鎳基鑄造高溫合金在CVD 涂層爐研制中的應用

王宇峰，倪崢嶸

（株洲鉆石切削刀具股份有限公司，湖南 株洲 412007）

1 CVD 涂層及設備

切削技術及刀具的發展現狀使涂層成為提高刀具性能的關鍵技術，制造技術的全面進步把切削技術推向了高速切削的新階段。CVD 是可轉位刀片的主要涂層工藝，CVD 是Chemical Vapor Deposition 的簡稱，即化學氣相沉積，是指金屬鹵化物、碳氫化合物等的氣態反應物在高溫下發生化學反應以析出金屬、氧化物、碳化物等固態物質沉積在基體表面，從而獲得涂層的工藝技術。通常在負壓和750 ～1050℃溫度的反應器中，以硬質合金刀片為基體，將高純度的H2、N2、HCL、CO2、CO、TiCl4、CH3CN、AlCl3等氣體按照生成涂層種類以一定配比均勻混合，反應后在刀片表面沉積，生成TiN、TiC、TiCN、Al2O3涂層或復合涂層。涂層化學穩定性好，減少了刀具與工件間的擴散,涂層刀具表面硬度高，耐磨性強，摩擦系數小，熱導率低，抗氧化性能好，尤其是多層涂層的廣泛應用，大幅改善了刀具的切削性能，提高了刀具的使用壽命。

CVD 涂層爐成為硬質合金刀具涂層工藝改進和發展的關鍵點。CVD 涂層爐的研制填補了國內刀具行業CVD 涂層設備的設計和制造空白，促進了該領域涂層設備國產化的進程，為硬質合金涂層工藝和牌號的進一步開發提供了技術平臺。

反應器作為CVD 涂層爐的主要消耗品，是保證涂層爐密封性能最重要的機械元器件之一,關系到涂層爐的運行穩定和生產安全。CVD 涂層工藝都是在反應器內進行的，為提高其可靠性和安全性能，研究能滿足生產需要的新型反應器也是CVD 涂層爐自主研發的重要組成部分。

2 設計思路和研究方法

2.1 材質研究

CVD 涂層爐的研制工程是一項大型的系統工程，涉及復雜的管路和機械元器件設計、縝密的結構原理和龐大的軟件設計。其主要由以下三部分組成：反應氣體前驅物供給系統、CVD 反應爐、尾氣處理系統（圖1）。

反應器的工藝溫度主要是通過其爐外的加熱罩來提供，工作參數：溫度750 ～1050℃,內部壓力：35 ～1000mbar,反應氣體：HCL、H2、N2、CO2、CO 等。作為反應器的材質應該滿足以下要求：（1）耐高溫性能好，在750 ～1050℃范圍內具有較高的強度；（2）對HCL 等氣體抗腐蝕性能好；（3）具有良好的抗氧化性能；（4）長期使用的情況下，要求具有較好的熱疲勞抗力。

圖1 CVD 涂層系統示意圖

根據以上要求，選擇一種鎳基高溫合金作為反應器材質。鎳基高溫合金中Ni 含量一般都超過了50%，在650 ～1000℃范圍內具有較高的強度,具有較強的抗氧化和抗腐蝕能力。通常在合金中Cr 的含量為10%～20%，Cr 在合金表面形成保護層，能穩定合金表面，起到抗高溫氧化和抗熱腐蝕的作用，其耐蝕性隨Cr 含量的增加而增強，有研究表明，過高的Cr 含量不利于合金高溫強度的保持。Mo 主要改善合金在還原性酸性介質中的耐蝕性，尤其是在HCL 中，對改善鎳基合金耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能尤其明顯。C 在Ni 合金中的溶解度很低，形成的一次碳化物和二次碳化物，會嚴重影響合金的加工制作和力學性能。Nb、Ta 等稀土元素可對鎳基合金起到強化的作用，其抗氧化性能和抗腐蝕性能也得到了提高,還可以改善其鑄造性能。

基于以上分析研究，研制了一種用于制造反應器的HT鎳鉻合金，其成分如表1。

HT 鎳鉻合金通過配比Ni、Cr 的比例，控制C、Si、P等影響合金性能元素的含量，使其具有較好的耐腐蝕性、抗氧化性以及高強的力學性能。同時，對HT 鎳鉻合金的機械性能（表2）和抗熱疲勞性能進行了檢測。

表1 合金的化學成分

表2 機械性能檢測報告

材料熱循環工藝模擬實驗報告

測試設備：Gleeble 1500 熱模擬試驗機

測試條件：試驗材料名稱：HT 鎳鉻合金

試樣尺寸：8x8x12cm

試驗應力（壓）：2MPa（恒載荷）

熱循環工藝疲勞模擬試驗工藝方案：1 分鐘升溫至1050℃→保溫10 分鐘→2 分鐘降溫至150℃，然后不斷循環至所需測試次數。

試驗結果：對HT 鎳鉻合金材料基體試樣分別進行了150、180 次的熱疲勞循環測試，對其試驗前后的試樣進行了對比測試。結果表明：除了循環試樣有輕微變形外（1%及5%），各次循環測試試樣外部表面及內部未發現裂紋及內部組織損傷。

