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GH710合金Al-Si滲層制備及燃氣熱腐蝕性能研究

2022-03-03 16:10:18 作者：熱處理生態(tài)圈來源：熱處理生態(tài)圈分享至：

1.序言

GH710合金是以Ni-Cr-Co為基的沉淀強化型難變形高溫合金，在900℃以上具有較高的抗拉強度、良好的高溫持久和抗蠕變性能，可在760～950℃使用，是目前實用性變形高溫合金服役溫度和綜合力學(xué)性能水平最高的合金之一。該合金在20世紀80年代中期研制而成，應(yīng)用于整體葉盤結(jié)構(gòu)。在海洋環(huán)境服役過程中，由于工況環(huán)境較為惡劣，故零件表面易產(chǎn)生沿晶溝壑。經(jīng)分析，零件失效在長期高溫服役工況下，近海海洋環(huán)境會促進晶界腐蝕。為延長零件的使用壽命，普遍采用表面改性的方法來提高熱端部件材料的高溫防護性能。采用料漿法制備A1-Si滲層，由于其工藝簡單、價格低廉，因此得到了廣泛應(yīng)用。

本文以GH710合金為基體，采用料漿滲技術(shù)在基體上制備Al-Si滲層，并對該滲層在900℃下的燃氣熱腐蝕行為進行研究。

2.試驗方法

試驗用材料為GH710鎳基高溫合金，其主要化學(xué)成分見表1。

熱處理狀態(tài)為兩次固溶+兩次時效處理，

即一次固溶（1170±10）℃×4h，空冷；

二次固溶（1080±1 0）℃×4 h，空冷；

一次時效（845±1 0）℃×24h，空冷；

二次時效（760±10）℃×16h，空冷。

采用料漿滲技術(shù)制備Al-Si滲層，料漿成分由金屬滲劑（Al粉和Si粉）、填充劑（Ni粉）和黏結(jié)劑（磷酸鹽、鉻酸鹽）組成。滲層制備工藝：涂料在使用前使用攪拌機搖勻，基體使用130# 剛玉砂進行吹砂以活化表面。用噴槍在距離試樣10～20cm 處噴涂Al-Si涂料，自然表干，重復(fù)2次50～90μm后在烘箱中進行（80±5）℃下烘30min，隨爐升至（340±5）℃后保溫30min的固化工藝。為保證GH710合金零件性能，依據(jù)GH710合金特點，通常其擴散溫度采用固溶+時效或時效制度進行，選取兩種推薦制度對試樣進行擴散處理，擴散工藝見表2。

擴散處理后吹砂去除表面黑色顆粒。滲制和擴散過程都是在高純氬氣氛中進行，防止?jié)B層出現(xiàn)氧化。

為摸索擴散處理對材料性能的影響，對經(jīng)隨爐處理的性能試樣按HB 5423—1989《航空用 GH710合金餅坯鍛件》進行常溫拉伸和高溫持久（980℃/120MPa，30h）試驗。按照HB 7740—2017《燃氣熱腐蝕試驗方法》對GH710合金基體和滲層進行燃氣熱腐蝕試驗。試驗溫度為900℃，時長100h，航空燃油流量0.2L/h，人造海水流量0.2L/h，油氣比為1:45。燃氣熱腐蝕試驗每組選取5個試樣，每隔25h對試樣進行堿洗稱重，測定腐蝕速率。

試驗結(jié)束后，使用光學(xué)顯微鏡對滲層及合金晶界進行顯微觀察。

3.試驗與分析

3.1 擴散處理對合金力學(xué)性能的影響

隨爐擴散的性能試樣按照HB 5423—1989進行力學(xué)性能測試，結(jié)果見表3。

由表3中數(shù)據(jù)可見，兩種擴散工藝制度對合金的力學(xué)性能無影響，采用固溶+時效及時效制度擴散的GH710合金力學(xué)性能均合格。

3.2 滲層顯微組織

經(jīng)料漿滲技術(shù)處理后，對工藝方案A擴散的試樣進行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)擴散后組織呈柱狀晶結(jié)構(gòu) （見圖1a），滲層深度63.19μm，整體滲層深度40 ～70μm。局部有漏滲現(xiàn)象（見圖1b），

