高温合金渗Al-Si层的微观组织分析

2006年8月　　

航　空　材　料　学　报

JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALS

Vol.26,No.4August　2006

高温合金渗Al2Si层的微观组织分析

牛　静1,张立文1,裴继斌1,张凡云2,李辰辉2

(1.大连理工大学材料工程系,辽宁大连116024;2.沈阳黎明航空发动机集团公司,沈阳110043)

摘要:利用SEM,XRD和EPMA详细分析K4104镍基高温合金料浆渗Al2Si的微观结构。结果表明,表层主要为富

Al的β2NiAl+CrxSiy化合物,过渡层主要为富Ni的β2NiAl相,内扩散层主要为β2NiAl相+富Cr相+γ′2Ni3Al相+Ni固溶体。

关键词:镍基高温合金;Al2Si共渗;微观组织

中图分类号:TG156.8　　　　　　　　文献标识码:A　　　　　　　　文章编号:100525053(2006)0420070204

　　镍基高温合金是主要用于航空发动机、各种类型燃气轮机叶片的重要金属材料,但其热强性及表面热稳定性经常发生矛盾。在镍基高温合金表面渗

金属作为防护涂层的热处理方法不仅有效地解决这个矛盾,而且能节约大量的合金元素,现已得到广泛应用

[1]

Al2Si共渗后的渗层微观形貌,渗层中相的组成,渗层中的元素分布进行详细研究。

1　试验材料及方法

本实验选用<20mm×3mm的K4104镍基高温合金圆柱试样作为基体。基体化学成分示于表1。试样经过去油2除锈2干燥处理后,用料浆法渗Al2Si。用H2O,H3PO4,MgO和CrO3作粘结剂,按一定比例与Al粉、Si粉配制成料浆。料浆经充分搅拌后,均匀喷到2#试样表面。试样于一定时间固化后,在一定温度下经过真空扩散处理制得渗层。试样由黎明公司提供。

。如渗Al,渗Al2Cr,渗Al2Pt,及多元渗

[2～4]

MCrAlX等,由于Al2Si渗层有很好的抗高温氧化,耐腐蚀,耐热性能,且Si元素造价比Pt等贵金属低,因而在实际生产中倍受关注。

K4104是一种新型高温合金,现有文献中没有对其Al2Si共渗研究的相关报道。只有清楚地了解渗层的组织结构,才能更好地预测各种性能,指导实际生产。因此,本工作利用SEM,XRD和EPMA对

表1　K4104的化学成分

Table1　ChemicalcompositionofK4104superalloy/wt%

Cr20.0～21.8

Co10.3～12.0

W3.0～4.0

Al2.1～2.9

Ti3.1～3.9

Mo0.3～0.9

Nb0.15～0.35

C0.07～0.14

NiBal

2　试验结果与分析

2.1　渗层截面形貌

所渗试样经过研磨、抛光、腐蚀(腐蚀液选用浓HNO3∶HCl=3∶1)处理,在扫描电镜下观察渗层截面(图1)。在扫描电镜下观察Al2Si共渗试样的渗μm,分为五层分布,渗层连续、均匀,平均厚度达70层,由表及里第一、二、三、四、五层的平均厚度示于

收稿日期:2005206220;修订日期:2005206230

作者简介:牛静(1980-),女,硕士研究生,(E2mail)com2mat@student.dlut.edu.cn。

图1b。在这里,将渗层归结为三层,表层(第一层),过渡层(第二层)和内扩散层(第三层+第四层+第

五层)。

2.2　渗层的相组成及元素分布

用X射线对Al2Si共渗试样逐层研磨后每层的分析如图2,电子探针定性分析如图5,定量如图6。结果表明,试样渗层中主要含有β2NiAl相、CrxSiy化合物、富Cr相和γ′2Ni3Al相,渗层成分像如图7所示。渗层中还含有其他相,因为X射线衍射谱中有些衍射峰还未能确定。

结合电子探针定量Ni/Al原子比(图6)和Al2Ni相图(图3)可以确定表层是富Al的β2NiAl相。

第4期高温合金渗Al2Si层的微观组织分析71

图1　试样扫描电镜渗层截面像

Fig.1　Cross2sectionmorphologiesofspecimen

图2　X射线衍射谱

(a)试样表面;(b)表面磨下35μm;(c)表面磨下45μμm;(d)表面磨下50m;(e)表面磨下60μm;(f)表面磨下75μmFig.2　X2raydiffractionspectra

(a)specimensurfacelayer;(b～f)surfacelayergrinding35,45,50,60and

μm,respectively75

图3　Ni2Al相图

Fig.3　PhasediagramsofNi2Al

图4　Cr2Si相图

Fig.4　PhasediagramsofCr2Si

在Ni2Al相图中,NiAl的相区间很宽,Ni/Al比在

01667～3.000很大的一个范围内,生成的都是β2NiAl。因此,Al2Si共渗试样表层是富Al的β相,而过渡层和内扩散层则是富Ni的β相。表层除了β相外,还分布着大量颗粒状的白色第二相粒子(图7)。观察电子探针元素分布图中Cr和Si分布(图5)可知,这是Cr和Si的化合物,经X射线谱(图

