1Cr11Ni2W2MoV鋼表面涂層強化技術淺析

劉風坤

（貴陽職業技術學院，貴州 貴陽 550081）

1Cr11Ni2W2MoV鋼又稱961不銹鋼，是前蘇聯于20世紀50年代研發的一種熱強型馬氏體不銹鋼。該鋼種具有較高的蠕變極限、室溫拉伸強度及持久強度，同時兼具較好的冷熱加工工藝性能和優良的抗氧化性能，被廣泛地用于制造服役溫度在600℃以下的航空發動機壓氣機葉片、壓氣機輪盤、機匣、螺栓、軸等重要部件。由于航空發動機中零部件的工作環境極為苛刻，因此使用1Cr11Ni2W2MoV鋼制造相關零部件時，需要對其進行表面強化處理來提高零件的表面完整性，增強零件的強度、韌性、耐磨性以及防氧化、腐蝕的性能。

表面涂層強化技術是指采用一定的工藝或技術，在材料表面施加一層厚度較薄的涂層，以提高材料的抗氧化、抗腐蝕性能，進而增強材料高溫持久強度和疲勞壽命的一種強化方法。1Cr11Ni2W2MoV鋼制航空發動機葉片工作在高溫、高壓、高轉速的環境中，這種服役環境下，葉片表面受到夾雜硬顆粒、具有腐蝕性氣體的沖刷，極易被氧化腐蝕，從而在葉片表面產生疲勞裂紋，最終發生斷裂。采用表面涂層強化技術為1Cr11Ni2W2MoV鋼制葉片施加相應的涂層可以有效提高葉片的高溫抗氧化腐蝕的能力，從而提高葉片的高溫持久強度和疲勞壽命，提升葉片的可靠性和服役時間，減少航空發動機的維護成本。

1 涂層強化技術的機理

1Cr11Ni2W2MoV鋼制航空發動機壓氣機葉片的表面涂層強化通常是采用一定的工藝在零件表面施加氮化鈦鋁涂層。（Ti，Al）N涂層在高溫下（超過600℃）經過若干小時的氧化后，會在表面會形成一層致密、完整的Al2O3氧化膜，該氧化膜是一層保護膜，可以有效地阻礙氧化反應的進一步發生，保護內層的基體材料。

金屬在高溫氧化環境中必然會發生氧化反應：

但不同金屬形成氧化物MxOy的熱力學穩定性不同。熱力學穩定性好的金屬氧化物在氧化氣氛中優先氧化，且熱穩定性好，不易發生分解。從Ellingham圖中可以看出Al元素與O元素形成氧化物的熱力學穩定性高于Fe元素與O元素形成氧化物的熱力學穩定性，因此，從熱力學的角度來看，Al元素和O元素形成的氧化物，可以保護Fe元素不被氧化。

氧化膜的致密性和完整性是評價其抗氧化性的重要標志。PBR是評判氧化膜致密性的有效指標。

式中，VOX為氧化物的體積，VM為金屬原子的體積，A為金屬的原子量，dM為金屬的密度，M為氧化物的分子量，n為氧化物中金屬原子數目，dOX為氧化物的密度。

PBR＜1時形成的金屬氧化物不能完全將金屬表面覆蓋，起不到抗氧化作用；PBR＞1時形成的金屬氧化物與基體的體積比太大，氧化膜中會存在過大的內應力，氧化膜與基體結合不牢，容易脫落，起不到抗氧化作用；只有當PBR≈1（略大于1）時才能形成致密的、完整的氧化膜，起到抗氧化作用。α-Al3O2的PBR值為1.28，適合作為保護性氧化膜。

Al2O3的蒸氣壓較低，容易被環境中的氣壓超越，受到氧分壓的影響小，不易發生升華或分解，氧化膜的穩定性較好。Al2O3氧化膜的擴散系數也較低，金屬原子及氧原子通過Al2O3氧化膜的難度大，也使進一步發生氧化反應變的困難。此外，Al2O3的熔點高達2040℃。這些特性都使Al2O3氧化膜具備了良好的抗氧化保護性。

采用電弧離子鍍技術在1Cr11Ni2W2MoV鋼零件表面沉積的（Ti，Al）N涂層，在高溫時不僅可以起到抗氧化腐蝕效果，而且與基體的結合性能良好，服役時不易開裂、脫落，能有效提高零件服役時的疲勞壽命和持久強度。

2 涂層強化技術的應用

從施加（Ti，Al）N涂層和未施加涂層的1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件的高溫拉伸性能、高溫持久性能、疲勞性能實驗來看，施加的（Ti，Al）N涂層對零件的高溫拉伸性能沒有太大影響，而對零件的高溫持久性能和疲勞性能均有較大幅度的提升。

