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。V℃ys[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S℃M观测和℃DX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基合金棒加工的,其成分列于表1中。加工了三种试样1)拉伸试样:<5 mm;刻线间长度25 mm;2)圆柱型蠕变试样:<4.5 mm;刻线间长度23 mm3)平板式蠕变试样:4 mm宽,0.5 mm或1.5 mm厚,刻线间长度14 mm。
1.2 VPS NiCoCrAlYTa
用Amdry 997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1 080℃热处理6 h,并在870℃时效20 h。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1Lm,抛磨后的最终涂层厚度在50~80Lm。
1.3 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 拉伸试验
拉伸试验的目的是测定每种涂层的DBTT。试验是温度高达850℃,在Instron试验机上完成的,分别在10-2/s和10-4/s两种应变率下试验。试样装入试验机中,加热到试验温度,然后加总变形为1%的应变,冷却后卸下试样,检查裂纹并分析它们的尺寸和密度。反复进行这种操作直到试样拉断。注意与形成第一条裂纹相对的应变,作为裂纹临界应变,拉断后用S℃M观测试样,并作截面,定量测定裂纹尺寸和传播的深度,以及涂层的表面剥蚀。对每一种应变率,这些试验可以确定出裂纹临界应变与温度的关系,因此,DBTT定义为裂纹临界应变与温度关系曲线上斜率大大升高的温度。
1.5 蠕变试验
所有试验都是在140 MPa的应力下,在1 050℃进行的,每种涂层测试两个试样,只有VPS涂层仅做薄截面(平板式)试样。拉断后,观察表面断裂情况,且做试样的截面。从这些截面的金相检验中测定涂层的剥落和损坏。
2 试验结果
2.1 涂层特性
VPSNiCoCrAlYTa 金相检验观察到B(NiAl)和C相,涂层的厚度大约60Lm,还观察到厚度不到10Lm的互扩散区。在互扩散区中还有C'_Ni3Al相析出。这些涂层的显微组织如图2所示,℃DX的分析结果列于表3中。
电镀NiCoCrAlYTa 如图3所示,在这些涂层中也存在B(NiAl)C_Ni3Al和C相,但这些相的分布与VPS涂层中观察到的完全不同。事实上,B相主要在涂层外部,而内部主要由C/C'相组成。表4表明,每种相中Al的含量都比VPS涂层中观察到的高,而Cr含量比较低。
2.2 拉伸试验
力学试验的结果 在20℃试验拉断后的试样上总能看到裂纹密度非常大(图4a))。与之相反,在800℃试验的试样断裂后,没有发现裂纹(图4b))。 图5a)、图5b)比较了在20℃试验后的试样表面,裂纹的间距和密度都没有很大区别。在NiC-oCrAlYTa涂层的表面上观察到的裂纹都是开口式的和不规则的,它们仅仅在试样四周的两个相反的1/4区域中出现。
对有涂层和无涂层的断裂应变进行了比较,无涂层的试样是在与有涂层的试样同样条件下测试的,如10-4/s和10-2/s。图6a)和图6b)表示的是裂纹临界应变(℃f%)和断裂应变(A%)随温度的变化。应变率为10-2/s时(图6a),仅测试VPS涂层,其DBTT大约850℃。对于这些VPS涂层,图6a)和图6b)中记录了测试结果的比较,这些表明应变率对断裂应变仅有很小的影响。
