镍基高温合金溅射NiCrALY涂层的盐腐蚀行为.doc

绪 论 1.1. 铸造高温合金的发展 自从20世纪40年代初期第一台航空喷气发动机采用第一个铸造涡轮工作叶片以来，铸造高温合金的发展经历了一段曲折而又辉煌的历程。半个世纪以来，航空发动机涡轮前温度从40年代的730℃提高到90年代的1677℃，推重比从大约3提高到10，这一巨大进展固然离不开先进的设计思想、精湛的制造工艺以及有效的防护涂层，但是高性能的铸造高压涡轮叶片合金的应用更是功不可没。在这世纪之初回顾铸造高温合金发展的历程，不能不提到如下几件使人难忘的重大事件[1]。美国GE公司为其J33航空发动机选用了钴基合金HS 21制作涡轮工作叶片，代替原先用的锻造高温合金Hasteelloy B。，从此开创了使用铸造高温合金工作叶片的历史。到60年代初，由于发动机工作温度提高，要求叶片合金的热强性能进一步提高，使高温合金合金化程度不断提高，于是出现了复杂合金化与压力加工困难的矛盾，并且越来越尖锐，加之这一时期铸造技术进步，使合金性能和叶片质量提高，出现了大批复杂合金化的高性能合金，使铸造高温合金叶片的应用越来越广泛。我国第一个铸造高温合金是北京航空材料研究院于1958年研制的K401合金，用作WP6发动机的导向叶片。我国第一个铸造涡轮工作叶片是60年代初在黎明发动机厂研制的WP6S发动机一级涡轮叶片(K406合金)。70年代中期，由中科院金属研究所研制成功的K417镍基铸造高温合金制作涡轮叶片用于WP-7型发动机，投入生产，成为我国最先服役于航线的铸造涡轮叶片合金。70年代之后，由于定向凝固和单晶合金的出现，使得所有国家的先进新型发动机几乎无一例外地选用铸造高温合金制作最高温区工作的叶片，从此确立了铸造高温合金叶片的稳固地位[2]。 1.镍基高温合金的发展 早在60年代，国内外就开始对从高温合金诞生的金属间化合物(Ni3A、NiAl、Ti3Al、TiAl)为基的合金进行了广泛的研究，因为这些化合物具有诱人的低密度、高模量和良好的抗氧化性，认为是有发展前景的替换材料。70年代中期，美国Howmet公司发展了高温合金细晶铸造法，从而在合金凝固过程的晶粒控制方面又走出了新路子。最先发展的是控制热参数的Grain X法，然后又发展出机械搅拌的Microcast X法，所得到的铸件晶粒尺寸可达ASTMNo.35(0.125～0.0625mm)。加上热等静压(HIP)处理和其后热处理，使合金的中、低温拉伸、持久、疲劳性能大为改善，尤其是低周疲劳明显提高。 在航天工业中，发动机工作效率的不断改进与增加发动机的温度热容同步进行，航空发动机的发展历史，可以简单的描述为不断提高航空发动机推力和涡轮前进口温度的历史。发动机每升高5℃，可增加发动机功率1.3%和热效率0.4%。50年代典型的发动机为JT3D推力为7450kg，涡轮前进口温度为889℃，70年代F100发动机的推力为11340kg，涡轮前进口温度为1310℃，而80年代的一些有特色发动机涡轮前进口温度已高达1430℃[]。发动机工作效率的不断提高是伴随着发动机温度容量的不断提高而提高，因而要求发动机叶片材料有更高的承温能力。镍基高温合金经历了近60年的发展历程，已经研制出一系列具有优良性能的高温合金，例如：耐腐蚀、抗高温蠕变、高屈服强度和断裂韧性等高温合金，几乎所有合金都是在Ni-Al-Cr-Ti系沉淀强化型合金的基础上发展进化而来的[]。设法消除与应力轴垂直的横向晶界，可较大幅度提高合金的高温力学性能。基于这种想法发展了定向凝固技术，它的出现，不仅提高了高温合金的蠕变性能，而且也极大的提高了热疲劳性能[]。人们在研究定向凝固技术的同时，也在研究另一种新型的技术，制单晶技术。单晶的特点是无晶界，不存在高温晶界弱化、纵箱境界裂纹等问题[,7]。而且单晶的合金化特点是不需要加入境界强化元素，合金成分简单，还能大大提高了合金的初熔温度，可采用更高的固溶处理温度，有效的调整了γ′强化相的形貌、体积分数和尺寸分布，与铸造和定向凝固合金比较，单晶合金具有更高的抗热疲劳、机械疲劳、抗氧化及抗蠕变性能，显著提高了高温合金的工作温度，提高了工件的承温能力，可以使工件在高的温度下正常工作。因而，随着航空航天工业的迅猛发展，单晶合金必将取代现有的合金，成为航天发动机的叶片的最佳使用材料[]。 1.高温合金的热腐蚀行为的研究概况 概述 热腐蚀，也被定义为加速氧化，是指金属材料在高温（600~1200℃）含碳、硫或钒的燃气环境条件下工作时候与沉积在表面的熔盐（Na2SO4）发生反应使表面保护性的氧化膜遭到破坏而引起的一种高温腐蚀状态[]。通常情况下，高温合金的热腐蚀现象都是以在氧化膜和基体之间存在的硫化物作为表征特征。发生热腐蚀时，金属或合金表面通常会沉积一层盐膜，一旦盐膜形成后，发生腐蚀的程度就与该盐膜的状态