鎳基高溫合金陶瓷涂料的制備和性能

　　摘要：以 Cr2O3 以粉末、玻璃材料和粘土為原料，涂在鎳基上

　　高溫合金 GH44 熱化學反應法用于表面 1050℃保溫 10min，高溫陶瓷涂溫陶瓷涂層。掃描電鏡和 X 射線衍射分析了高溫陶瓷涂層的表面、截面形狀和相位組成，測試了鎳基合金的抗熱沖擊、抗氧化和高溫疲勞。結果表明，陶瓷涂層結構致密，與基體結合牢固，抗熱震性能好。鎳基合金涂有陶瓷層的高溫抗氧化性能高于基體6 其高溫疲勞性能顯著提高。

　　關鍵詞:鎳基高溫合金；陶瓷涂層；抗熱震；抗氧化；高溫疲勞

　　鎳基高溫合金因其良好的高溫性能而廣泛應用于航天、航空和船舶 特別是在航空發動機的渦輪盤、葉片等熱端部件中。向更高推重 先進航空發動機的發展需要耐熱、耐高溫氧化腐蝕等 性能要求高，簡單的鎳基高溫合金已不能滿足其使用要求。行之有 有效的方法是在接近材料溫度上限時，在鎳基高溫合金表面涂上防護涂層 [1-5]。在金屬材料表面涂上陶瓷層的方法可以制備金屬強度和韌性 該方法已成功應用于耐高溫、耐磨、耐腐蝕的復合材料 [6]航空、化工、機械等領域。

　　陶瓷涂層的制備方法包括氣相沉積、熱噴涂、溶膠凝膠和熱化學反應 熱化學反應法工藝簡單，操作方便，成本低 性強等優點。鎳基高溫合金采用熱化學反應法 GH44 制備陶瓷涂料表面 比較鎳基高溫合金高溫氧化腐蝕和熱疲勞引起的發動機渦輪機 磁盤和葉片損傷失效的影響。研究結果表明，涂層與基體結合良好 該層能大大提高高溫合金的熱震穩定性和抗氧化性，提高其高溫疲勞性能。

　　1 實驗

　　1.1 料漿制備

　　陶瓷涂層由玻璃、氧化鉻粉和粘土組成，其主要原料的質量分為 數：玻璃料 66.7%氧化鉻粉 28.5%，黏土 4.8%。氧化鉻粉和熔化玻璃的原料 均為沈陽國藥集團化學試劑有限公司生產的分析純試劑。 合試劑有限公司。玻璃材料主要由：SiO2 40.0%，BaO 42.3%，CaO 4.0%，ZnO 4.7%，TiO2 3.0%，B2O3 6.0%。機械混合均勻后，將上述比例的原材料放置在剛度 在高溫爐內的玉坩堝中 1380~1400℃熔制 2h，玻璃經水淬、干燥、破碎而成 璃粉。將稱重玻璃、氧化鉻粉和粘土放入聚氨酯球磨罐中，加入瑪瑙球， 以水為助磨劑，球墨80~1000h之后，懸濁液通過 270 篩選，取篩下物陳腐 7d 以 使用前調整料漿密度 1.75~1.95g/mL 備用。

　　1.2 制備陶瓷涂料

　　上海荷花牌采用冷噴涂 2A 型噴槍，以空氣為載氣，壓力大 0.3MPa，控制噴嘴與基體之間的距離 150mm。將準備好的料漿均勻涂抹在經絡上 無油無污染鎳基高溫過預處理(包括研磨、堿洗、酸洗、超聲波洗滌等。 金 GH44 噴涂厚度約為基材表面 100μm。室溫下噴涂樣品自然陰干 后來在電熱鼓風干燥箱中 120℃干燥 0.5~1.0h。高溫爐內有干燥樣品 1050℃焙 燒 10min 將爐子冷卻至室溫，取出后進行相關性能測試。

