InconelX-750鎳基合金激光噴丸抗熱腐蝕性能及機(jī)理
1.引言
InconelX-750鎳基合金是主要以γ’’相(如Ni3AI,Ni3Ti和Ni3Nb)進(jìn)行時效強(qiáng)化的鎳基高溫合金,在高溫條件下具有良好的抗熱腐蝕﹑抗氧化和耐松弛等性能,主要用于制造航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中的耐腐蝕部件。在海洋環(huán)境中工作的燃?xì)廨啓C(jī)使用的燃油中含有的S元素在燃燒過程中被氧化﹐被氧化的產(chǎn)物與海洋空氣中的NaCl反應(yīng)生成Na2SO4,然后在燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件上形成一層破壞金屬表面氧化層的熔融鹽膜,加快了里層金屬的氧化和硫化,最終導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的早期失效。
熱腐蝕是腐蝕破壞中常見的一種形式,熱腐蝕過程就是硫和氧生成的硫化物被氧化還原再硫化的循環(huán)過程。在腐蝕初期,合金表面存在的Cr2O3或Al2O3保護(hù)性氧化膜可延緩金屬表面的腐蝕速率。根據(jù)酸-堿熔融機(jī)理,一旦合金表面的Cr2O3或Al2O3氧化膜完全溶解,S向合金中的擴(kuò)散便沒有了阻礙,合金腐蝕速率隨之增大。
高溫合金的熱腐蝕防護(hù)主要從材料設(shè)計和使用維護(hù)兩方面考慮。材料設(shè)計是指在考慮材料的加工性能、經(jīng)濟(jì)性以及燃?xì)廨啓C(jī)不同熱端部件所需的相關(guān)性能的前提下﹐選用抗熱腐蝕性能好的材料。利用定向凝固合金,粉末冶金、細(xì)晶鑄造、單晶合金等材料制造技術(shù)可制造高抗熱腐蝕性能材料,但成本較高。在高溫合金的使用維護(hù)方面,采用防護(hù)涂層技術(shù)可以有效隔絕燃?xì)獠⒎乐篃岣g現(xiàn)象的發(fā)生。MCrAlY包覆涂層和陶瓷熱障涂層是防熱腐蝕效果較好的防護(hù)涂層,但陶瓷熱障涂層存在熱應(yīng)力剝落的問題,限制了其應(yīng)用范圍。
激光噴丸(LP)作為一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù),可以同時提高材料表層的殘余應(yīng)力和硬度﹐誘導(dǎo)材料表層的位錯增殖和晶粒細(xì)化。研究表明,采用激光強(qiáng)化技術(shù)可有效改善高溫合金材料的抗熱腐蝕性能。Lu等研究發(fā)現(xiàn),大規(guī)模的LP處理顯著提高了AISl304不銹鋼的極限拉伸強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕開裂敏感性和電化學(xué)耐腐蝕性;且激光脈沖能量越大，AISI304不銹鋼的耐腐蝕性越好。Hua等研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過LP強(qiáng)化處理的TC11鈦合金的平均腐蝕速率比未處理合金的低50%以上。因此,ILP誘導(dǎo)組織強(qiáng)化和應(yīng)力強(qiáng)化是提高材料耐腐蝕性的有效手段,而目前針對高溫合金IP強(qiáng)化后抗熱腐蝕行為和相關(guān)機(jī)理的研究鮮有報道。
本文采用Nd…YAG納秒高功率激光器對InconelX-750鎳基合金進(jìn)行LP強(qiáng)化處理,從腐蝕動力學(xué)、腐蝕層截面形貌以及腐蝕產(chǎn)物等方面分析LP強(qiáng)化InconelX-750鎳基合金的熱腐蝕行為,探究LP改善InconelX-750鎳基合金抗熱腐蝕性能的機(jī)理。
2實驗材料與方法
將InconelX-750鎳基合金板材利用線切割技術(shù)切割成20mm×40mm×4mm的片狀試樣,試樣的表面經(jīng)過水砂紙打磨,采用顆粒直徑為0.5nm的拋光劑進(jìn)行拋光處理。InconelX-750鎳基合金的化學(xué)成分見表1。
