1前言 高推比發動機......



1　前言
高推比發動機壓氣機葉片將使用鈦合金,鈦合金比強度高［1］、耐蝕性好,但在550℃以上會出現溶氧脆化現象［2］。為了提高葉片的使用壽命,必須對其進行涂層防護。NiCrAlY涂層抗氧化、抗熱腐蝕性能好,具有良好的熱穩定性和較高的韌性,是目前應用最為廣泛的高溫防護涂層［3～7］。國外有人用離子濺射鍍的方法在TiAl金屬間化合物上沉積FeCrAlY涂層［8］，國內也有研究人員采用磁控濺射的方法在TiAl金屬間化合物上沉積CoCrAlY和NiCrAlY涂層［9］，但涂層與基體間存在缺陷。本工作采用真空電弧鍍方法制備NiCrAlY涂層,本文將對其工藝進行研究。
2　試驗方法
試驗用的材料為經1010℃鍛造的Ti60(Ti5Sn2Zr6Al)合金和經1150℃鍛造的Ti3Al(Ti24Al15Nb1.5Mo) 合金,試樣大小為1.5mm×10mm×30mm(文章中未注明的材料均為Ti60合金),經500目的水砂紙最終打磨,無水乙醇超聲清洗,冷風吹干。涂層制備采用DH-700型真空多弧鍍膜機,靶材是Ni20Cr13Al1Y。沉積工藝參數為:底真空5×10－3Pa,轟擊偏壓600～800V,轟擊電流60～70A,時間5～10min;沉積涂層時加一定的工作偏壓和工作電流,沉積時間因所需涂層的厚度而定,其它有關參數詳見試驗結果部分。
3　試驗結果
3.1　工作偏壓和工作電流對涂層成分離析的影響
一般說來,用合金靶材制備的多弧離子鍍合金涂層,與靶材之間都會發生合金成分離析。我們研究了不同合金元素的成分離析情況及偏壓、 電流對涂層成分離析的影響。
試驗用的NiCrAlY靶材成分是, 66%Ni,20%Cr,13%Al,1%Y。
兩組試驗的工作電流分別是70A和50A,改變工作偏壓,觀察它對涂層成分的影響, 試驗結果見圖1。從圖中的數據可以看出,在不同的工作電 流和工作偏壓下,沉積涂層的成分與靶材的成分有一定的離析。當工作電流為70A時,涂層中的Cr比靶材偏高,Al和Ni比靶材低(由于靶材中的Y含量很少,因而未對Y的離析情況進行分析)。當工作電流為50A時,涂層成分的離析不明顯。此外,改變工作偏壓,對涂層成分的離析沒有規律性影響。
(a) I=50A　(b) I=70A
圖 1　涂層成分離析曲線
Fig.1　The deviation curve of the coating component在試驗過程中,掌握了特定工藝參數條件下涂層成分的離析情況,就可以根據所需涂層的成分來控制靶材的成分。
3.2　工作電流對涂層厚度及微觀組織結構的影響
工藝參數:工作偏壓150V,沉積時間60min,工作電流分別是70A和50A。
比較不同工作電流所沉積涂層的厚度及微觀組織結構,其金相照片如圖2。從圖中可以看出,工作電流70A與50A相比,可得到較厚的涂層,經 測量,前者厚度約為8～10μm,后者厚度約為3～5μm,這說明在70A的工作電流下,涂層的沉積速率較大。此外,通過觀察金相可知,工作電流為70A時,涂層的組織結構均勻致密,而且整個涂層連續,涂層質量明顯優于工作電流為50A時沉積的涂層。由此可知,無論是在沉積速率方面,還是在組織結構方面,較大的工作電流都可以獲得比較好的沉積涂層。但并非工作電流越大越好,因為電流過大,涂層的組織結構會變得粗糙。
3.3　工件轉速對涂層微觀組織結構的影響
工藝參數:偏壓150V,工作電流70A,沉積時間40min。工件轉速分別為0r/min,0.2r/min,0.6r/min,1.3r/min。
為比較不同轉速下涂層的微觀組織結構，用掃描電鏡對涂層表面進行觀察。由圖3可以看出,工件架不旋轉和旋轉對涂層的組織結構有一定 的影響。當工件架不旋轉時,涂層沉積有方向性;而當工件架旋轉時,涂層沉積是非常均勻的,而旋轉速度對涂層的組織結構沒有明顯影響。因此，在試驗過程中,保持一定的轉速,就可以在試樣表面獲得均勻的涂層。
(a) I=50A；(b) I=70A
圖 2　涂層顯微組織
Fig.2　The microstructure of the coating
(a) 0r/min;(b) 0.2r/min;(c) 0.6r/min;(d) 1.3r/min
圖 3　涂層表面顯微組織
Fig.3　The microstructure of the coating surface
3.4　涂層真空熱處理
為了觀察NiCrAlY涂層與鈦合金基體的互擴散情況,對沉積了NiCrAlY涂層的鈦合金試樣進行真空熱處理,其熱處理制度為：真空度5×10－3Pa,溫度950℃,時間3h。將熱處理后的試樣斷面拋光,并用掃描電鏡進行觀察分析,以此確定各元素的擴散情況。從金相照片（圖4）可以看出,涂層與鈦基體之間有一層明顯的擴散層,其中既有Ni、Cr、Al等元素向內擴散,也有Ti元素向外擴散。知道了這些元素的擴散情況,就可以選擇適當的中間層來阻擋涂層與基體之間的互擴散,從而達到抗氧化防脆化的目的。圖 4　NiCrAlY涂層和基體間的擴散　(a) Ti60基體；(b) Ti3Al基體
Fig.4　The diffusion between the NiCrAlY coating and the matrix
(a) Ti60 matrix；(b) Ti3Al matrix
4討論
采用真空電弧鍍的方法沉積合金涂層，都存在涂層與靶材成分的離析現象。由于各元素的飽和蒸氣壓和熔點不同，造成合金中各組元的離化率不同，從而導致涂層成分與靶材成分的差異。通常認為,飽和蒸氣壓低而熔點高的元素離化率高［10］。從所掌握的資料可知,Cr、Ni、Al的離化率逐漸降低,因而涂層中Cr的含量應該比靶材中Cr的含量有所提高，而Al在涂層中的含量要比在靶材中的含量少一些。通過試驗證明，上述規律是正確的。
沉積涂層時，工作電流的大小對涂層厚度及微觀組織結構有較大影響。由金相照片（見圖2）可以看出，當工作電流較小時，沉積的涂層
比較薄，而且組織結構不均勻，涂層內部存在孔隙、空洞等缺陷，這是由于工作電流小，靶材合金離化出的原子霧化程度低，有些原子是以液滴狀態沉積在試樣表面的，而且試樣表面溫度比較低，合金沉積時容易凝固，因而沉積涂層時會出現孔隙、空洞等缺陷。而當工作電流較大時，靶材合金離化出的原子較易霧化，且試樣表面溫度比較高，合金沉積時能夠盡可能地鋪開，所以涂層的組織結構較為均勻。
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5　結論
(1) 真空電弧鍍沉積NiCrAlY涂層,涂層成分與靶材成分相比有一定程度的離析,可以通過調整靶材成分來獲得預想合金成分的涂層。
(2) 沉積過程中,工作電流對涂層厚度及其組織結構有一定影響,比較理想的工作電流是70A。
(3) 工件旋轉速度對涂層的組織結構影響不大,沉積過程中只要保持一定轉速,就可保證涂層的均勻性。