分析原因為涂層噴涂固化后在1080℃擴散處理加熱過程中涂層剝落所致。部分滲層與基體界面過渡區(qū)出現(xiàn)“針狀”組織（見圖1c）

圖1 工藝A葉片滲層組織形貌

疑似為片狀σ相，對性能會造成不良影響。“針狀”組織的出現(xiàn)，與高溫情況下滲層與基體元素濃度差異造成基體元素偏析有關(guān)。

工藝方案B經(jīng)擴散處理后，葉片滲層較為平整光滑，滲層形貌呈典型滲Al-Si結(jié)構(gòu)（見圖2），滲層厚度20～30μm，呈分層形態(tài)。

從圖2可看出，滲層界面由外至內(nèi)依次為表面Al-Si疏松滲層（見圖2中a區(qū)域）、內(nèi)側(cè)Al-Si致密滲層（見圖2中b區(qū)域）和Ni-Al互擴散層（見圖2中c區(qū)域）。

表面Al-Si疏松滲層，由于元素沉積致使該層以Al元素為主，內(nèi)側(cè) Al-Si滲層致密平整，擴散層主要由Ni、Al與基體連接，擴散層起到良好的支撐過渡作用。

3.3 滲層抗熱腐蝕性能分析

由于工藝方案A擴散處理后出現(xiàn)欠滲及“針狀”微觀組織等問題，故該參數(shù)不推薦應(yīng)用在實際零件生產(chǎn)。經(jīng)分析，出現(xiàn)欠滲問題主要是因為噴涂層經(jīng)340℃固化后，由于采用到溫入爐方式擴散處理，涂層溫升速度過快，使熱膨脹系數(shù)與基體差異較大，導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)剝落。“針狀”組織主要是因1080℃高溫狀態(tài)下滲層與基體元素濃度差異而造成基體元素偏析。工藝方案B擴散處理的滲層組織致密均勻，建議推薦該參數(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)。因此，對工藝方案 B擴散處理的滲層開展抗燃氣熱腐蝕性能研究。GH710合金未經(jīng)熱擴散處理試樣（即兩次固溶 +兩次時效處理）和采用工藝方案B擴散處理試樣均經(jīng)過900℃、100h燃氣熱腐蝕試驗后，GH710合金和滲層試樣的燃氣腐蝕速率見表4。

由表4可見，經(jīng) Al-Si共滲處理后的GH710合金抗燃氣熱腐蝕性能有所提高，滲層和基體腐蝕速率在同一數(shù)量級。

對兩種抗燃氣熱腐蝕試樣進行顯微觀察，試樣腐蝕形貌如圖3所示。

圖3 試樣腐蝕形貌

GH710合金試樣腐蝕較為嚴重，基體表面形成一層疏松腐蝕層，在含SO3和氧的環(huán)境中，GH710合金發(fā)生熱腐蝕，先是孕育期，隨后加速腐蝕，最后發(fā)生孔腐蝕，腐蝕元素已沿晶界進一步向基體內(nèi)部擴散的趨勢。Al-Si滲層試樣保持較為完整，滲層外表面出現(xiàn)較薄的一層腐蝕層，滲層較為平整光滑，未發(fā)現(xiàn)腐蝕坑等缺陷，說明滲層能夠提高GH710合金的抗燃氣熱腐蝕性能。滲層中Si元素有效地提高滲層與基體的結(jié)合力，防止?jié)B層剝落。Al-Si滲層在模擬熱腐蝕環(huán)境中，在表面首先形成了致密的Al2O3膜，不僅提高了合金的抗高溫氧化能力，還形成了抗腐蝕能力好的化合物層，阻滯了腐蝕元素向內(nèi)部擴散，防止了合金發(fā)生孔蝕，提高了合金的抗燃氣熱腐蝕能力。

4.結(jié)束語

1）經(jīng)845℃×24h/氬冷+760℃×16h/氬冷擴散處理，可使GH710合金得到20～30μm深的均勻滲層。

2）經(jīng)900℃、100h燃氣熱腐蝕試驗，Al-Si滲層可提高GH710合金抗燃氣熱腐蝕性能。

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