采用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法在單晶高溫合金基體上制備了鉻改性鋁化物(Cr-Al)涂層，研究了1050 ℃下該涂層在空氣中的高溫氧化行為。采用X- 射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS) 等方法分析了Cr-Al 涂層在高溫氧化過程中相結(jié)構(gòu)、顯微組織和成分的演變規(guī)律，結(jié)果表明：經(jīng)1050 ℃氧化300 h 后，該涂層的氧化動力學(xué)曲線符合拋物線演變規(guī)律，Cr-Al 涂層的涂覆提高了基體合金的抗高溫氧化性能；高溫氧化200 h 內(nèi)涂層保持良好的表面形貌，而經(jīng)過300 h 氧化后涂層出現(xiàn)了嚴(yán)重的氧化膜剝落現(xiàn)象；揭示了在高溫氧化條件下Cr-Al 涂層退化的相變過程，涂層區(qū)相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程為β-NiAl 相→β-NiAl 相(主)+γ′-Ni3Al 相(次)；擴散區(qū)相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程為β-NiAl 相+ 析出相→β-NiAl 相(主)+γ′-Ni3Al 相(次) + 析出相→γ′-Ni3Al 相(主) +β-NiAl 相(次) + 析出相→γ′-Ni3Al 相+ 析出相。

　　隨著高推重比航空發(fā)動機的發(fā)展，其渦輪葉片的使用環(huán)境更為苛刻，這對葉片材料的性能提出了更高的要求，材料需要同時兼顧高溫下的力學(xué)性能和抗高溫氧化與熱腐蝕性能。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，渦輪葉片從多晶合金逐漸發(fā)展為定向鑄造以及單晶合金，其中單晶高溫合金消除了晶界這一高溫下的弱化因素，使得其高溫下的力學(xué)性能得到大幅度的提高。高溫氧化和熱腐蝕問題是單晶渦輪葉片應(yīng)用過程中主要的失效形式，氧化和腐蝕現(xiàn)象一旦出現(xiàn)就會使基體材料直接受到損傷而導(dǎo)致力學(xué)性能急劇下降。而針對該現(xiàn)象，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為必須施加高溫防護涂層以延長基體合金材料的使用壽命。

　　目前鋁化物涂層作為鎳基單晶高溫合金葉片外表面及內(nèi)腔的防護涂層已獲得廣泛應(yīng)用。鋁涂層與基體合金有著良好的結(jié)合能力，并且能在高溫氧化環(huán)境中形成具有一定自愈合能力的氧化鋁膜層，可有效緩解涂層進一步發(fā)生高溫氧化現(xiàn)象。但是單一的鋁化物涂層存在著易于退化、不耐熱腐蝕等缺點，采用改性的鋁化物涂層來部分替代單一鋁化物涂層是克服其缺點的有效途徑。在鋁化物涂層內(nèi)添加鉻元素制備出的Cr-Al 涂層能有效地降低涂層退化速率，減緩富鎳的β-NiAl相中的馬氏體轉(zhuǎn)變過程產(chǎn)生，提高涂層的相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及抗熱腐蝕能力。另外Cr 元素的存在還可以促進涂層表面發(fā)生鋁元素的選擇性氧化從而降低形成具有保護性氧化鋁膜所需的臨界鋁元素含量。

　　目前Cr-Al 涂層的制備工藝基本上集中在包埋共滲、物理氣相沉積和電沉積，但是采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備Cr-Al 涂層的研究報道至今仍然很少，CVD 技術(shù)以其自身獨特的優(yōu)點(產(chǎn)物純度高、繞鍍性好等)理應(yīng)更廣泛的應(yīng)用在涂層的制備工藝上。

　　本文采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在鎳基單晶高溫合金基體上制備了鉻改性鋁化物涂層，在1050 ℃高溫氧化條件下，通過Cr-Al 涂層的氧化動力學(xué)、相結(jié)構(gòu)、顯微組織和成分等演變規(guī)律系統(tǒng)研究，深入探討Cr-Al 涂層的高溫氧化行為，并揭示了涂層在高溫氧化環(huán)境下可能的相變機理。

　　1、試樣制備與試驗方法

　　1.1、試樣制備

　　采用鎳基單晶高溫合金(15 mm×10 mm×1.5 mm)作為基體材料，其名義成分如表1 所示。合金基體經(jīng)600 號金相砂紙打磨及濕吹砂處理后，用丙酮進行超聲波清洗、烘干。

表1 鎳基單晶高溫合金基體的名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

　　采用(ALUVAP CVA 190 BL L-Single)型化學(xué)氣相沉積設(shè)備制備Cr-Al 涂層。Cr-Al 涂層制備方式為：首先沉積Cr 層，其沉積工藝參數(shù)為1000 ℃下反應(yīng)1 h，真空室壓力0.005~0.02 MPa；其次在Cr 層表面直接制備Al 層，其相應(yīng)的沉積工藝為1050 ℃下反應(yīng)3 h，真空室壓力0.01~0.03 MPa。

　　1.2、試驗方法

　　靜態(tài)氧化試驗參照HB 5258—2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法》，在高溫馬弗爐中進行，試驗溫度1050 ℃，試驗時間分別為100 h、200 h 和300 h。采用X 射線衍射儀(XRD，Bruker D8 Advance)分析涂層相結(jié)構(gòu)，采用掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI-Quanta 600)分析涂層的表面及橫截面顯微形貌，同時借助能譜儀(EDS，Oxford INCAx-sight 6427)檢測相關(guān)區(qū)域的涂層成分。

　　3、結(jié)論

　　(1)在同一試驗條件下，Cr-Al 涂層的涂覆使單晶合金的抗氧化性能提高了2 倍以上；

　　(2)隨著氧化時間的延長，涂層內(nèi)出現(xiàn)了α-Al2O3、γ′-Ni3Al 和NiO 三種新的物相；

　　(3)經(jīng)1050 ℃氧化300 h 后，涂層表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的氧化皮剝落現(xiàn)象且呈現(xiàn)出三種不同的組織形貌；

　　(4)Al 元素含量的降低導(dǎo)致Ni3Al 相大量生成和Ni3Al 相非正常氧化引起的氧元素內(nèi)擴散通道形成是導(dǎo)致Cr-Al 涂層高溫退化的主要原因之一。