1Cr11Ni2W2MoV钢表面涂层强化技术浅析

2019-11-25刘风坤

中国设备工程 2019年21期

刘风坤

（贵阳职业技术学院，贵州贵阳 550081）

1Cr11Ni2W2MoV钢又称961不锈钢，是前苏联于20世纪50年代研发的一种热强型马氏体不锈钢。该钢种具有较高的蠕变极限、室温拉伸强度及持久强度，同时兼具较好的冷热加工工艺性能和优良的抗氧化性能，被广泛地用于制造服役温度在600℃以下的航空发动机压气机叶片、压气机轮盘、机匣、螺栓、轴等重要部件。由于航空发动机中零部件的工作环境极为苛刻，因此使用1Cr11Ni2W2MoV钢制造相关零部件时，需要对其进行表面强化处理来提高零件的表面完整性，增强零件的强度、韧性、耐磨性以及防氧化、腐蚀的性能。

表面涂层强化技术是指采用一定的工艺或技术，在材料表面施加一层厚度较薄的涂层，以提高材料的抗氧化、抗腐蚀性能，进而增强材料高温持久强度和疲劳寿命的一种强化方法。1Cr11Ni2W2MoV钢制航空发动机叶片工作在高温、高压、高转速的环境中，这种服役环境下，叶片表面受到夹杂硬颗粒、具有腐蚀性气体的冲刷，极易被氧化腐蚀，从而在叶片表面产生疲劳裂纹，最终发生断裂。采用表面涂层强化技术为1Cr11Ni2W2MoV钢制叶片施加相应的涂层可以有效提高叶片的高温抗氧化腐蚀的能力，从而提高叶片的高温持久强度和疲劳寿命，提升叶片的可靠性和服役时间，减少航空发动机的维护成本。

1 涂层强化技术的机理

1Cr11Ni2W2MoV钢制航空发动机压气机叶片的表面涂层强化通常是采用一定的工艺在零件表面施加氮化钛铝涂层。（Ti，Al）N涂层在高温下（超过600℃）经过若干小时的氧化后，会在表面会形成一层致密、完整的Al2O3氧化膜，该氧化膜是一层保护膜，可以有效地阻碍氧化反应的进一步发生，保护内层的基体材料。

金属在高温氧化环境中必然会发生氧化反应：

但不同金属形成氧化物MxOy的热力学稳定性不同。热力学稳定性好的金属氧化物在氧化气氛中优先氧化，且热稳定性好，不易发生分解。从Ellingham图中可以看出Al元素与O元素形成氧化物的热力学稳定性高于Fe元素与O元素形成氧化物的热力学稳定性，因此，从热力学的角度来看，Al元素和O元素形成的氧化物，可以保护Fe元素不被氧化。

氧化膜的致密性和完整性是评价其抗氧化性的重要标志。PBR是评判氧化膜致密性的有效指标。

式中，VOX为氧化物的体积，VM为金属原子的体积，A为金属的原子量，dM为金属的密度，M为氧化物的分子量，n为氧化物中金属原子数目，dOX为氧化物的密度。

PBR＜1时形成的金属氧化物不能完全将金属表面覆盖，起不到抗氧化作用；PBR＞1时形成的金属氧化物与基体的体积比太大，氧化膜中会存在过大的内应力，氧化膜与基体结合不牢，容易脱落，起不到抗氧化作用；只有当PBR≈1（略大于1）时才能形成致密的、完整的氧化膜，起到抗氧化作用。α-Al3O2的PBR值为1.28，适合作为保护性氧化膜。

Al2O3的蒸气压较低，容易被环境中的气压超越，受到氧分压的影响小，不易发生升华或分解，氧化膜的稳定性较好。Al2O3氧化膜的扩散系数也较低，金属原子及氧原子通过Al2O3氧化膜的难度大，也使进一步发生氧化反应变的困难。此外，Al2O3的熔点高达2040℃。这些特性都使Al2O3氧化膜具备了良好的抗氧化保护性。

采用电弧离子镀技术在1Cr11Ni2W2MoV钢零件表面沉积的（Ti，Al）N涂层，在高温时不仅可以起到抗氧化腐蚀效果，而且与基体的结合性能良好，服役时不易开裂、脱落，能有效提高零件服役时的疲劳寿命和持久强度。