LP實驗使用Nd…YAG激光器系統(tǒng),波長為1064nm,脈寬為10ns。根據(jù)Devaux等提出的激光誘導(dǎo)沖擊波峰值壓力模型和材料的彈性極限﹐實驗選用的激光脈沖能量分別為7,8,9J,光斑直徑為3mm,搭接率為50%,沖擊次數(shù)為l,采用厚度為120pum的鋁箔作為能量吸收層,水作為約束層(水流厚度為2mm)，LP原理如圖1所示。實驗中需對試樣進(jìn)行雙面噴丸,LP區(qū)域為15mm×24mm的矩形區(qū)域,LP路徑及LP后試樣如圖2所示。
熱腐蝕實驗采用涂鹽法﹐為了防止未噴丸區(qū)域在熱腐蝕實驗中對噴丸區(qū)域產(chǎn)生影響,采用線切割方法取15mm×24mm噴丸區(qū)域作為熱腐蝕試樣,對再次加工試樣表面進(jìn)行打磨和拋光處理。將未處理試樣和LP試樣先用酒精清理干凈﹐然后用丙酮進(jìn)行超聲波清洗﹐在干燥箱中干燥后取出稱重備用。
根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)在海洋環(huán)境中工作時空氣所含鹽的成分比例,涂鹽所選飽和鹽溶液由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的Na2SO4和25%的NaCl制備。清洗過的試樣加熱后,用自制的噴淋設(shè)備將飽和鹽溶液均勻地噴涂在試樣表面;在干燥箱中干燥后,在試樣表面制備得到2.5mg/cm2的鹽膜。將涂鹽試樣分別置于紺蝸中,并將紺蝸放入箱式電阻爐中,腐蝕溫度設(shè)為950℃,總腐蝕時間為60h,每10h取出試樣稱重后重新涂鹽。對腐蝕60h后試樣的截面形貌用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行表征﹐并用能譜分析儀(EDS)對截面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析。
3實驗結(jié)果與分析
3.1熱腐蝕動力學(xué)分析
未處理試樣和經(jīng)過不同脈沖能量激光噴丸的試樣在950℃下腐蝕60h后的熱腐蝕失重動力學(xué)曲線如圖3所示?？梢钥闯?未噴丸試樣的腐蝕失重最大;隨著LP能量的增大,激光噴丸試樣的腐蝕失重減小。
圖3中4種試樣的熱腐蝕動力學(xué)曲線均可分為緩慢腐蝕階段和加速腐蝕階段。在緩慢腐蝕階段,未處理試樣在腐蝕前10h的腐蝕速率為0.518mg/(cm2·h);激光脈沖能量為7J和8J下的試樣在前20h的腐蝕速率較低,分別為0.339mg/(cm2·h)和0.259mg/(cm3·h);激光脈沖能量為9J下的試樣在前30h的腐蝕速率為0.243mg/(cm2·h),比未處理試樣的腐蝕速率降低了53%。這主要是由于在腐蝕初期﹐試樣表面存在保護(hù)性氧化膜,致密的氧化膜降低了S和О。侵入試樣基體內(nèi)的速度﹐從而降低了腐蝕速率。在加速腐蝕階段,4種試樣的腐蝕速率明顯增大﹐且腐蝕速率均為1mg/(cm2·h)左右。隨著腐蝕的進(jìn)行,試樣表面的保護(hù)性氧化膜被破壞,腐蝕進(jìn)入加速階段,腐蝕表面疏松多孔,甚至出現(xiàn)裂紋和腐蝕物剝落現(xiàn)象。LP處理后的試樣在熱腐蝕過程中處于緩慢腐蝕階段的時間增加,并且LP能量越大,在緩慢腐蝕階段滯留時間越長,說明LP強(qiáng)化后試樣表層氧化膜的抗熱腐蝕性能得到了提高。
衡量合金抗熱腐蝕性能的高低,不僅要看其質(zhì)量的變化,更重要的是試樣腐蝕層深度。未處理試樣及LP試樣熱腐蝕60h后的腐蝕層深度由放大200倍的腐蝕層截面形貌SEM圖測量得到,結(jié)果見表⒉,表中最大值和最小值分別表示試樣腐蝕最嚴(yán)重和最輕微部位的腐蝕層深度。從表⒉看出,熱腐蝕60h之后,未處理試樣的腐蝕層深度的最大值和最小值達(dá)到最大。經(jīng)過LP強(qiáng)化處理的試樣隨著激光脈沖能量的增大,腐蝕層深度最小值變化不大,均為未處理試樣的55%左右;隨著激光脈沖能量的增大﹐腐蝕層深度最大值明顯降低,激光脈沖能量為7J和8J下的試樣腐蝕層深度的最大值分別為未處理試樣的68%和61%,而激光脈沖能量為9J下的試樣只有未處理試樣的46%。這說明LP有效抑制了腐蝕深入﹐并且激光脈沖能量大小是決定試樣腐蝕程度的關(guān)鍵因素之一。