2a)分析,应该是Cr5Si3,Cr3Si和CrSi的混合物。通过电子探针定量(图6)确定Cr和Si原子比,当Cr和Si原子比在1.667～1.000之间时,观察Cr2Si相图(图4),Cr和Si生成Cr5Si3和CrSi(图中B区);当Cr和Si原子比大于3时,在相图中Cr和Si原子结合生成Cr。所以试样最外层外侧生成的3Si和Cr可能是CrSi和Cr5Si3混合物,内侧由于Si元素的含

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图5　试样渗层中Al,Ni,Cr,Si元素的浓度分布

Fig.5　Concentrationmap(EPMA)ofcross2sectionspecimenforAl,Ni,CrandSi

图6　(a)试样渗层截面形貌像;(b)试样渗层截面成分

Fig.6　(a)Cross2sectionmicrographofspecimen;(b)compositionprofileofspecimen

的固溶体和Cr的碳化物。其形成原因是合金元素如Cr,Co,Mo等在NiAl相中的溶解度低,致使合金

元素大量析出,被排挤到富合金元素层,在富合金元素层形成M23C6相,又因Cr含量高,其他合金元素含量少,溶解度差也相对较小,所以在富合金元素层M23C6相主要以Cr23C6的形式存在,即富Cr层。这与X射线测得结果吻合,如图2d和e也与F.S.LI2AO结论相一致[5]。靠近基体的渗层存在有序面心立方的γ′2Ni3Al相(图2d,e),结合Ni2Al相图,Ni/

图7　试样电子探针渗层截面成分像

Fig.7　Cross2sectionalmicrostructuresofspecimen

Al比刚好落在γ′相区,所以可能生成γ′。

3　讨　论

量大大减少,小于0.1,白色粒子由外侧的Cr5Si3和CrSi转变为Cr3Si。

从图2b和图6可以看出,过渡层较薄,约7μm,主要是原子比为1∶1的β2NiAl相。NiAl金属间化合物具有熔点高、密度小等优点,在这里NiAl相除了提供高温氧化条件下表层所需的Al元素外,还能起到连接基体与外部富Al层的作用,从而使渗层在高温氧化的条件下不易剥离。

从图5中Cr的分布与图6定量分析可以得出,内扩散层为富Cr层,条状、不规则点状物质为富Cr

影响扩散的因素很多,在Ni基合金上渗Al2Si,必须既考虑共渗介质内各扩散物质之间的相互作用,还必须考虑每种扩散物质与被渗基体的相互作用,换言之,参与扩散形成的各种元素的化学亲和力都会影响Al2Si共渗的结果。扩散过程中,Al首先形成活性原子,吸附在试样表面,试样表面Al的化学势高于基体合金的化学势,所以Al由涂层表面向基体内部渗入,这样化学势形成梯度引起Al元素由表面向内部扩散的驱动力,同理基体中的Ni向外部涂层扩散。在扩散过程初期,Al元素主要以反应扩

第4期高温合金渗Al2Si层的微观组织分析73

散为主,扩散较容易,Al元素主要聚集在外侧,生成β相,当反应扩散转变成原子扩散时,向内扩散变得困难,致使内层Al元素的含量变少,生成γ′相。

又因为当Al和Si由表面渗入,提高了表面Cr的化学势,所以在渗入Al和Si元素的同时将引起Cr由表向里扩散,造成渗层下面Cr原子的富集。并且Cr在β相中的溶解度小,致使Cr大量析出,形成Cr内层γ′相与富Cr相生成条状的形23C6相。貌,原因主要是基体金属Ni浓度在界面不断降低将

β的相变,这种相变重结晶从界面开始并发生γ′→使β相沿扩散方向长大,这时形成的β相将长成与扩散方相一致的粒状晶粒。

(3)Al2Si渗层中的内扩散层Al含量下降缓慢,有较明显的富Cr和贫Ni层。即内扩散层主要由富

β相、γ′Cr固溶体、Cr的碳化物、相和Ni的固溶体组成。参考文献:

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276-284.

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4　结　论

(1)Al2Si渗层中的Al和Si元素主要分布在表层,Si基本不能扩散到内层。所以Al2Si渗层表层

主要由富Al的β2NiAl相和少量第二相粒子的CrxSiy化合物组成。

(2)Al2Si渗层中的过渡层Al含量迅速减少,过渡层主要由富Ni的β相组成。

StudyontheMicrostructureofanAl2SiCoating

onaNickel2BaseSuperalloyK4104

NIUJing,　ZHANGLi2wen,　PEIJi2bin,　ZHANGFan2yun,　LIChen2hui

Aero2GroupCorporation,Shenyang110043,China)

1

1

1

2

2

(1.DepartmentofMaterialsEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China;2.ShenyangLiming

Abstract:AnAl2Sidiffusingcoatingwaspreparedonanickel2basesuperalloyK4104byslurryaluminizing.Themicrostructureofalu2minizationwasanalyzedbymeansofSEM,XRD,EPMA.TheresultsshowedthatthephasesofsurfacelayerconsistedofAl2richβ2NiAl+CrxSiy,transitionlayerNi2richβ2NiAl,innerdiffusionlayersβ2NiAl+Cr2richphase+Ni3Al,respectively.Keywords:nickel2basesuperalloy;Al2Sicoating;microstructure