激光预加工对铝化物渗层低温成形工艺的影响

张现虎，张平，叶展，樊宇

（1.兖矿东华重工有限公司 煤机装备制造分公司，山东 邹城 273500；2.中国矿业大学 材料与物理学院，江苏 徐州 221116；3.张化机（苏州）重装有限公司，江苏 苏州 215634）

镍基高温合金是目前在役的综合性能最优良的高温金属结构材料，被广泛应用于航空发动机及燃气轮机等热端部件。为了这些热端部件能长期承受高温氧化和燃气腐蚀，需要在其表面施加保护涂层[1]。铝化物涂层广泛应用于镍基高温合金的表面防护，该类涂层包括简单铝化物涂层和改性铝化物涂层两种。前者是在高温合金基体上单一渗Al 所得到的涂层，具有良好的抗氧化性能，但其抗热腐蚀能力欠佳[2]。改性铝化物涂层是在简单铝化物涂层中加入少量Si，Cr，Co，Pt 或稀土等元素[3—10]，可明显提高涂层的抗氧化性能和抗热腐蚀性能。

固体粉末包埋渗法是镍基高温合金表面铝化物涂层及改性铝化物涂层最常见的制备方法[3,7—10]，该方法实质是一种原位化学气相沉积技术，被渗元素在基体表面形成涂层的过程，大多受扩散过程所控制。扩散激活能Q与温度T是决定扩散系数D的相关因素，存在Arrhenins 关系，即D=D0×exp(−Q/RT)。目前常规的包埋渗过程主要依靠单纯的热（温度）扩散。由于扩散激活能Q太大，因此，大多需要经过高温、长时间的加热保温处理，而这会导致基体材料形成粗晶组织，降低其力学性能。

表面微/纳米化技术是采用非平衡处理的方法，增加材料表面的自由能，使粗晶组织逐渐细化成细晶甚至纳米晶[11—12]。细晶/纳米晶组织中，晶界的体积分数明显增大，为原子扩散提供了理想的通道，因此更容易进行化学热处理[13]。文中主要目的为：①在镍基高温合金表面制备Co-Si-Y 联合改性铝化物渗层；② 在保证获得具有优化组织结构渗层的基础上，验证通过激光熔凝预处理来对合金表面晶粒进行细化从而降低涂层制备温度的可行性。

1 试验

选用K4169 镍基高温合金为基体材料，采用线切割方法制备 20 mm×20 mm×5 mm 的试样，用80#～1000#的SiC 水砂纸依次对其打磨，并用无水乙醇进行超声波清洗后吹干；采用4 kW 半导体激光器对试样表面进行激光熔凝处理，工艺参数为：扫描速度为500 mm/min，重叠率为50%，束斑直径为4 mm，扫描功率为900 W。

铝化物渗层制备是在高温箱式炉中进行。渗剂组成为 15Co-10Si-10Al-2Y2O3-5NaF-58Al2O3（质量分数），混合后经过了4 h 的球磨细化。试验时将合金试样埋入装有渗剂的刚玉坩埚中，盖好盖子后用高温粘结剂密封。为对比激光熔凝预处理前后对合金表面改性铝化物渗层制备工艺的影响，合金试样分别在900 ℃和1050 ℃下进行5 h 的Co-Si-Al-Y 共渗处理，升温速率约为8 ℃/min。

用金相显微镜观察激光熔凝处理前后的合金组织形貌，用X 射线衍射仪（XRD,Bruke D8）确定渗层的相组成，通过扫描电镜（SEM，JSM-6460）及能谱仪（EDS）、电子探针（EPMA，EPMA-8500A）及波谱仪（WDS）观察涂层的组织形貌并确定微区成分组成及分布。

2 结果与分析

2.1 激光熔凝显微组织

图1a—b 分别给出了镍基高温合金试样激光熔凝处理前后表层截面的金相组织。可见，经激光熔凝处理后，合金试样表面晶粒尺寸明显得到细化，且由外到内依次为晶粒细化区、过渡区及原始晶粒区。激光熔凝本质上是一种快速凝固技术，利用高能激光束使合金表面区域快速熔化，并在高的温度梯度作用下快速凝固，从而使合金表面获得细晶组织[14]。合金表面晶粒细化后，单位体积内的晶界数量增多，为被渗原子的扩散提供了通道，可起到催渗的作用[15]。

