李玉春

(大庆师范学院)

高温合金表面渗钴层的抗腐蚀性研究

李玉春

(大庆师范学院)

高温合金有很强的力学性能和抗断裂性能，合金涂层的制备能充分发挥对基体的保护作用，提高基体受腐蚀和氧化的程度，而不会改变其高温强度.通过对合金表面渗层的制备，渗层结构的分析，及能谱分析，得到Co原子的特性与Ni接近，形成Ni、Co连续固溶体，在高温合金表面生成一薄层NiAl和CoAl相，渗层致密，能保护基体内部，具有优异的抗热腐蚀性能.

镍基合金；抗腐蚀性；渗钴铝层

0 引言

高温合金顾名思义有很强的抗高温氧化性能，同时在实际应用和生产中又要求有抗高温腐蚀性能，以及高温力学性能，由于高温合金这些优异的性能，使其在实际应用中越来越广泛.而实际上很难使得这些有益的性能同时存在于同一合金中.当提高抗腐蚀与氧化性能时，力学性能可能会被降低，两者都想达到最佳，这时可以在合金表面制备涂层.不仅能使涂层充分发挥对基体的保护作用，而且也减少基体受腐蚀和氧化的程度，而基体合金不会改变其高温强度.在生产实际中为了即降低成本，又能达到高级材料的功效，可以在合金表面制备渗层[1].

该文在镍基高温合金表面制作渗层，渗钴铝的制备采用了粉末包埋法，首先将钴粉末包裹在基体合金表面，1000 ℃保温，然后在用事先制备好的铝粉末包埋试样，通过两次热扩散得到改性涂层.该试验分析渗钴铝涂层的组织结构、分析渗层相组成及探讨渗层的形成机制.

1 渗钴铝层的组织结构

1.1 渗钴铝层的截面形貌

图1 渗钴6 h，渗铝5 h的合金的截面形貌

图1为1000 ℃渗钴6 h，再1000 ℃渗铝5 h，970 ℃退火5 h的渗钴铝层截面形貌.图1中清晰地看到基体表面的一层保护层，渗钴铝层与基体有明显的分界，并且较基体相比结构发生了较大的变化，渗层与基体界面平直相连，交界面结合牢固，基体与渗层非常清晰、平整，在渗层中并没没有出现大的孔隙和明显裂纹，渗层的厚度也非常均匀，整个基体表面都被渗层覆盖.从图1中还可以看到有明显的分层，说明深层制备的时间和温度都较好.

1.2 渗钴铝涂层的相组成

图2为高温合金1000℃渗钴6 h后、再1000 ℃渗铝5 h，970℃保温5 h后渗层表面的XRD衍射图谱.从图2中可以看出，合金表层经过高温渗钴铝后，表面相发生了变化，渗层表面的主要相为NiAl相和CoAl相，除了Al和Ni的化合相外，还增加了CoAl相，也有少量的Al2O3的存在，但是Al2O3的衍射峰较弱.

图2 渗钴6 h，渗铝5 h的K488合金的XRD衍射谱

2 渗钴铝涂层的能谱

图3为合金涂层中的过渡金属层和扩散层对应的能谱，是在1000℃渗钴6 h，在1000℃铝化5 h，在970℃退火5小时后得到的. 图3 (b)为渗层过渡层的平均能谱，从能谱图中可以看出，Ni、Co和Al是组成过渡层的主要元素，极少量的Cr也存在于过渡层中，另外，与基体相比较过渡层中缺少了Ti、Mo、W等元素，能谱分析说明NiAl和CoAl相是过渡层中的主要相.

对扩散层(A区)亮色区域进行能谱分析得到图3 (c)，对图中灰色区域的能谱分析得到图3 (d)，从这两个能谱中可以看出，与基体中元素含量相比，Ni和Al的含量明显低很多，这也恰好是形成了Ni在基体中的扩散，并且Al在渗透剂中的内部扩散非常小，因此该区域被称为扩散层.

