电弧离子镀NiCoCrAlYTa涂层制备及其高温防护性能研究

2021-10-19黄艳松林松盛代明江郑彩凤云海涛谌曲平汪云程

真空与低温 2021年5期

黄艳松，林松盛，石倩，代明江，郑彩凤，云海涛，谌曲平，汪云程

（1.海军装备部驻长沙地区军事代表室，湖南株洲 412000；2.广东省科学院新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室，广州 5106511；3.中国航发南方工业有限公司，湖南株洲 412000）

0 引言

随着航空工业高速发展，特别是发动机温度的不断提高，对热端部件材料性能的要求越来越高。所需材料既要具有优异的高温力学性能和组织稳定性，又要满足抗高温氧化和热腐蚀性能良好的服役性能，使用一种合金材料同时兼顾这些性能是难以实现的。因此必须在保证高温合金材料具有优良力学性能的前提下，通过表面涂覆防护涂层来提高其抗高温氧化和耐热腐蚀能力，大量研究表明[1-5]，这是一种有效且节能的途径。目前，高温防护涂层技术已逐渐发展成为航空发动机制造中的关键技术之一。

NiCoCrAlYTa涂层因具有优良的抗高温氧化和耐高温腐蚀性能，已成为最常用的高温防护涂层之一。该类涂层最广泛采用的制备方法是热喷涂技术[6-8]；其次是电子束物理气相沉积技术（EBPVD）[9-10]，用EBPVD制备的合金涂层更多地用作热障涂层的合金黏结层，较少单独使用；用电弧离子镀技术制备NiCoCrAlYTa涂层的研究报道不多[11-12]。电弧离子镀是制备高温防护涂层的新兴技术，值得深入研究探讨，用该技术制备的涂层致密细腻、无需后加工。

本试验采用电弧离子镀技术在DZ22B高温合金表面镀NiCoCrAlYTa涂层，并研究NiCoCrAlYTa涂层对基材力学性能的影响和抗高温氧化、耐高温腐蚀性能，为NiCoCrAlYTa涂层的应用积累数据。

1 试验

1.1 试样制备

基体材料为DZ22B高温合金，平面试样镀前用砂纸打磨至表面粗糙度Ra约为0.8 μm，拉伸试样按标准规定制备。采用国产AS700型电弧离子镀设备沉积NiCoCrAlYTa涂层。靶材为NiCoCrAlYTa靶（Co约20 wt%，Cr约20 wt%，Al约10 wt%，Y约1 wt%，Ta约2 wt%，Ni余量），尺寸为D100 mm×30 mm，Ar纯度大于等于99.999%。真空室抽至压力优于5×10-3Pa后，通Ar至约2.0 Pa，利用-1 000 V偏压进行Ar离子轰击30 min，随后沉积NiCoCrAlYTa涂层，沉积工艺为靶电流110 A，偏压-100 V，时间600 min。最后，对涂层进行真空热处理（1 080℃热扩散4 h加870℃时效处理32 h）。

1.2 测试方法

采用Nova NanoSEM 430型超高分辨率场发射扫描电子显微镜观察涂层表面和截面形貌；用Smartlab 9kW型高分辨X射线衍射仪分析涂层物相；用CSS-88500万能试验机检测试样的室温拉伸性能，用RC-1280高温蠕变持久试验机测试试样的高温持久强度；按HB5258-2000[13]进行静态氧化试验，在1 050℃静态空气环境中恒温氧化，试样放置于坩埚中按设定时间（10 h、25 h、50 h、75 h、100 h、150 h和200 h）氧化后连同坩埚一起取出、称重，减去坩埚的质量得到试样氧化后的质量，称重后再放回炉内氧化，直至氧化时间达到200 h。称重设备为德国BS224S型电子天平秤，精确度为0.000 1 g；按HB7740-2004[14]进行燃气热腐蚀试验，分别将基材和涂层试样在试验温度950℃、燃油流量0.2 L/h、盐浓度2.0×10-5（质量分数）、人造海水流量0.2 L/h中试验100 h。

2 结果与分析

2.1 NiCoCrAlYTa涂层结构分析

图1为所沉积的NiCoCrAlYTa涂层及真空热处理后的表面和截面形貌。由图可知，涂层比较致密且与DZ22B高温合金基材结合良好，表面存在少量的聚集态颗粒，涂层厚度达60 μm以上。经真空热处理后涂层更加致密，且因元素互扩散使得涂层与基体有一定的冶金结合，形成良好的过渡区域，界面不明显。

