GH907合金防護涂層耐腐蝕性能研究

趙宏璐，王 理，韓振宇，佟文偉

(中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015)

1 引言

由于具有低的熱膨脹系數和較好的綜合機械性能，GH907合金被廣泛應用于國內外先進航空發動機。通常用于制造工作溫度在650℃以下、且有間隙控制要求的航空發動機環形件和機匣，如高壓壓氣機后機匣、承力環和隔熱環等。由于該合金中Cr含量低，抗海洋環境腐蝕性能較差[1]，因此，對于在海洋大氣環境工作的航空發動機GH907合金制件，必須采用涂層進行防護，以提高其抗腐蝕能力。

中性鹽霧試驗被廣泛應用于考察涂層防腐性能[2-4]，但不能很好地模擬材料使用的實際工況。隨著對其認識的提高和科技的進步，一些循環腐蝕試驗方法應運而生[5]，采用這些方法所得到的試驗結果與實際情況具有更好的一致性[6]。

本文通過模擬海洋大氣環境下航空發動機的工作條件，采用鹽霧－熱暴露循環腐蝕試驗方法對3種GH907合金用涂層分別進行了耐腐蝕性能對比，并對其腐蝕破壞機理進行了探討。研究結果不僅對GH907合金防護涂層的選用具有重要意義，還可用于指導防護涂層的研制和改進。

2 試樣制備及試驗方法

2.1 試樣制備

GH907合金是1種以鐵－鎳－鈷為基的低膨脹高溫合金，用鈮、鈦、硅和微量硼進行綜合強化[7]，其化學成分見表1。

表1 GH907合金的化學成分 w%

試樣為50 mm×25 mm×(1～3)mm的GH907合金板狀，表面涂覆防護涂層。3種涂層分別以A、B、C表示，具體情況說明見表2。

表2 GH907合金試樣表面防護涂層

2.2 試驗方法

模擬在海洋大氣環境下航空發動機的工作條件，采用鹽霧－熱暴露循環試驗方法對GH907合金涂層試樣進行耐腐蝕性能研究。以常溫鹽霧試驗20 h＋650℃、熱暴露試驗2 h為1個循環周期，共進行15個周期的試驗。

試驗參照國家軍用標準中性鹽霧腐蝕試驗(GJB 150.11-86)要求進行，鹽霧箱內溫度為35℃，采用連續噴霧，鹽溶液質量分數為5%±1%的分析純級NaCl溶液，PH值為6.5～7.2；熱暴露試驗在箱式電阻爐中進行，試樣放入常溫電爐內隨爐升溫，試驗后放置在電爐中開爐門冷卻。

每周期試驗結束后對試樣稱重，采用增重法測量試樣的腐蝕速率，單位面積增重為

式中：V 為單位面積增重，mg/cm2；m1、m2分別為試樣腐蝕后、前的質量，mg；s為受試表面積，cm2。

采用LEO1450掃描電子顯微鏡（SEM）和NORAN Quest能譜分析儀（EDS）對試樣進行微觀分析。

3 試驗結果分析

3.1 形貌分析

隨著試驗時間的增加，3種試樣的防護涂層均開始發生不同程度的破壞，形成了腐蝕坑。A、B、C試樣最初出現腐蝕坑的試驗周期分別是：第8、3、9周期。經過15周期試驗后，B試樣腐蝕坑沒有明顯增多（如圖1（b）所示）；A和C試樣腐蝕坑增多，表面有紅繡生成（如圖 1（a）、（c）所示）。試驗后涂層的完好程度從好到壞依次是：B、A、C。

將各試樣的涂層完好部位表面微觀形貌與原始表面形貌進行對比，如圖2所示。從圖中可見，A試樣涂層原始表面雖未見明顯的裂紋缺陷，但是涂層表面疏松、不平整；B和C試樣涂層原始表面雖然有微裂紋，但是完好部位平整致密，且裂紋并沒有滲透涂層。試驗后3種試樣涂層表面均變得粗糙，沉積有NaCl；B和C試樣涂層表面已觀察不到明顯的微裂紋。

圖3為3種涂層試樣試驗后的部分截面形貌。從圖中可見，A試樣涂層較疏松，有許多空隙和孔洞，涂層與基體之間形成了1層明顯的厚度約為30 μm的腐蝕氧化物層（如圖3（a）中箭頭所示），經成分測定，氧化物層中含有O和Cl元素。B和C試樣涂層比A試樣的致密，B試樣涂層和基體界面處能觀察到厚度約為5 μm氧化物層（如圖3（b）中箭頭所示），C試樣在同樣位置能觀察到厚度約為10 μm的氧化物層（如圖3（c）中箭頭所示），能譜分析未測出氧化物層中有Cl元素；由于B試樣涂層較C試樣的多了1層由鉻酸鹽和磷酸鹽混合物組成的面層，因此B試樣涂層表面不僅生成了Al的氧化物，而且生成了Cr的氧化物，這層氧化物混合物（EDS譜如圖4所示）平整且分布較均勻，對涂層形成了較好保護；C試樣涂層表面凹凸不平，可以測出Al的氧化物，但是未形成平整的保護層。

綜觀整個截面形貌，A試樣涂層與基體結合較緊密，B和C試樣涂層有一部分區域與基體產生分離現象（如圖3（d）所示）；試驗后A試樣涂層的厚度明顯小于B和C試樣的，C試樣涂層的厚度略小于B試樣的。