2 涂层强化技术的应用

从施加（Ti，Al）N涂层和未施加涂层的1Cr11Ni2W2MoV钢制零件的高温拉伸性能、高温持久性能、疲劳性能实验来看，施加的（Ti，Al）N涂层对零件的高温拉伸性能没有太大影响，而对零件的高温持久性能和疲劳性能均有较大幅度的提升。

采用表面涂层对1Cr11Ni2W2MoV钢制零件进行强化时，涂层具备抗热腐蚀和高温氧化性能，其作用是保护基体合金不被氧化腐蚀，而材料的结构强度还是由基体来承担。因此，施加涂层后材料的拉伸强度基本不受影响。但涂层自身的特性以及涂层与基体的结合力和相容性成为涂层能否有效实现抗氧化性能提高疲劳寿命的关键。电弧离子镀技术是物理气相沉积（PVD）的一种，是在基体材料表面沉积涂层的同时，利用电弧放电释放出来的荷能离子对涂层材料进行轰击改性的沉积技术。该工艺技术能够有效改变涂层镀膜的组织结构，改善涂层性能，提高涂层与基体的结合力。

对于施加了涂层的零件在高温下工作时，由于涂层和基体合金的热膨胀系数有较大的差异，在二者结合面处会产生较大的热应力，造成涂层的开裂和脱落，影响涂层的抗氧化效果。采用电弧离子镀技术可以在基体合金表面沉积一层具有梯度功能的涂层，该涂层能够有效地减少热应力，增强涂层与基体的结合力。梯度涂层是指涂层材料的组分按照一定规律呈梯度渐变，从而使涂层的微结构及某些物理特性也按照一定的规律渐变。比如，最内层涂层材料的热导率接近基体材料的热导率，之后由内层向外层涂层材料的热导率，按照一定的规律连续变化。通过这种方法设计涂层可以实现热应力的合理分布，满足涂层设计功能的目的。

纳米材料由于具有大的体积百分数界面和特殊的结构（三叉晶界数量高），使得其延性大大增强，裂纹的形核和扩展速率大大降低。除此之外，纳米材料的热膨胀系数比普通材料的高出一倍，这使得纳米涂层材料比普通涂层材料更接近基体合金的热导率。这一性质也有利于缓解涂层的热应力，增强涂层与基体的结合力。

近年来，有研究利用电弧离子镀技术将梯度功能材料与纳米材料的概念结合起来，制备出了梯度纳米（Ti，Al）N涂层，将其沉积在1Cr11Ni2W2MoV钢的表面。该涂层同时具备了梯度涂层和纳米涂层的优点，更好地保护基体材料，使其免受高温氧化的侵蚀，提高零件的疲劳寿命。

3 涂层强化技术的效果

李明升等研究了（Ti，Al）N涂层对1Cr11Ni2W2MoV钢制零件力学性能的影响，发现沉积了氮化钛铝涂层的1Cr11Ni2W2MoV钢制零件，其高温拉伸强度没有太大变化，而高温持久强度与常温旋转弯曲疲劳强度显著增强。

首先，涂层的厚度很薄，材料的拉伸强度主要依靠基体来承担；其次，从相关实验的断口分析中，发现涂层中的裂纹也没有向基体扩展的趋势。因此，涂层沉积前后，涂层对1Cr11Ni2W2MoV钢的高温拉伸性能基本上没有影响。

相对于拉伸强度而言，持久强度和疲劳强度则需要材料在较低的载荷下，服役更长的时间，来考察材料的持久性能和疲劳性能。因此，高温持久强度与常温旋转弯曲疲劳强度对材料的表面状态有着更高的要求。

在1Cr11Ni2W2MoV钢表面利用电弧离子镀技术沉积的梯度纳米（Ti，Al）N涂层，一方面，对于涂层本身的强度而言，使得高温工作状态下，涂层与基体材料具有非常强的结合力；纳米结构使涂层本身在强度、韧性和塑性上有了很大提高，阻碍了涂层内裂纹的形核率和生长速度。另一方面，涂层具有的纳米结构，可以使涂层中的Al选择性氧化，增大Al2O3的形核速率，生产更加致密的Al2O3膜。与此同时，涂层在高温下还会发生氮化物的分解和氮元素的扩散，使得N2富集于Al2O3的生成的界面处，降低该出的氧分压，使生成氧化膜的稳定性更好，极大地增强了抗氧化效果。