Ni合金表面耐氧化腐蚀涂层制备研究进展

（辽宁轨道交通职业学院，辽宁 沈阳 110023）

广泛用于制造航空航天发动机，各类燃气轮机热端部件，如涡轮部件的燃烧室部件，工作叶片，涡轮盘等的镍基合金是一种比较常见的高温合金。由于这些零部件长期服役在高温高应力的工作环境下，工作环境较为复杂苛刻，因此这些部件应同时具有较高的热强性及良好的抗高温耐腐蚀性能，但是对于同一高温合金来说，在很多时候同时满足这两方面是矛盾的，如Ni合金：Cr元素是高温合金中抗热腐蚀性能较好的合金元素，其耐蚀性随着Cr含量的增加而急剧增强[1]，通常镍基合金中，当Cr的含量大于20 wt%时，镍合金表面能够形成连续致密稳定的钝化膜[2]，但由于高强度镍基合金中所含有的Cr、Al、Mo等合金元素含量过高时会形成有害的σ相（Cr,Mo)x(Ni,Co)y，另一方面虽然Al元素能够有效提高合金的抗高温氧化性能，但只有当Al含量大于15wt%时，高温环境下合金表面才能形成连续致密的Al2O3氧化膜，但当添加的Al含量过高时，合金的塑性必然会不断下降，从而降低了合金的力学性能和加工工艺性能。所以工程上通常采用在合金表面制备一层防护涂层来提高其抗高温氧化能力[3]。

因此对能够提高这些零部件的使用寿命和工作温度的高温防护涂层的研究具有十分重要的意义。故本文对国内外学者于镍合金表面耐氧化腐蚀涂层的制备方式及效果加以总结。

1 镍合金表面耐氧化腐蚀涂层制备方式及效果

1.1 磁控溅射法

李美妲[4]等人通过磁控溅射的方法在镍基单晶高温合金上沉积制备出NiCrAlY涂层,并研究了真空热处理对涂层组织结构及其抗氧化性能的影响。研究结果显示：真空热处理后，通过溅射所得的NiCrAlY涂层表面生成了具有优良抗氧化腐蚀性能的α-Al2O3。在1000℃温度下氧化200 h,涂层表面的氧化铝膜大部分剥落,但通过真空热处理后的涂层表面氧化膜却仍然牢固地粘附在基体表面。真空热处理使得溅射NiCrAlY涂层表面生成的氧化膜的粘附性更强,从而大大提高了溅射NiCrAlY涂层的抗氧化性能。

付广艳[5]同样采用磁控溅射的工艺方法在镍合金表面制备了铝涂层，并在600℃温度下对涂层进行真空扩散退火处理及预氧化处理，并研究了处理后的涂层在1100℃高温下的抗氧化性能。研究结果显示，铝涂层在一定程度上提高了Ni基合金的抗氧化性能及耐腐蚀性能。

1.2 料浆法

杨世伟[6]等人采用料浆法在DZ4镍基高温合金表面“二次”制备Al-Si涂层,其根据GB/T13303-91对DZ4合金的料浆渗铝硅试样进行了1100℃下300小时的抗高温氧化实验。为了便于比较,对无防护处理的DZ4合金也进行了同环境下的氧化实验。

结果表明，DZ4合金渗Al-Si涂层的氧化动力学曲线基本上遵循抛物线规律,其抗氧化性及耐腐蚀性能均能明显要优于无防护涂层的DZ4合金。

1.3 热喷涂法

罗顺等[7]采用低压等离子喷涂的工艺方法在镍基单晶高温合金表面制备了NiCoCrAlYTa涂层，研究结果显示，Ni、Cr、Al和 Co 主 要 以 β-NiAl、γ ′ -Ni3Al、γ-Ni及CrCoTa等金属间化合物的形式均匀分布在涂层中，涂层与基体材料的界面处形成了Ni、Cr、Al和Co元素的浓度梯度，喷涂有涂层的镍合金的高温抗氧化性能明显优于无防护处理的镍基单晶高温合金。