3種涂層試樣表面腐蝕坑的微觀形貌有很大差別，如圖5所示。圖中上部分為表面形貌，下部分為截面形貌。A試樣腐蝕坑與周圍涂層界限明顯，腐蝕坑內較平整，從截面形貌中也可以明顯看到。經表面成分測定得出，腐蝕坑內主要為Fe和Co的氧化物；B試樣腐蝕坑呈現出明顯的起泡破裂特征[2]，腐蝕坑附近的涂層明顯翹起，已經與基體分離，蝕坑內表面成分為基體主要元素（Fe、Co、Ni）的氧化物；C試樣腐蝕坑與周圍涂層界限不明顯，坑內不平整，從截面形貌可見涂層與腐蝕坑交界處過渡平緩，經測定，蝕坑內成分復雜，主要為合金基體元素和涂層中元素氧化物及氯化物的混合物。

3.2 腐蝕速率測定

3種涂層試樣腐蝕速率對比如圖6所示。從圖中可見，B和C試樣增重比A的大。造成這種差別的原因有2個：（1）A試樣涂層減薄較多；（2）由涂層的成分不同造成，B試樣涂層表面含有Cr元素，C試樣涂層表面含有Al元素，這2種元素在熱暴露試驗中會生成Cr2O3和Al2O3來保護試樣，因此會發生明顯的氧化增重。從腐蝕速率的走勢上來看，B試樣呈現出明顯的拋物線特征；C試樣在第9周期試驗前也呈現出拋物線特征，但第9周期試驗后腐蝕速率出現波動；A試樣未呈現拋物線特征，第14周期前腐蝕速率雖有波動，但是大體呈上升規律，到第15周期時試樣明顯減重。B和C試樣經15周期試驗未出現減重趨勢。

將試樣的腐蝕速率變化規律與試樣宏觀形貌變化進行對比發現，變化最有規律的B試樣涂層破壞最輕，A和C試樣表面涂層的破環程度遠遠大于B試樣的，出現了較大面積的腐蝕坑，加之蝕坑處基體不斷被氧化腐蝕，從而導致腐蝕速率不規則變化。由于A試樣涂層減薄較多，再加之涂層的剝落和基體的腐蝕導致其第14周期即出現明顯減重；而C試樣涂層雖然也發生了嚴重的剝落腐蝕，但由于涂層減重較少，所以至第15周期尚未出現減重趨勢。

3.3 腐蝕機理探討

上述試驗結果表明：TW-7水基耐高溫涂層（底層+面層）在鹽霧－熱暴露試驗中的耐腐蝕性能要優于SKNC-65納米自修復涂層和TW-7水基耐高溫涂層（底層）的。

TW-7水基耐高溫涂層（底層+面層）表面形成的均勻Cr2O3和Al2O3混合物保護層是其具有較好耐腐蝕能力的主要因素。如果涂層局部與基體結合力不強，會導致形成鼓泡或破裂，這是造成該種涂層破壞的主要原因。

金屬在鹽霧中的腐蝕主要是吸氧腐蝕，在腐蝕過程中，鹽霧作為1種電解質加速微電池的腐蝕作用，隨著試樣表面鹽霧膜中氧氣的消耗，空氣中的氧不斷補充，使得腐蝕不斷進行[8]。SKNC-65納米自修復涂層本身較疏松，存在較多孔洞，使得腐蝕液（NaCl溶液）很容易穿過涂層而到達基體，進而腐蝕基體。同時，在熱暴露試驗中高溫氣氛也會輕易到達基體，使基體發生內氧化，生成氧化物。在GH907合金主要成分中，Fe的電位比Ni和Co的低，因此Fe優先發生腐蝕，生成Fe2O3，進而生成FeCl3，接著Ni和Co也發生氧化，導致在涂層和基體界面形成了1層腐蝕氧化產物層。內氧化逐漸加劇，產物層不斷增厚，在交界處逐漸產生裂紋，使得涂層離開基體，產生腐蝕坑。腐蝕坑內的產物暴露出來后，生成的FeCl3不斷溶于水中，使得腐蝕繼續進行。隨著基體氧化物的不斷生成，Cl－被阻擋在涂層外，Fe2O3不斷聚集，最終形成紅棕色的鐵銹。

TW-7水基耐高溫涂層（底層）中含有鋁粉。Al是1種高鈍化金屬，經過熱暴露試驗后會形成Al2O3膜以保護基體。但當進行鹽霧試驗時，Cl－又會與OH－競相吸附，逐步生成AlCl3溶于水中，使腐蝕不斷進行。涂層中的Al不斷被消耗，從而導致涂層破壞，形成腐蝕坑。基體暴露出來后，繼續腐蝕氧化，生成鐵銹。

4 結論

綜上所述，可以得出以下結論。

（1）經過15周期的鹽霧－熱暴露循環腐蝕試驗，3種涂層均發生了不同程度的破壞，基體發生氧化腐蝕。

（2）在本試驗條件下，TW-7水基耐高溫涂層（底層+面層）的防腐蝕性能優于另外2種涂層的，試驗后涂層表面形成了均勻的Cr2O3和Al2O3混合物保護層。而涂層與基體結合不牢是導致該涂層起泡、破壞的主要原因。

（3）SKNC-65納米自修復涂層涂層疏松多孔，所以防腐性能較差；TW-7水基耐高溫涂層（底層）中的Al與Cl+結合生成可溶性AlCl3是導致其發生破壞的主要因素。

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