高压汽轮机等离子喷涂MCrAlY涂层的热机械性能东方电机股份有限公司(德阳618000)王华仁编译摘要本文研究了两种不同的涂层:真空等离子喷涂的NiCoCrAlYTa和电镀的NiCoCrAlYTa,这些涂层都是沉积在AM3单晶合金上。研究了喷涂后单晶试样的拉伸和蠕变性能,从拉伸试验中测定了DBTT,蠕变试验是用圆柱型试样和薄的平板试样,所有涂层均在试验前后进行了检测。试验的两种涂层均诱发了塑性/脆性转变,拉伸速率对转变温度有较大的影响,两种沉积工艺之间的比较说明了涂层结构对塑性/脆性转变有强烈的影响。在薄的单晶试样上观察到了蠕变性能的明显降低,相反,圆柱型试样上的涂层对蠕变性能具有非常好的影响,以致提高有涂层薄试样的蠕变寿命。0前言用单晶合金来改善高压汽轮机叶片在高温下的机械性能,在温度、应力和化学环境等非常严酷的运行条件下,需要保护这些合金免遭包括氧化和/或硫化在内的损伤和破坏。等离子喷涂MCrAlY涂层和Ni-Pt铝化物扩散层,都非常普遍地用来限制和控制因环境引起的破坏。我们都知道这些涂层的特性和抗氧化/硫化性能,但很少有人专门针对它们的机械性能和特性进行研究。然而,MCrAlY涂层在几种引擎试验条件下的断裂和蠕变已有报道。象Taylor等人论述过[1],由于MCrAlY表面涂层和它的基体之间热膨胀不同,在高温时涂层处于压应力状态,这些压应力在低温下松弛导致拉应力出现,致使涂层产生裂纹。这表明,为了解释和模拟它们的运行特征,就需要更多的MCrAlY表面涂层的机械性能数据。有涂层的基体拉伸性能比没有涂层的要低[2],相反,只要在涂层设计时就已经考虑了这种重要影响,并在喷涂结束后进行热处理,蠕变特性就不受涂层的影响[3～4]。关于疲劳性能,是否引起破坏依赖于应力值、试验温度和热膨胀系数之间的差别[4～5]。这些研究已经表明,表面涂层的重要性能是塑性/脆性转变温度(DBTT),图1表明,MCrAlY涂层和铝化物层具有较大的DBTT分散范围。MCrAlY的DBTT在100℃和600℃之间变化,并且这些涂层还具有比铝化物涂层更低的DBTT,这就说明MCrAlY涂层比铝化物涂层更不易损坏。DBTT依赖于Al的含量,根据Sahoo等人的研究[6],MCrAlY涂层的DBTT随着铝含量的升高而升高,但它们总是比铝化物层低。Veys[2]观察到,等离子喷涂NiCoCrAlYTa的特性在600～800℃内变化。实际上,直到600℃时,表面涂层还有高的屈服应力和高的抗断能力,并以大约2%的恒定变形直至断裂。在600℃和800℃时他观察到,屈服和断裂应力急剧减小,同时增加应变直到断裂。本研究就涂层对于高压叶片的,单晶合金机械性能的作用,报告了初步结果,尤其是用于高压汽轮机叶片的表面涂层对拉伸和蠕变性能的作用。试验了两种不同涂层:真空等离子喷涂NiCoCrAlYTa(VPS)和电镀NiCoCrAlYTa。在试验前后,均用SEM观测和EDX分析研究了涂层、基体及其互扩散区的显微组织。为了测定涂层的DBTT做了拉伸试验。为了定量测定涂层和试样的厚度对基体合金的机械性能和特性的影响,还做了蠕变试验。对每一种涂层所获得的结果均进行了相互比较,还与无涂层的AM3比较。1材料和试验方法1.1基体所有试样都是用同样的AM3单晶Ni基合金棒第24卷第1期2003年2月国外金属热处理GUOWAIJINSHURECHULIVol.24,NO.1Feb,2003加工的,其成分列于表1中。加工了三种试样1)拉伸试样:<5mm;刻线间长度25mm;2)圆柱型蠕变试样:<4.5mm;刻线间长度23mm3)平板式蠕变试样:4mm宽,0.5mm或1.5mm厚,刻线间长度14mm。表1AM3单晶Ni基合金成分NiCoCrWMoTiAlTa质量分数(ω)67.75.5852.3263.5原子分数(x)66.55.48.91.61.32.412.81.11.2VPSNiCoCrAlYTa用Amdry997粉末喷涂这些涂层,其化学成分示于表2。在VPS沉积后,为了得到预期的显微组织,所有试样均在1080℃热处理6h,并在870℃时效20h。两种热处理都用氩气保护。然后试样进行磨削,并用金刚石研磨膏手工抛光至1μm,抛磨后的最终涂层厚度在50～80μm。表2NiCoCrAlYTa粉末的平均成分NiCoCrAlYTa质量分数(ω)44.122.820.78.40.43.6原子分数(x)40.120.721.316.60.21.11.3电镀NiCoCrAlYTa这些涂层是在含有弥散分布的CrAlYTa微粒的胶态Ni-Co镀液中电镀来制得的,其平均成分与VPS涂层的成分相似。电镀后进行同样的热处理,但是电镀层的最终显微组织却明显地不同。1.4拉伸...