应变率为10-4/s时(图6b),此时的VPS NiC-oCrAlYTa涂层的DBTT大约650℃,这表明应变速率对这些涂层的机械性能有非常强的影响。温度超过650℃时,裂纹临界应变只比断裂应变略小一些。在研究的温度范围内,电镀层的裂纹临界应变非常低。在此温度下,这种涂层上没有检测到裂纹。图6b)还表明,涂层的性质对有涂层试样所测量的断裂应变没有明显的重要影响,但有涂层的试样总是比无涂层的试样的断裂应变要低些。
金相试验 图7清楚地表明,在室温下,裂纹起源于涂层的外表面,并在涂层/基体的界面上传播或传入基体,裂纹大致沿着(111)晶面方向传入基体。在涂层里,它的显微组织沿着裂纹没有明显的变化(变形)。更一般地说,拉伸试验后,VPS NiCoCrAlYTa涂层的显微组织和成分没有明显可见的变化,不仅在室温下没有,在高温下也没有,见表5。
2.3 蠕变试验
结 果 无涂层和有涂层的AM3的蠕变寿命和断裂应变列于表6中,在相同的条件下测试了两种试样,这样可以估计标准偏差。圆柱型试样的涂层总是缩短蠕变寿命,与断裂应变有关的数据更难分析。意外的是,有涂层试样比没有涂层的断裂应变要大得多。
1.5 mm厚平板试样的蠕变寿命比圆柱型试样的短,在这种情况下,涂层就有负面的影响。薄平板式试样(0.5 mm)的蠕变寿命降低到圆柱型试样的1/4。与先前的试验相反,VPS喷涂后的0.5 mm平板试样的蠕变寿命比无涂层的高,然而,在相同条件下测试两个试样的标准偏差却相当高(达35%)。
金相检验 两种涂层,蠕变后的显微组织是典型的氧化的NiCoCrAlYTa(如图8),在涂层的外部观察到B相大量减少,与之相伴的是,大约2~3Lm厚的氧化铝的生长(在点3上做℃DS分析,见表7),除了某些局部剥落之外。它的厚度是相当规整的。
3 讨论和结论
上述结果和观测表明,涂层能对基体材料的机械性能产生巨大的影响。拉伸试验表明,在低于它们的DBTT温度,所有测试的涂层都使断裂应变降低,但所观察到这种降低与涂层本身性质没有密切的依赖关系。在DBTT以上温度观察不到涂层的重要影响,也就是说,塑性涂层不影响基体的机械性能。相反,脆性涂层使基体的塑性大大降低。当研究的基体是单晶材料时,应变总是局限于特定的滑移面上,因此,很小的总应变就可能与大的局部应变相当。这些大的局部应变会产生应力,涂层不能支撑住这种应力,就会出现裂纹。
对于VPS NiCoCrAlYTa,这些裂纹是顺着滑移面的轨迹扩展的,所以,它们仅仅在试样刻线长度相反的两端可以看得到,电镀NiCoCrAlYTa涂层比850℃以前VPS涂层的脆性更大。VPS和电镀NiCoCrAlYTa涂层之间的区别与它们在显微组织和Al含量的不同有关。实际上,电镀层显微组织的均匀性比VPS涂层的更差。在电镀层的外部区,B相的分量要比C相的大,因此,在这个外部区的特性与铝化物的相似,所以,比VPS涂层更脆。所以,VPS涂层的良好性能直接与存在韧性C相有关。
试验发现,应变速率对有涂层试样的特性有影响,在低应变率时,VPS涂层的DBTT较低。这种影响与继续镀的涂层和容许施加的变形及应力的能力有关,在低应变率下,可能更容易,且决定于涂层的韧性。蠕变试验表明,对于圆柱型试样和1.5 mm厚的平板式试样,涂层使蠕变寿命降低。试验条件的恶化,试验时间就相对地缩短。因此认为,试验结果是涂层对AM3蠕变性能影响的真正特征,而且涂层的氧化引起的显微组织和成分的变化没有很大影响。
试样的厚度是非常重要的,实际上,薄的截面(0.5mm)引起蠕变寿命的剧烈下降。但在这种情况下,涂层的存在限制了这种消极影响,有涂层的试样比无涂层的蠕变寿命更长。对于目前的试验条件和薄试样,氧化比蠕变期间的机械负荷更有破坏性,这就可以解释为什么涂层可以提高薄试样的蠕变寿命。作为结论,本项研究表明,除了薄试样外,两种试验的涂层对AM3单晶材料的机械性能都有不利的影响,VPSNiCoCrAlYTa看起来是破坏性较低的涂层,主要是因为涂层的韧性好,这可能与C相的出现有关。
参考文献略
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