3 渗钴铝层的形成机制

通过图3分析了涂层的相组成，微观结构和组成，并讨论了Ni-Al相互扩散的知识[2]，可以得出结论基体中中的镍元素岁保温时间的延长不断向外扩散，逐渐在合金涂层中形成了NiAl相.

图3 渗钴6 h、渗铝5 h合金渗层的EDS分析 (a)渗层的放大图 (b)渗层外层的放大图 (c)外层的平均能谱 (d)A区亮点的能谱 (e)A区黑色暗点的能谱 (f)A区灰色暗点的能谱

表1 渗层不同区域的EDS数据分析

图4为渗层的结构、成分的分析.事实上渗层最外层，Ni对基体通过连续向外扩散产生. 整个涂层的铝含量的变化既可以看出，由外向内含量逐步降低(见表1).富铝的β(NiAl)相结构特殊，是带缺陷的体心立方结构，并且有高的镍空位数存在于立体角隅位置上，因此镍迁移成为热扩散中的主要形式[3].

图4 渗钴铝层的微观组织

这个β(NiAl)相的出现(图4中2区)，意味着会有新的体积在系统内生成；而新体积的生成，会使得外面富铝层的体积损耗，也会使基底合金体积产生损耗[4].图4中1区中富镍相的出现是最外层富铝相逐渐转变而来，这就是说在这过程中，有镍穿过β(NiAl)向外扩散，同时也有等量的铝迁移.在这一过程种生成的β(NiAl)相带有第二相，这些相大部分来源于原始涂层中的沉淀物，这些相会在热扩散过程中逐渐转变为αCr，Mo固溶体，最终变为稳定相[5].

相的稳定性因素决定相的形成，另考虑结构，通过观察推断，图4中(3区)中相沉淀的次序大体是这样的：最先沉淀的应该是碳化物，这一区的最外层主要由它构成.因此基体由钛、铬、钴和碳反应而生得到，碳主要来源于基体的外扩散.当基板中的碳供给不足时，这些反应不能继续，并且在β(NiAl)基质中形成片状的σ-Cr-Mo相.

4 结束语

通过在镍基高温合金表面渗钴铝，得到基体表面致密的防护层，防护层与基体的界面清晰平整，渗层及基体中均无孔隙和裂纹出现.防护层结构可分为三部分：扩散层、中间过渡层和渗层；基体表面形成了NiAl相，并且伴有Cr，Mo，Ti等的析出相.基体表面防护层主要由CoAl相和NiAl相组成.而这种相的结构具有很好的抗腐蚀性能.

[1] 李铁藩. 金属高温氧化和热腐蚀[M]. 北京：化学工业出版社,2003.270.

[2] 黄乾尧，李汉康等. 高温合金[M]. 北京：冶金工业出版社,2000.

[3] 王旭.真空电弧镀用阴极靶材的研制 [M]. 长春：长春理工大学硕士论文,2013.

[4] 蔡玉林，郑运荣，莫龙生，等. 铝-硅涂层中Si的分布及作用[J]. 航空学报，1985,6(3):258-266.

[5] 陆世英. 镍基及铁镍基耐蚀合金[M]. 北京：化工工业出版社，1989.

(责任编辑：季春阳)

Study on Corrosion Resistance of High Temperature Alloy Surface Layer

Li Yuchun

(Daqing Normal University)

High temperature alloys have a strong mechanical properties and fracture resistance. The preparation of alloy coating can play to the role of the substrate to improve the matrix by the degree of corrosion and oxidation, without changing its high temperature strength. Through the preparation of the alloy surface layer, the analysis of carburized layer structure and its energy spectrum, the results show that the characteristics of Co atoms are close to those of Ni, and Ni and Co are formed on the surface of the superalloy. Which Ras excellent resistance to hot corrosion.

High temperature alloy； Corrosion resistance； Cobalt coating

2016-06-16

O614.81+2

A

1000-5617(2016)05-0056-04