　　1.3 涂層表征于性能檢測

　　1.3.1 陶瓷涂層微結構及物相分析

　　用場發射掃描電鏡檢測涂層的表面形狀和界面組合，檢測涂層

　　質量。采用 X 分析陶瓷涂層的物相組成。

　　1.3.2 陶瓷涂層的熱震穩定性

　　涂層的抗熱震性能采用急冷急熱法檢測。具體檢驗步驟如下：將樣品放在高位

　　溫爐內于 1000℃加熱 15min，取出冷水冷卻。這種加熱、冷卻循環，記錄樣品涂層的外觀與基體的結合。

　　1.3.3 陶瓷涂層抗氧化性能試驗

　　氧化增重試樣的抗氧化性能。涂有防護涂層和無涂層樣品

　　在空氣氛圍中，放置在高溫爐中 1000℃焙燒 100h，高精度電子天平測量烘焙

　　樣品燃燒前后的質量變化。根據氧化前后樣品質量的變化Δm、總面積 A 以及氧化

　　時間 t 計算樣品的氧化速率 v，表示涂層的抗氧化性。氧化速率計算公式如下：

　　1.3.4 測試陶瓷涂層的高溫疲勞性能

　　(1)在自制非標準設備疲勞試驗機上進行振動疲勞試驗，測試溫度 850℃，

　　振幅±4mm。樣品的一端固定在高溫夾具上，另一端固定在偏心轉軸承的外環上

　　動機轉動后產生一定的振幅，樣品承受等幅反復彎曲，直到葉片因疲勞而開裂

　　其固有頻率下降 1%時，系統自動停機，測量和控制疲勞失效前的循環次數

　　數。

　　(2)自制非標設置熱疲勞試驗機進行熱疲勞檢測。850℃下加熱 55s、

　　水冷5s這樣循環150次，測量試樣裂紋的長度。

　　2 結果與討論

　　2.1 陶瓷涂層微結構及物相分析

　　圖 1a、1b 掃描電鏡的照片分別是涂層表面和截面。由圖 1 涂層表面可見

　　結構致密均勻，無明顯裂紋、孔洞等缺陷；涂層與基體明顯相交

　　界面錯誤，結合良好，有利于提高涂層與基體的結合強度。

　　圖 1 鎳基陶瓷涂層的表面和截面形狀

　　高溫燒結陶瓷涂層 XRD 測試結果見圖 2。體層中的主要物相可見

　　玻璃相、Cr2O3和 SiO還有少量 BaAl2O4、CaSi2O5和 Al2SiO5。圖 2 表面，

　　涂層中的相關材料在燒結過程中發生了更復雜的物理化學反應。涂層中新物

　　相的產生有利于提高涂層的密實度和涂層與基體的結合強度

　　的作用。

　　2.2 陶瓷涂層的熱震穩定性

　　測試了陶瓷涂層的熱震穩定性 5 每個樣品重復組 10

　　二次冷熱循環。結果表明，涂層、脫落等明顯損傷與基體粘附牢固

　　表面狀態良好的固體。良好的熱震穩定性表明燒結涂層接近基體的膨脹系數

　　涂層與基體的結合強度較高。根據分析，漿料中的主要原料 Cr2O3.熱膨脹系數

　　與金屬基體的熱膨脹系數相匹配，降低了冷熱循環的熱應力。料漿中的

　　玻璃在高溫下熔化，產生液相，降低涂層孔隙率，增加金屬密度

　　基體表面形成致密的液相附著層，解決了冷卻過程中金屬基體收縮大的問題

　　剝離問題。此外，根據相關文獻[9]，涂層在高溫下烘烤

　　雨基體發生物理化學反應，產生中間層，中間層的熱膨脹系數高于涂層本身

　　加 熱膨脹系數接近基體的15%~25%，更有利于緩沖熱應力。以上因素

　　涂層在急冷急熱條件下的抗熱震性能有所提高，不易開裂脫落。

　　2.3 陶瓷涂層的抗氧化性

　　無涂層試樣抗氧化試驗結果如表所示 1 所示。

　　表 1 抗氧化試驗結果

　　從以上試驗結果可以看出：GH44 陶瓷涂層后，材料的抗氧化性相對于

　　基體提高了 6 倍以上。對于無涂層樣品，金屬基體直接接觸高溫空氣

　　表面金屬原子與氧快速氧化反應。對于涂層樣品，致密陶瓷涂料

　　層將空氣與基體隔離，增加氧氣的擴散阻力，阻礙氧氣向基體擴散

　　大大延遲了試驗的氧化速度。

　　2.4 陶瓷涂層的高溫疲勞性能

　　鎳基 GH44 陶瓷涂熱疲勞性能試驗結果如表所示 2、表

　　3 所示。可見鎳基合金涂陶瓷涂層后，其高溫疲勞性能明顯優于基材。

　　一般認為，材料在高溫循環作用下的損傷主要是由時間相關的蠕變損傷和循環造成的

　　由于鎳基高溫合金、環相關疲勞損傷和氧化損傷的共同作用 GH44

　　蠕變阻力高，蠕變損傷不是其斷裂的主要因素[11]。因此，循環相

　　關的疲勞損傷 ui 氧化損傷的交互作用是導致樣品最終斷裂的主要因素

　　原因。

　　當材料在高溫環境下承受疲勞載荷時，氧化對裂紋的萌生和擴展機制和疲勞壽命

　　生活對[12]有顯著影響。在高溫下，金屬材料的強度通常會隨著溫度的升高而下降

　　氧化在損傷過程中起著關鍵作用，由于循環載荷和疲勞損傷而形成的氧化膜

　　反向滑移和損傷會導致裂紋從氧化裂紋中萌生并生長到基體中。金

　　熱裂紋的出現包括妊娠期、萌生期和擴展期，伴隨著熱裂紋的萌生和擴展

　　氧化損傷縮短了裂紋的妊娠期，促進了裂紋進入裂紋

　　相反，裂紋的萌生加劇了樣品表面的氧化損傷，促進了裂紋的形成。

　　結合涂層樣品的熱震穩定性和抗氧化試驗結果，涂層樣品具有良好的熱量

　　因此，鎳基高溫合金可以在一定程度上大大提高振動穩定性和抗氧化性GH44

　　高溫疲勞性能。

　　3 結論

　　(1)以質量分數為準 28.5%的 Cr2O玻璃材料3粉，66.7% 粘土成分4.8%

　　高溫合金鎳基高溫合金 GH44 高溫烘烤熱化基材表面

　　結構致密法可密，結合良好的陶瓷涂層，有效地阻擋高溫環境

　　與金屬基體的直接接觸降低了基體的氧化速度，其抗氧化性能高于基體 6

　　倍以上。

　　(2)涂層中的 Cr2O3.玻璃材料能有效調節涂層的熱膨脹系數，保證鎳基高

　　溫合金 GH44 陶瓷涂層具有良好的熱震穩定性。

　　(3)鎳基高溫合金涂有陶瓷涂層 GH44 具有良好的抗氧化性和熱性

　　因此，能有效抑制裂紋的產生，具有良好的高溫疲勞性能。

　　(3)鎳基高溫合金涂有陶瓷涂層 GH44 具有良好的抗氧化性和熱性

　　因此，能有效抑制裂紋的產生，具有良好的高溫疲勞性能。

　　參考文獻：

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　　化機理[J]腐蝕科學與防護技術，2012年24日(1)

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