镍基高温合金陶瓷涂料的制备和性能

　　摘要：以 Cr2O3 以粉末、玻璃材料和粘土为原料，涂在镍基上

　　高温合金 GH44 热化学反应法用于表面 1050℃保温 10min，高温陶瓷涂温陶瓷涂层。扫描电镜和 X 射线衍射分析了高温陶瓷涂层的表面、截面形状和相位组成，测试了镍基合金的抗热冲击、抗氧化和高温疲劳。结果表明，陶瓷涂层结构致密，与基体结合牢固，抗热震性能好。镍基合金涂有陶瓷层的高温抗氧化性能高于基体6 其高温疲劳性能显著提高。

　　关键词:镍基高温合金；陶瓷涂层；抗热震；抗氧化；高温疲劳

　　镍基高温合金因其良好的高温性能而广泛应用于航天、航空和船舶 特别是在航空发动机的涡轮盘、叶片等热端部件中。向更高推重 先进航空发动机的发展需要耐热、耐高温氧化腐蚀等 性能要求高，简单的镍基高温合金已不能满足其使用要求。行之有 有效的方法是在接近材料温度上限时，在镍基高温合金表面涂上防护涂层 [1-5]。在金属材料表面涂上陶瓷层的方法可以制备金属强度和韧性 该方法已成功应用于耐高温、耐磨、耐腐蚀的复合材料 [6]航空、化工、机械等领域。

　　陶瓷涂层的制备方法包括气相沉积、热喷涂、溶胶凝胶和热化学反应 热化学反应法工艺简单，操作方便，成本低 性强等优点。镍基高温合金采用热化学反应法 GH44 制备陶瓷涂料表面 比较镍基高温合金高温氧化腐蚀和热疲劳引起的发动机涡轮机 磁盘和叶片损伤失效的影响。研究结果表明，涂层与基体结合良好 该层能大大提高高温合金的热震稳定性和抗氧化性，提高其高温疲劳性能。

　　1 实验

　　1.1 料浆制备

　　陶瓷涂层由玻璃、氧化铬粉和粘土组成，其主要原料的质量分为 数：玻璃料 66.7%氧化铬粉 28.5%，黏土 4.8%。氧化铬粉和熔化玻璃的原料 均为沈阳国药集团化学试剂有限公司生产的分析纯试剂。 合试剂有限公司。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%。机械混合均匀后，将上述比例的原材料放置在刚度 在高温炉内的玉坩埚中 1380~1400℃熔制 2h，玻璃经水淬、干燥、破碎而成 璃粉。将称重玻璃、氧化铬粉和粘土放入聚氨酯球磨罐中，加入玛瑙球， 以水为助磨剂，球墨80~1000h之后，悬浊液通过 270 筛选，取筛下物陈腐 7d 以 使用前调整料浆密度 1.75~1.95g/mL 备用。

　　1.2 制备陶瓷涂料

　　上海荷花牌采用冷喷涂 2A 型喷枪，以空气为载气，压力大 0.3MPa，控制喷嘴与基体之间的距离 150mm。将准备好的料浆均匀涂抹在经络上 无油无污染镍基高温过预处理(包括研磨、碱洗、酸洗、超声波洗涤等。 金 GH44 喷涂厚度约为基材表面 100μm。室温下喷涂样品自然阴干 后来在电热鼓风干燥箱中 120℃干燥 0.5~1.0h。高温炉内有干燥样品 1050℃焙 烧 10min 将炉子冷却至室温，取出后进行相关性能测试。