2.2 制造工藝

反應器由吊鉤、封頭、筒體、法蘭組成，其中吊鉤、封頭、筒體材質為HT 鎳鉻合金，法蘭材質采用SUS310S。由于HT 鎳鉻合金在熔融狀態下流動性較差，精密鑄造容易造成氣孔等鑄造缺陷，因此，筒體采用了離心鑄造工藝進行制造。離心鑄造的鑄件致密度高，氣孔、夾渣等缺陷少，力學性能好，有助于液體金屬中氣體和夾雜物的排除，優化了金屬的結晶過程，從而改善了鑄件的機械性能和物理性能。由于離心鑄造的鑄件內孔有直徑不準確、內孔表面比較粗糙的特點，鑄件可適當加厚內外徑尺寸，然后對內外表面進行機加工，保證筒體的尺寸精度和表面粗糙度（圖2）。

反應器主要參數：內腔有效尺寸（直徑×高度）：Φ500mm×1500mm；總高度：1685mm；重量：358±5kg。

封頭與筒體，筒體與法蘭之間采用雙面焊接。焊接性能上，HT 鎳鉻合金在焊接時具有較高的熱裂紋敏感性，可采取用本材絲條氬弧堆焊，限制焊接材料中易偏析元素和有害雜質的含量，控制焊接過程中的焊接工藝參數，提高焊縫成形系數，采用多層多道焊法，減少熱量的輸入，提高焊縫成形系數等措施來保證焊接質量。焊接完后需要進行熱處理，用以消除由于焊接引起焊件不均勻的溫度分布，焊縫金屬的熱脹冷縮等原因造成的殘余應力，改善疲勞強度，提高抗應力腐蝕的能力，獲得所要求的組織狀態和良好的綜合性能。

圖2 反應器

2.3 焊縫焊接質量檢測

焊縫焊接質量直接關系到反應器的的運行安全，使用前采用射線探傷方法（RT）對筒體與封頭、筒體與法蘭的四處焊縫進行檢測，利用（X、γ）射線源發出的貫穿輻射線穿透焊縫后使膠片感光，焊縫中的缺陷影像顯示在經過處理后的射線照相底片上，來發現焊縫內部氣孔、夾渣、裂紋及未焊透等缺陷。焊縫經檢測合格后方可進行下一步試驗。

3 試驗方法及結果

3.1 試驗方法

為檢驗反應器的性能和使用壽命，將其在CVD 涂層爐上進行使用。每次開爐前需要做密封檢測，將反應器裝配在底座上，先確認密封圈是否放好、旋轉氣缸夾具是否加緊等，然后向反應器內充入H2，對相關部位用氫氣檢漏儀檢測。檢測完畢無泄漏后，用水環泵將反應器內H2抽出，用真空泵抽到工藝要求的真空度，進行保壓檢測，其合格的真空泄漏率在工藝要求范圍內。試驗期間，每次開爐后清洗反應器時，對焊縫、筒體變形情況、內腔腐蝕情況、外表面氧化情況等進行檢查，結果均符合要求。

3.2 試驗結果

圖3 為反應器在運行120 爐次（設計使用壽命）前后的對比，通過檢測，研制的反應器在達到設計使用壽命后，封頭無塌陷，筒體變形不明顯，內腔表面未見明顯腐蝕痕跡，外表面有氧化現象發生，外表面和法蘭處有少量黑色粉狀氧化物殘留，筒體厚度有大約1mm 左右的減小，各項指標均為正常范圍。

圖3 試驗結果

4 結語

（1）以HT 鎳鉻合金為主體材質的反應器，適應CVD 涂層工藝要求，達到了進口件的同等性能和使用壽命，能滿足科研生產需要。

（2）難熔金屬表面高溫抗氧化涂層技術將一些耐高溫性能較好的金屬氧化物，在金屬基體表面上進行等離子噴涂，通過黏結劑的黏結作用在金屬基體表面形成一層粉料涂層。我國科學家對不同種類的高溫涂層材料的研究表明，鎳基Ni-Cr-Al-Y 型涂層具有優良的高溫耐氧化性能，鈷基Co-Cr-Al-Y 型涂層則更具高溫耐熱耐腐蝕性能。在反應器外表面上進行熱噴涂，不僅提高了抗高溫氧化性能，又可保持合金的力學性能在許可范圍內，防止液體和氣體進入基體里，保護基體的正常工作，從而達到延長反應器使用壽命的目的。