镍基高温合金表面Co-Al复合涂层的制备*

0 引言

镍基高温合金具有工作温度高、组织稳定、危害小、抗氧化能力强[1]等特点，因此是高温合金大家族中的重要成员.该类合金能够被应用于生产航空喷气发动机和工业燃气轮机中最热端部件中，也被称为发动机的心脏.为了提高材料的性能，一般情况下会在合金表面添加防护涂层，不仅能够有效提升其抗腐蚀能力，还能够保证其力学性能不发生改变.对复合渗层的微观组织进行分析，能够进一步明确其作用及形成机制.在此基础上，通过对材料进行化学热处理，在化学作用及热作用的同时作用下，实现材料中一些新元素的添加，进一步使材料的化学组成以及结构等发生变化，最终可以达到显著提升材料表面硬度、耐热性、耐腐蚀性、抗氧化性等目的.

该文通过粉末包埋法在镍基高温合金表面制备Co-Al渗层，揭示该涂层的结构组成和形成机制，明确钴元素的抗氧化作用和影响.

1 实验部分

1.1 渗剂的准备

该实验采用镍基合金，镍基合金的尺寸为8 mm×6 mm×2 mm[2-3].用不同型号的砂砂纸，如240号、800号和2000号，由粗到细对合金进行打磨，之后进行抛光处理.材料表面含有油，可以通过将其在丙酮溶液中进行超声波清洗来去除，清洗时间为10min，并将其干燥以供使用.

场区位于新华夏系第三沉降带之四川盆地东部，属川东弧形构造带的组成部分。本次勘察区域位于石柱向斜和羊角背斜交界带，桥子溪断层和磨子坝断层之间，岩层产状295°∠5°～12°。在西北区附近灰岩出露处测得两组构造裂隙：LX1：35°∠75°，局部裂宽0.2～3 mm，延伸长度3～5 m，间距1～3 m，局部有红黏土、水锈充填；LX2：122°∠78°，局部裂宽1～3 mm，延伸长度1～3 m，间距3～5 m，局部有红黏土、水锈充填。两组裂隙结构面结合程度均为差，属硬性结构面；岩层层面结合程度一般，属硬性结构面。

镍基合金的成分主要有钨、镍、钴等，其中还存在着一定的微量元素，如铝、钨等[4]；渗铝渗剂则包含了氯化氨、铝粉末(具体化学成分见表1)以及三氧化二铝.铝粉粒度为200目，该数据达到了Q/CYDZ-185-97标准.渗钴渗剂包含了多种化学成分：碘化氨、镍钇合金粉、氯化氨、钴粉末和三氧化二铝.这些化学成分的具体含量见表2[5-6].

 

表1 实验所用铝粉化学成分 wt%

  

元素AlFeSiCu 含量≥90≤0.32≤0.37≤0.1

 

表2 渗钴渗剂的各成分含量 wt%

  

渗剂成分 质量百分比钴粉末 48%镍钇合金粉 12%氧化铝 40% 碘化氨 总质量的2%氯化铵总质量的3%

在Al-Ni、Al-Co二元相图的基础之上，结合Al、Ni和Co活度分别与温度之间的关系，可以通过低活度外扩散粉末包埋两步法来完成渗钴铝，设置扩散温度为1000℃，时间为5 h，渗钴5 h，再1000℃渗铝5 h，970℃退火5 h.

1.2 渗层的制备

渗剂制备前先将氯化铵和碘化铵干燥，后再进行筛选.将渗钴剂和渗铝剂按一定比例称量混合，在球磨机上球磨混合料，球磨3 h，待用.

与传统媒体相比，新兴媒体在语境上并没有沿用传统媒体的一言堂模式，而是采用自由发言与表达意见的方式，如果条件允许，主持人可以随时接受观众的提问，或者表达自己的观点，最为重要的是广大受众所具备的话语权以及参与权并不是主持人给予的，而是网络平台发展到一定程度时自然形成的。大众传播的节目语境当中也融入了大量的情境交流，实现了主持人与观众的地位平等化，而且传播者与受众的身份可以相互转化。由于是面对面的方式，那么就不需要采用传统的“一对众”电视节目主持形式，新媒体更加重视观点的独特性以及信息解读的正确性。因此，主持人要重视口语生活化，这是当前新媒体的主旋律。

2 试验结果与讨论

2.1 渗层的截面形貌

在温度为1000℃条件下，先后分别对合金进行渗钴、渗铝各5 h，并在970℃下退火5 h，之后绘制图谱，最终得到的表面 XRD衍射图谱如图2所示.图2的分析表明，除了Al和Ni的组合相外，还有更多的钴相.渗透界面的主要相为NiAl相和CoAl相.表层中存在的高浓度钴能够在氧化时与 Cr2O3结合、反应，最终使氧化层中产生大量的CoCr2O4，CoCr2O4为一种有着阳离子空位的p-型半导体，合金氧化时，氧化层与渗层会相互扩散，导致扩散层的出现，将氧化膜与渗层分隔开.扩散层的特性在涂层及氧化物之间，有效提升了涂层之间的相容性及涂膜的抗剥离性.