田素贵[8]等通过对有无NiCrAlY涂层的镍基单晶合金进行了不同温度下的恒温氧化动力学曲线测定并对高温氧化后镍合金的组织结构进行了观察，并研究了NiCrAlY纳米晶涂层对高Cr含量的单晶Ni基合金的高温氧化行为的影响。结果表明：在高温氧化过程中，无防护涂层的试样有明显氧化腐蚀现象发生、同时产生了内氧化及内氮化，高Cr含量的单晶合金经溅射NiCrAlY纳米晶涂层后，其抗氧化腐蚀性能得到大大提高；溅射有防护涂层的试样在不同温度的恒温氧化动力学曲线仅仅在氧化初期有轻微增重，之后便趋于平稳，其表面形成的氧化铝膜连续致密，只有在近涂层与基体的界面处存在少量AlN内氮化物。另外，还有一些学者[9]对NiCrAl合金涂层进行了试验研究。

1.4 电弧离子镀及粉末包埋法

李艳琼等[10]采用电弧离子镀及粉末包埋的联合工艺在镍基合金表面制备了Al-Cr复合涂层,并利用粉末包埋法在基体表面制备单一渗Al涂层作为对比，作者对两种涂层的组织结构及成分进行了分析,研究了镍基合金表面Al-Cr复合涂层及单一Al层在1000和1100℃下的恒温氧化行为。结果显示:复合涂层可以明显提高基体合金的抗氧化腐蚀性能，且远优于单一渗Al层。这是因为Al-Cr涂层在氧化过程中出现了Cr(W)析出带，进而阻碍了涂层中铝元素向基体方向的扩散，减缓了涂层的失效速度，另外Cr元素还可以促进Al的选择性氧化，提高涂层的自修复能力。

2 结论

虽已有不少学者采用各种技术手段在Ni基合金上制备防护涂层以提高其抗高温氧化及腐蚀能力，然而对于涂层在高温氧化腐蚀环境下作用于基体的防护机理方面的研究却较少，有必要在今后的研究中对此加以深入系统的分析，以便为防护涂层的应用提供更为有效的理论依据。

[1]董秀哲,赵先存.镍-铬系列耐蚀合金研究[J].钢铁研究总院学报,1984,4(1):1-5.

[2]A.Pardo,E.Otero,M.C.Merino,M.D.Lopez.The influence of Cr addition on the corrosionresistance of Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu in marine environments[J].Corri.Sci,2002,44:1193-1211.

[3]Sun K N,Wang F P,Cao Y.A Study of the properties of hot-dipped aluminum coating[J].MaterialsScience&Technolo gy,2002,10(2):193-195.

[4]李美妲，张重远，孙晓峰等.真空热处理对镍基单晶高温合金溅射NiCrAlY涂层抗氧化性能的影响[J].中国腐蚀与防护学报，2002,22(3):153-156.

[5]付广艳，俞立艳，武永昭，等.Al涂层对Ni基合金高温氧化性能的影响[J].沈阳工业大学学报，2016,38(4):397-402.

[6]杨世伟，张志明，潘健全等.镍基高温合金渗Al-Si涂层抗高温氧化性能研究[J].材料热处理，2007,36(20):59-61.

[7]罗顺，刘立斌，陈和兴等.低压等离子喷涂NiCoCrAlYTa涂层微观结构及抗氧化性能[J].热加工工艺，2009,38(14):109.

[8]田素贵，卢旭东，王涛，等.NiCrAlY涂层对单晶镍基合金高温氧化行为的影响[J].材料热处理学报，2011,32(11):109-116.

[9]Mahesh R A,Jayaganthan R,Prakash S.High temperature oxidation studies on HVOF sprayed NiCrAl coatings on superalloys[J].Surface Engineering,2011,27(5):332-339.

[10]吴多利，姜肃猛，范其香等.镍基高温合金Al-Cr涂层的恒温氧化行为[J].金属学报，2014,50(10):1170-1178.