3.2腐蝕截面形貌與成分分析
熱腐蝕60h后試樣腐蝕層的截面形貌如圖4所示。未處理試樣熱腐蝕60h后腐蝕層的EDS能譜見表3。從圖4(a)中可以看出,未處理試樣的腐蝕層分為外部腐蝕層和內(nèi)部腐蝕層,結(jié)合表3可知,外部腐蝕層厚度約為80μm。未處理試樣的外部腐蝕層結(jié)構(gòu)疏松多孔且腐蝕嚴(yán)重,腐蝕層表面有腐蝕產(chǎn)物的剝落﹐與內(nèi)部腐蝕層發(fā)生斷裂,這可能是因為NaCl的浸蝕導(dǎo)致了試樣表面氧化層的破裂與剝落。外部白色的圓形顆粒為鎳的硫化物,內(nèi)部的絮狀物為氧化物,含有少量的S。內(nèi)部腐蝕層腐蝕的程度較輕﹐腐蝕層厚度約為120μm,未產(chǎn)生顆粒狀的腐蝕產(chǎn)物,最外層為深灰色的Al2O3和Cr2O3氧化層,但S和O2的侵入導(dǎo)致晶間腐蝕,腐蝕產(chǎn)物為少量的硫化物和氧化物。
從圖4(b)～(d)可以看出,經(jīng)過LP強(qiáng)化處理的3種試樣的腐蝕層均只有一層,未出現(xiàn)腐蝕嚴(yán)重的外部腐蝕層,說明LP試樣在腐蝕過程中沒有因為NaCl的浸蝕而發(fā)生表層氧化膜破裂和剝落現(xiàn)象，腐蝕速度較慢，且LP能量越大,試樣的腐蝕程度越輕。
LP過程中,大功率激光束作用在合金表面的能量被吸收層吸收﹐吸收層氣化成等離子體并迅速膨脹﹔因為約束層的存在,合金表面軸向受壓發(fā)生劇烈的塑性變形。LP后,合金表層會保留高幅值的壓應(yīng)力。不同脈沖能量L.P后InconelX-750試樣在深度方向上的殘余應(yīng)力分布如圖6所示,LP強(qiáng)化后試樣表層形成了殘余壓應(yīng)力分布,最大幅值約為一360MPa,影響層厚度為600u.m左右。LP提高InconelX-750鎳基合金抗熱腐蝕性能的機(jī)理如圖7所示,因為殘余壓應(yīng)力影響層的存在﹐當(dāng)NaCl滲透到氧化膜內(nèi)部與CTr,O2反應(yīng)產(chǎn)生的氣體壓強(qiáng)將導(dǎo)致氧化層萌生裂紋時,四周材料對該區(qū)域產(chǎn)生的壓應(yīng)力能夠有效阻止裂紋的產(chǎn)生和氧化膜的破裂,避免了S和O2進(jìn)入基體內(nèi),從而降低了S和O2侵入基體內(nèi)部的速率。綜上所述,LP誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力層能夠有效阻止S和O2的浸透,降低InconelX-750鎳基合金的腐蝕速度，從而提高InconelX-750鎳基合金的抗熱腐蝕性能。
4結(jié)論
對比了Inconel X-750鎳基合金在不同激光脈沖能量下LP試樣與未處理試樣的熱腐蝕行為,分析了LP處理提高Inconel X-750抗熱腐蝕性能的機(jī)理,得出結(jié)論為:1)LP試樣的腐蝕速度明顯低于未處理試樣的,且激光脈沖能量越大,試樣緩慢腐蝕階段的時間越長﹐腐蝕速率越低;2)未處理試樣在熱腐蝕60 h后出現(xiàn)了兩層腐蝕層,外部腐蝕層嚴(yán)重腐蝕并出現(xiàn)斷裂和剝落現(xiàn)象,而腐蝕60 h后的LP強(qiáng)化試樣只出現(xiàn)了內(nèi)部氧化層,說明LP試樣在腐蝕過程中沒有因為NaCl的浸蝕而發(fā)生表層氧化膜破裂和剝落現(xiàn)象﹐腐蝕速度較慢;3)IP誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力層能夠有效阻止O2,S的浸透,降低了Inconel X-750鎳基合金的腐蝕速度,提高了鎳基合金材料的抗熱腐蝕性能。