每隔3 min采集一次降雨强度、风速、覆冰重量，按时间先后顺序，分别记为P=(p(1), p(2), p(3), ……, p(10)); W=(w(1), w(2), w(3), ……,

  

图1 渗钴铝5h的合金的截面形貌

2.2 渗层的相组成

图1为1000℃渗钴5 h，再1000℃渗铝5 h，970℃退火5 h的截面形态.从图1中可以发现，渗透层与基体直接对准，两界面的结合相对牢固，并且界面平坦光滑，不存在孔隙及裂缝情况，渗透层的厚度合理、均匀，基体表层被渗透层完全包裹.据观察，渗透层分为了三层，分别为扩散层、过渡层和渗层.渗铝时间的延长与过渡层的厚度之间有着直接联系，二者关系呈正相关，扩散层与表面层之间的边界不再明显.

  

图2 渗钴铝5h的合金表面的XRD衍射谱

2.3 渗层的EDS能谱分析

在基体表面沉积的钴铝渗层过程，扩散层中Co的含量不仅由基体提供[7].渗钴渗剂也提供了一定量的Co，第一次沉积结束后，对原合金表面的含钴量进行测定，结果显示此时的钴浓度相对较高.因为镍会向外进行扩散，因此钴能够与镍结合发生反应，这两种原子的性质较为相似，因此两种原子结合后能够产生Ni、Co连续固溶体.在之后的沉积中，因为钴、镍两种原子的性质相似，并且相对于铝与镍更易结合，所以，在适当的温度下，一些钴能够与铝结合，进而出现CoAl相.

 

表3 渗层各区域成分EDS数据

 

在对涂层的结构组成进行分析之后，结合Ni-Al互扩散的相关理论研究及表3中渗层由里到外不同区域EDS数据，总结之后可以对扩散涂层的产生进行解释：基底合金的镍会向外进行扩散，而铝有着一定的活度，二者结合后发生反应而产生.

2.4 参数对渗层的影响

扩散层形成的重要决定因素为参数.会对真空扩散产生影响的参数有两个，分别为热扩散的时间及温度.若设置的参数不合理，则不能顺利形成渗层.热扩散的温度能够对渗层的形成速度产生直接影响，随着温度的上升，穿透原子的能量也会升高，活性原子出现的可能性就越高，这进一步促进了金属间化合物的产生.所以，热扩散温度的设置不可过低，若温度过低，扩散速度很小，能量过小并低于活化能，在这种情况下不会有活性原子出现，扩散过程执行.而温度设置也不可过高，否则会造成基体晶粒粗大，严重情况下会出现基体熔化现象，进而使基体的形态结构出现变化，性能显著降低.

在温度设置合理的基础之上，时间的选择也需要合理.时间与基体中原子的扩散距离有着直接联系.扩散时间越长，原子在基体中扩散的时间也就越长.充足的扩散时间能够保证分层和同质化的完成，所以，保温时间是否充足在一定程度上决定了形成的渗层是否连续均匀.但是，扩散时间不可过长，渗层所具有的厚度与延长时间之间并无较大联系，在工业生产过程中，若扩散时间设置过长，会使生产周期延长，同样会造成基体晶粒粗大，形成的基体性能显著降低.扩散温度以及时间二者之间是相互影响的.若温度相对降低，则时间也可以相对延长.而温度相对较高的情况下，扩散时间相应减少，以确保扩散层薄而均匀.

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3 结论

(1)通过向涂层中添加一些稀土元素来达到使氧化速率减慢的目的，并且能够使涂层与氧化膜更为固定，最终能够显著延长涂层的使用时间.

(2)1000℃渗钴5 h，再1000℃渗铝5 h，970℃退火5 h后的渗层与基体结合紧密，两界面的结合相对牢固，并且界面平坦光滑，不存在孔隙及裂缝情况，渗透层的厚度合理、均匀，基体表层被渗透层完全包裹，有效提升了材料的抗氧化性.

(3)渗钴铝涂层存在一定量的钴，因此最终其表面氧化会出现CoCr2O4.CoCr2O4为一种有着阳离子空位的p-型半导体，合金氧化时，氧化层与渗铝层会相互扩散，导致扩散层的出现，将氧化膜与渗层分隔开.扩散层的特性在涂层及氧化物之间，有效提升了涂层之间的相容性及涂膜的抗剥离性.

参 考 文 献

[1] 李玉春．K488合金铝及钴铝渗层的结构与高温氧化和热腐蚀行为[D].哈尔滨工业大学,2009．

[2] 汤守巧．TiAl基合金高温抗氧化研究进展[J]．稀有金属，2016，6(4):.45-47

[3] 崔莲,邱忠阳,李瑞英,等．铁电双层膜的反转动力学行为[J]．物理学报，2014(5):328-332

[4] Radhika N，Raghu R ．Development of functionally graded aluminium composites using centrifugal casting and influence of reinforcements on mechanical and wear properties[J]．Trans Nonferrous Met Soc China，2016 (26)：905-916．

[5] 宋瑞利，刘平，张柯，等．铜箔表面化学气相沉积少层石墨烯[J]．材料科学与工程学报，2016，34(1)：96-100．

[6] 郭温，米国际,张金龙,等．TA15合金表面Ni_SiC复合镀层的摩擦磨损性能[J]．无机材料学报，2016，31(2):195-200.

[7] Zhang C X，Song G P，Sun Y．Research progress of electron beam physical vapor deposition technology[J]． Materials Review，2012，26(1)：124-126．