.91、15.99 mg/cm2。涂层试样在1#溶液中反应比较平和，呈现抛物线上扬趋势，反应从20～40 min，质量减轻分别为7.823 mg/cm2和 12.80 mg/cm2，在随后的60、80、100 min，减轻速率开始趋于平稳，分别为 15.01、15.75、15.83 mg/cm2。