陈忠，蒙彩思，火克莉，张姚，郝粉利

（贵阳航发精密铸造有限公司，贵阳 550014）

随着航空涡轮发动机工作温度的不断提高，对发动机关键零件所用镍基高温合金的高温力学性能也提出了更高的要求，仅靠改进涡轮叶片的制造工艺，往往难以满足安全可靠工作所需的抗高温氧化和热腐蚀能力[1-3]。防护涂层是保护叶片具有良好抗高温和耐腐蚀性能的有效手段，通过防护涂层的使用，既能保障叶片的强度，又能提高各项性能，是目前航空发动机叶片制备生产中必不可少的工艺过程。其中，Al-Si涂层作为一种改性的铝化物涂层，因其具有优异的抗高温氧化和热腐蚀性能而广泛应用于航空发动机涡轮叶片的高温防护中[4-5]。制备Al-Si涂层的方法包括固态粉末法、浆料法和CVD法，其中最常用方法是浆料法。料浆法制备的铝硅涂层通常包括两个步骤，即铝硅共渗+渗后扩散处理。料浆法制备的铝硅涂层工艺和设备操作简单、生产周期短、节约渗剂材料[6-7]。目前，料浆法制备Al-Si涂层工艺已成熟，然而，对于其制备过程中产生的氧化行为尚缺乏深刻的认识[8-9]。文中在不同条件下进行Al-Si涂层的渗后扩散处理，通过检测分析Al-Si涂层的微观结构和成分变化，得出不同条件对Al-Si涂层的氧化差异，得到最佳的工艺参数，为Al-Si涂层的生产提供更为可靠的保障。

1 试验

1.1 材料

采用镍基高温合金 DZ417G作为基体材料，其名义成分见表1。实验采用的是因机加尺寸报废但不影响叶身型面的废叶片作为试样。试样外表面均经过干吹砂除油除污处理，然后进行超声波清洗后烘干，待用。料浆成分由金属渗剂、粘结剂、活化剂和稀释剂组成。

表1 DZ417G镍基合金成分 %

1.2 实验方法

将充分搅拌均匀的料浆喷涂到试样表面，采用PQ_1型喷枪喷涂，压力为0.3～0.5 MPa。经烘干固化后，在900 ℃下共渗30 min。随后将试样分为两组：第一组试样在箱式炉中进行渗后扩散处理，无氩气保护；第二组试样在真空炉中进行渗后扩散处理，真空度高于10-2Pa。渗后扩散处理的参数为870 ℃× 32 h。实验结束后，采用照相机拍照观察Al-Si涂层的外观，再利用扫描电子显微镜分别观察Al-Si涂层的表面形貌和截面形貌，并分析不同条件下进行渗后扩散处理的Al-Si涂层形貌差异。

2 结果及分析

2.1 不同条件下扩散后的渗层外观

经过900 ℃×30 min的共渗后，试样的表面外观如图1所示。由图1可以看到，铝硅共渗后的外观颜色较均匀，呈现淡淡的天蓝色特征。随后进行渗后扩散处理，两种不同条件下的渗后扩散外观分别如图2和图3所示。由图2可以看到，在无氩气保护的箱式炉中进行渗后扩散处理的试样，表面颜色不均匀，大部分区域出现黑色氧化皮和斑点，说明表面已经发生了严重的氧化。由图 3可以看到，在真空炉中进行渗后扩散处理的试样表面呈现出均匀的棕黄色特征，说明在真空炉中热处理的Al-Si涂层并未产生明显的氧化。

图1 共渗后的试样外观

图2 第1组试样的渗后扩散外观（箱式炉）

图3 第2组试样的渗后扩散外观（真空炉）

2.2 表面显微组织形貌对比

分别随机选取一件在箱式炉进行渗后扩散处理的试样（标记为1号样）和在真空炉进行渗后扩散处理的试样（标记为2号样），采用SEM观察Al-Si涂层的表面形貌。1号样在3个不同位置处取样，如图4所示。

图4 1号样的取样部位示意

1号样不同位置处Al-Si涂层表面在不同放大倍数下的显微组织形貌如图 5所示。在 1000倍的放大倍数下，Al-Si涂层表面均存在不同尺寸和数量的显微裂纹。通过5000和20 000倍的高倍放大观察，可以看到涂层表面形成了许多细小针状的θ-Al2O3相，这些细小针状的θ-Al2O3相互穿插交错，导致表面结构多孔，不致密。由于三个取样位置深度不同，所以可以表现出氧化过程中不同阶段的形貌和成分变化，1-1、1-2和1-3处的表面显微组织形貌也大致反映出试样表面的氧化过程。在氧化初期，表面形成较少的针状 θ-Al2O3相和块状的尖晶石结构相，随着氧化的进行，部分针状 θ-Al2O3相长大粗化转变成短棒状的 α-Al2O3相，块状的尖晶石从表面剥离、脱落，最后露出结构致密的α-Al2O3层[10]。

图5 1号样不同位置处的表面显微组织形貌

同样的在2号样3个不同位置处进行取样，分别标记为 2-1、2-2和 2-3。2号样不同位置处 Al-Si涂层表面在不同放大倍数下的显微组织形貌如图 6所示。从图6可以看到，在1000倍的放大倍数下，三个位置的表面形貌变化不大，表面光滑平整，微裂纹数量明显少于1号样。进一步放大样品表面，观察发现Al-Si涂层中为均匀的晶粒紧密排列，不存在其他结构组织。说明在真空炉中进行渗后扩散处理的试样组织结构均匀完整，未发生明显的氧化。

为了了解1号样和2号样涂层表面的元素分布情况，分别进行了能谱分析，结果如图 7所示。可以看到，1号样涂层表面Al元素和O元素的含量很高，而2号样涂层表面O元素的含量低。可见，在渗后扩散处理中，1号样涂层表面已经形成了氧化物，而2号样的涂层几乎全部是NiAl，基本没有形成氧化物。

2.3 截面显微组织形貌对比

图6 2号样不同位置处的表面显微组织形貌

1号样和2号样的Al-Si涂层的截面显微组织形貌如图8所示。由图8可以看到，1号样受到氧化后，其涂层表面形成一层非致密的氧化膜（图 8a的灰色部分），在次表面处也开始形成一层连续而致密的氧化膜（图 8a的黑色部分）[11]。2号样品涂层表面几乎不存在氧化现象，保持着原始的铝硅涂层。说明在真空炉中进行渗后扩散处理可以有效地阻止Al-Si涂层发生氧化，从而保障Al-Si涂层的性能不受影响，提高了使用寿命，充分发挥了保护基体的作用。

图8 1号样和2号样的截面显微组织形貌（5000×）

3 结论

1）无保护气氛下进行渗后扩散处理的铝硅涂层，在扩散过程中就已经发生了氧化，这意味着铝硅涂层中的Al元素提前被消耗，对铝硅涂层的使用寿命存在一定影响，因而渗后扩散须保证在真空下或有保护气氛下进行。

2）渗层氧化过程中首先形成多孔非致密结构的θ-Al2O3相，随着氧化过程的进行，θ-Al2O3相逐渐转变成致密结构的 α-Al2O3相，从而起到真正的抗氧化作用。气氛保护下的渗层含有大量的 Al元素，从而形成充分的 α-Al2O3相氧化膜，对基体保护作用更加优异。