　　1.3 涂层表征于性能检测

　　1.3.1 陶瓷涂层微结构及物相分析

　　用场发射扫描电镜检测涂层的表面形状和界面组合，检测涂层

　　质量。采用 X 分析陶瓷涂层的物相组成。

　　1.3.2 陶瓷涂层的热震稳定性

　　涂层的抗热震性能采用急冷急热法检测。具体检验步骤如下：将样品放在高位

　　温炉内于 1000℃加热 15min，取出冷水冷却。这种加热、冷却循环，记录样品涂层的外观与基体的结合。

　　1.3.3 陶瓷涂层抗氧化性能试验

　　氧化增重试样的抗氧化性能。涂有防护涂层和无涂层样品

　　在空气氛围中，放置在高温炉中 1000℃焙烧 100h，高精度电子天平测量烘焙

　　样品燃烧前后的质量变化。根据氧化前后样品质量的变化Δm、总面积 A 以及氧化

　　时间 t 计算样品的氧化速率 v，表示涂层的抗氧化性。氧化速率计算公式如下：

　　1.3.4 测试陶瓷涂层的高温疲劳性能

　　(1)在自制非标准设备疲劳试验机上进行振动疲劳试验，测试温度 850℃，

　　振幅±4mm。样品的一端固定在高温夹具上，另一端固定在偏心转轴承的外环上

　　动机转动后产生一定的振幅，样品承受等幅反复弯曲，直到叶片因疲劳而开裂

　　其固有频率下降 1%时，系统自动停机，测量和控制疲劳失效前的循环次数

　　数。

　　(2)自制非标设置热疲劳试验机进行热疲劳检测。850℃下加热 55s、

　　水冷5s这样循环150次，测量试样裂纹的长度。

　　2 结果与讨论

　　2.1 陶瓷涂层微结构及物相分析

　　图 1a、1b 扫描电镜的照片分别是涂层表面和截面。由图 1 涂层表面可见

　　结构致密均匀，无明显裂纹、孔洞等缺陷；涂层与基体明显相交

　　界面错误，结合良好，有利于提高涂层与基体的结合强度。

　　图 1 镍基陶瓷涂层的表面和截面形状

　　高温烧结陶瓷涂层 XRD 测试结果见图 2。体层中的主要物相可见

　　玻璃相、Cr2O3和 SiO还有少量 BaAl2O4、CaSi2O5和 Al2SiO5。图 2 表面，

　　涂层中的相关材料在烧结过程中发生了更复杂的物理化学反应。涂层中新物

　　相的产生有利于提高涂层的密实度和涂层与基体的结合强度

　　的作用。

　　2.2 陶瓷涂层的热震稳定性

　　测试了陶瓷涂层的热震稳定性 5 每个样品重复组 10

　　二次冷热循环。结果表明，涂层、脱落等明显损伤与基体粘附牢固

　　表面状态良好的固体。良好的热震稳定性表明烧结涂层接近基体的膨胀系数

　　涂层与基体的结合强度较高。根据分析，浆料中的主要原料 Cr2O3.热膨胀系数

　　与金属基体的热膨胀系数相匹配，降低了冷热循环的热应力。料浆中的

　　玻璃在高温下熔化，产生液相，降低涂层孔隙率，增加金属密度

　　基体表面形成致密的液相附着层，解决了冷却过程中金属基体收缩大的问题

　　剥离问题。此外，根据相关文献[9]，涂层在高温下烘烤

　　雨基体发生物理化学反应，产生中间层，中间层的热膨胀系数高于涂层本身

　　加 热膨胀系数接近基体的15%~25%，更有利于缓冲热应力。以上因素

　　涂层在急冷急热条件下的抗热震性能有所提高，不易开裂脱落。

　　2.3 陶瓷涂层的抗氧化性

　　无涂层试样抗氧化试验结果如表所示 1 所示。

　　表 1 抗氧化试验结果

　　从以上试验结果可以看出：GH44 陶瓷涂层后，材料的抗氧化性相对于

　　基体提高了 6 倍以上。对于无涂层样品，金属基体直接接触高温空气

　　表面金属原子与氧快速氧化反应。对于涂层样品，致密陶瓷涂料

　　层将空气与基体隔离，增加氧气的扩散阻力，阻碍氧气向基体扩散