图1 NiCoCrAlYTa涂层表面及截面形貌Fig.1 Surface and section morphology of NiCoCrAlYTa coatings

图2为NiCoCrAlYTa涂层真空热处理前后的XRD衍射图。由图可知，所沉积的NiCoCrAlYTa涂层的主要相组织是 γ′-Ni3Al/γ-Ni，伴有少量的 β-NiAl相。经真空热处理后，涂层中的主相变化不大，有少量的α-Cr新相形成，β-NiAl相峰强稍变弱。这可能是由于真空热处理后，涂层中少量β-NiAl相中的Al元素发生外扩散而形成贫Al的γ′-Ni3Al相所致。

图2 NiCoCrAlYTa涂层热处理前后的XRD图Fig.2 XRD patterns of NiCoCrAlYTa coatings as-deposited and after heat treated

2.2 NiCoCrAlYTa涂层主要性能分析

对DZ22B基体材料和表面镀NiCoCrAlYTa涂层的拉伸试样进行室温拉伸及高温持久试验，结果分别如表1和表2所列。其中DZ22B基材和表面镀NiCoCrAlYTa涂层后室温抗拉强度（σb）均达到1 000 MPa以上，屈服强度（σ0.2）均高于800 MPa，伸长率（δ）均高于8%，满足σb≥965 MPa，σ0.2≥800 MPa，δ≥5%的应用要求。在高温光滑持久强度性能试验中，试验温度为982℃，持久强度（σ）为220 MPa，有无涂层试样的持久试验时间（寿命）均超过35 h，伸长率≥25%，满足持久试验时间≥32 h和伸长率≥10%的应用要求。镀NiCoCrAlYTa涂层对DZ22B材料的室温拉伸性能和高温光滑持久强度性能稍有影响，但比较小，材料的整体性能均能达到应用要求。图3是NiCoCrAlYTa涂层在1 050℃温度下分别氧化50 h、100 h和200 h后的表面和截面形貌。涂层经1 050℃氧化50 h后，表面保持平整致密状态，未出现孔洞和裂纹等缺陷，如图3（a）所示；由截面图3（b）可见，50 h氧化后涂层的最表层形成一层致密的氧化物层（图3（b）中深黑色层），经XRD分析，该层主要是Cr和Al的氧化物，如图4所示，同时，涂层与基材之间的界面比氧化前更模糊了，界面之间的元素互扩散得更多；氧化100 h后，涂层表面可观察到珊瑚虫状的Al、Cr混合氧化物，如图3（c）所示；从截面形貌（图3（d））也可清晰地观察到表面氧化物层的增厚；随着氧化时间延长至200 h，涂层表面反而变得平整了，如图3（e）所示，这是由于涂层表面氧化层剥落而露出了平整的次表层，氧化加深造成的，如图3（f）所示。

表1 DZ22B基材及涂层试样室温拉伸性能Tab.1 Tensile properties of DZ22B and coating samples at room temperature

表2 DZ22B基材及涂层试样982℃光滑持久强度性能Tab.2 Smooth endurance strength properties of DZ22B and coating samples at 982℃

图3 1 050℃下NiCoCrAlYTa涂层氧化不同时间后的表面和截面形貌图Fig.3 Surface and cross-sectional morphology of NiCoCrAlYTa coating at different times of oxidation at 1 050℃

图4 1 050℃NiCoCrAlYTa涂层氧化不同时间的XRD图谱Fig.4 XRD patterns of NiCoCrAlYTa coating at different times of oxidation at 1 050℃

图5是DZ22B基材和镀NiCoCrAlYTa涂层的试样在1 050℃下氧化200 h的动力学曲线。由图可知，DZ22B基材在所有取样时间点的氧化增重均比涂层试样大。计算结果表明，1 050℃恒温氧化200 h过程中，基材DZ22B的平均氧化速度为0.009 67 mg/（cm2·h），NiCoCrAlYTa涂层的平均氧化速度为0.004 39 mg/（cm2·h），镀NiCoCrAlYTa涂层后平均氧化速度降低了50%左右。这主要是由于高温下涂层表面首先形成一层致密的Al和Cr氧化膜，减缓了氧化速度。而随着氧化的进行，表面的氧化层越来越厚，氧化层中的热应力也增大，当应力增长到一定程度后氧化层开裂进而剥落，新露出的表面又被氧化，直至涂层被消耗完而失效。