采用表面涂層對1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件進行強化時，涂層具備抗熱腐蝕和高溫氧化性能，其作用是保護基體合金不被氧化腐蝕，而材料的結構強度還是由基體來承擔。因此，施加涂層后材料的拉伸強度基本不受影響。但涂層自身的特性以及涂層與基體的結合力和相容性成為涂層能否有效實現抗氧化性能提高疲勞壽命的關鍵。電弧離子鍍技術是物理氣相沉積（PVD）的一種，是在基體材料表面沉積涂層的同時，利用電弧放電釋放出來的荷能離子對涂層材料進行轟擊改性的沉積技術。該工藝技術能夠有效改變涂層鍍膜的組織結構，改善涂層性能，提高涂層與基體的結合力。

對于施加了涂層的零件在高溫下工作時，由于涂層和基體合金的熱膨脹系數有較大的差異，在二者結合面處會產生較大的熱應力，造成涂層的開裂和脫落，影響涂層的抗氧化效果。采用電弧離子鍍技術可以在基體合金表面沉積一層具有梯度功能的涂層，該涂層能夠有效地減少熱應力，增強涂層與基體的結合力。梯度涂層是指涂層材料的組分按照一定規律呈梯度漸變，從而使涂層的微結構及某些物理特性也按照一定的規律漸變。比如，最內層涂層材料的熱導率接近基體材料的熱導率，之后由內層向外層涂層材料的熱導率，按照一定的規律連續變化。通過這種方法設計涂層可以實現熱應力的合理分布，滿足涂層設計功能的目的。

納米材料由于具有大的體積百分數界面和特殊的結構（三叉晶界數量高），使得其延性大大增強，裂紋的形核和擴展速率大大降低。除此之外，納米材料的熱膨脹系數比普通材料的高出一倍，這使得納米涂層材料比普通涂層材料更接近基體合金的熱導率。這一性質也有利于緩解涂層的熱應力，增強涂層與基體的結合力。

近年來，有研究利用電弧離子鍍技術將梯度功能材料與納米材料的概念結合起來，制備出了梯度納米（Ti，Al）N涂層，將其沉積在1Cr11Ni2W2MoV鋼的表面。該涂層同時具備了梯度涂層和納米涂層的優點，更好地保護基體材料，使其免受高溫氧化的侵蝕，提高零件的疲勞壽命。

3 涂層強化技術的效果

李明升等研究了（Ti，Al）N涂層對1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件力學性能的影響，發現沉積了氮化鈦鋁涂層的1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件，其高溫拉伸強度沒有太大變化，而高溫持久強度與常溫旋轉彎曲疲勞強度顯著增強。

首先，涂層的厚度很薄，材料的拉伸強度主要依靠基體來承擔；其次，從相關實驗的斷口分析中，發現涂層中的裂紋也沒有向基體擴展的趨勢。因此，涂層沉積前后，涂層對1Cr11Ni2W2MoV鋼的高溫拉伸性能基本上沒有影響。

相對于拉伸強度而言，持久強度和疲勞強度則需要材料在較低的載荷下，服役更長的時間，來考察材料的持久性能和疲勞性能。因此，高溫持久強度與常溫旋轉彎曲疲勞強度對材料的表面狀態有著更高的要求。

在1Cr11Ni2W2MoV鋼表面利用電弧離子鍍技術沉積的梯度納米（Ti，Al）N涂層，一方面，對于涂層本身的強度而言，使得高溫工作狀態下，涂層與基體材料具有非常強的結合力；納米結構使涂層本身在強度、韌性和塑性上有了很大提高，阻礙了涂層內裂紋的形核率和生長速度。另一方面，涂層具有的納米結構，可以使涂層中的Al選擇性氧化，增大Al2O3的形核速率，生產更加致密的Al2O3膜。與此同時，涂層在高溫下還會發生氮化物的分解和氮元素的擴散，使得N2富集于Al2O3的生成的界面處，降低該出的氧分壓，使生成氧化膜的穩定性更好，極大地增強了抗氧化效果。

4 結語

在1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件表面施加具有梯度納米特性的氮化鈦鋁涂層，可以有效地增強基體材料的高溫持久強度和疲勞壽命，是對1Cr11Ni2W2MoV鋼材料強化的一種有效手段。

涂層材料對在高溫下服役的基體材料產生強化的機理在于：涂層材料中鋁等元素在高溫下發生氧化反應生產致密、穩定的具有抗氧化性的Al2O3氧化膜，保護基體材料。

涂層的梯度功能特性，使得涂層的物理特性從內層向外層按照一定的規律梯度漸變，可以大大減少涂層與基體結合處了熱應力，增強兩者的結合力。

納米結構材料具有的特殊性能，可使涂層的強度、韌性和塑性得以大幅度提高，一方面增強了涂層本身的強度，另一方面還降低了裂紋在涂層中的形核和擴展速率。