图1 K4169 镍基高温合金试样激光熔凝前后表层的金相照片Fig.1 Metallographic images of surface layer of K4169 nickel base superalloy before and after laser remelting

2.2 激光熔凝处理对渗层制备工艺的影响

图2 不同工艺条件下制备的改性铝化物渗层表面XRD 图谱Fig.2 Surface XRD patterns of the modified aluminide coatings prepared at 900 ℃/5 h (a),1050 ℃/5 h(b) and 900 ℃/5 h after laser remelting pretreatment (c)

图2 所示分别为镍基高温合金表面900 ℃/5 h（见图2(a)），1050 ℃/5 h（见图2(b)）及经激光熔凝预处理后900 ℃/5 h（见图2(c)）所制备的Co-Si-Y 改性铝化物渗层的表面XRD 图谱。可知，不同状态下所制备的渗层外部具有相同的组成相，即NiAl 相；没有出现Co 或Si 的晶体相衍射峰，这说明Co 和Si在渗层中的存在形式是固溶态。此外，XRD 图谱中还出现了Al2O3的衍射峰，这可能是残余渗剂在试样表面的粘附造成的或者是由于渗层外扩散生长机制导致渗剂中Al2O3颗粒被包裹其中。综上所述，文中激光熔凝处理及渗层制备温度对渗层表层的组成相影响不大。

镍基高温合金表面900 ℃/5 h，1050 ℃/5 h 及经激光熔凝预处理后900 ℃/5 h 所制备的Co-Si-Y 改性铝化物渗层的横截面金相组织见图3。可知，合金表面经900 ℃/5 h 所制备的渗层厚度约为60 μm，远低于经1050 ℃/5 h 所制备的渗层厚度（150 μm），可见渗层制备温度对渗层的厚度影响显著；但合金经激光熔凝预处理后，其表面经900 ℃/5 h 所制备的渗层厚度约为140 μm，这与未预处理合金的经1050 ℃/5 h所制备的渗层厚度相当。激光熔凝处理使合金表面层的组织细化，形成了大量的晶界和晶体缺陷，为原子扩散提供了快速通道，降低了扩散激活能，使原子在相对较低的温度下扩散成为可能。由此可见，激光熔凝预处理可有效降低合金表面铝化物渗层的制备温度，减轻渗层制备时的高温长时处理对基体合金力学性能的影响。

图3 不同工艺条件下制备的改性铝化物渗层金相照片Fig.3 Metallographic images of the modified aluminide coating prepared at 900 ℃/5 h (a),1050 ℃/5 h (b) and 900 ℃/5 h after laser remelting pretreatment (c)

图4 不同工艺条件下制备的改性铝化物渗层横截面背散射像及元素分析Fig.4 Cross section BSE images and element mapping of the modified aluminide coatings prepared at 1050 ℃/5 h(a) and 900 ℃/5 h after laser remelting (b)

镍基高温合金经1050 ℃/5 h 及经激光熔凝预处理后900 ℃/5 h 所制备的Co-Si-Y 改性铝化物渗层的横截面BSE 像及元素面分布情况见图4。可见，两渗层具有相似的组织结构，都由3 层组成。由图4 可知，渗层外层主要由Co，Al，Ni 和Fe 元素组成，结合表面XRD 图谱分析结果（见图2b—c），可知该层为NiAl。NiAl 相中的部分Ni 被Co 和Fe 所取代。渗层中间层主要由Al，Si，Ni，Cr 和Fe 元素组成，经EDS 成分分析结果表明，该层也主要由NiAl 相组成，NiAl 相中的部分Ni 被Cr 和Fe 所取代，Si 在其中的原子数分数约为1.2%。渗层内层为典型的互扩散区，该互扩散区的生成说明渗层形成过程中存在基体元素Ni，Cr，Fe 的外扩散现象。

3 结论

镍基高温合金经激光熔凝处理后表层晶粒出现明显细化。激光熔凝处理及渗层制备温度对渗层表层的组成相没有影响，但对渗层厚度影响显著。合金经激光熔凝预处理后，其表面经900 ℃/5 h 所制备的渗层与未预处理合金的经1050 ℃/5 h 所制备的渗层厚度及组织结构相似，由此可见，激光熔凝预处理可有效降低合金表面铝化物渗层的制备温度，减轻渗层制备时的高温长时处理对基体合金力学性能的影响。