　　大大延迟了试验的氧化速度。

　　2.4 陶瓷涂层的高温疲劳性能

　　镍基 GH44 陶瓷涂热疲劳性能试验结果如表所示 2、表

　　3 所示。可见镍基合金涂陶瓷涂层后，其高温疲劳性能明显优于基材。

　　一般认为，材料在高温循环作用下的损伤主要是由时间相关的蠕变损伤和循环造成的

　　由于镍基高温合金、环相关疲劳损伤和氧化损伤的共同作用 GH44

　　蠕变阻力高，蠕变损伤不是其断裂的主要因素[11]。因此，循环相

　　关的疲劳损伤 ui 氧化损伤的交互作用是导致样品最终断裂的主要因素

　　原因。

　　当材料在高温环境下承受疲劳载荷时，氧化对裂纹的萌生和扩展机制和疲劳寿命

　　生活对[12]有显著影响。在高温下，金属材料的强度通常会随着温度的升高而下降

　　氧化在损伤过程中起着关键作用，由于循环载荷和疲劳损伤而形成的氧化膜

　　反向滑移和损伤会导致裂纹从氧化裂纹中萌生并生长到基体中。金

　　热裂纹的出现包括妊娠期、萌生期和扩展期，伴随着热裂纹的萌生和扩展

　　氧化损伤缩短了裂纹的妊娠期，促进了裂纹进入裂纹

　　相反，裂纹的萌生加剧了样品表面的氧化损伤，促进了裂纹的形成。

　　结合涂层样品的热震稳定性和抗氧化试验结果，涂层样品具有良好的热量

　　因此，镍基高温合金可以在一定程度上大大提高振动稳定性和抗氧化性GH44

　　高温疲劳性能。

　　3 结论

　　(1)以质量分数为准 28.5%的 Cr2O玻璃材料3粉，66.7% 粘土成分4.8%

　　高温合金镍基高温合金 GH44 高温烘烤热化基材表面

　　结构致密法可密，结合良好的陶瓷涂层，有效地阻挡高温环境

　　与金属基体的直接接触降低了基体的氧化速度，其抗氧化性能高于基体 6

　　倍以上。

　　(2)涂层中的 Cr2O3.玻璃材料能有效调节涂层的热膨胀系数，保证镍基高

　　温合金 GH44 陶瓷涂层具有良好的热震稳定性。

　　(3)镍基高温合金涂有陶瓷涂层 GH44 具有良好的抗氧化性和热性

　　因此，能有效抑制裂纹的产生，具有良好的高温疲劳性能。

　　(3)镍基高温合金涂有陶瓷涂层 GH44 具有良好的抗氧化性和热性

　　因此，能有效抑制裂纹的产生，具有良好的高温疲劳性能。

　　参考文献：

　　[1] 欧桃平，操光辉。Ni-Al 基层涂层具有抗氧化性能的制备工艺[J]中国有色金属学

　　报，2012，22（6）：1725-1730．

　　[2] GLEESON B．Thermal barrier coatings for aeroengineapplications [J]．Journal of

　　Propulsion and Power，2006，22（2）：375-383．

　　[3] 沈明礼、朱圣龙、王福会、镍基高温合金双层搪瓷陶瓷复合涂层 1000℃氧

　　化机理[J]腐蚀科学与防护技术，2012年24日(1)

　　[4] 陶春虎，蔡妍，陆峰，等．GH3030 合金 NiCrAlYSi 涂层的高温防护性能[J]．材

　　2010年43日材料保护:56-58.

　　[5] SIDHU T S，PRAKASH S，AGRAWAL R D．Hot corrosion studies ofHV

　　OF

　　sprayed Cr3C2-NiCr and Ni-20Cr coatings onnickel-based superalloyat

　　900℃[J]．Surface and Coatings Technology，2006年(3/4):792-800