K438（K38/C74380）铸造高温合金渗铝涂层抗高温氧化性能的研究

K438是镍基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金，是抗热腐蚀性能很好的合金之一，使用温度小于900℃，合金成分和性能与国外应用的IN738合金相当，合金中含有较高的铬元素，并含有钽和铌元素。该合金具有抗热腐蚀性，具有中等水平的高温强度和良好的组织稳定性。

K438高温合金渗铝涂层经1000℃，500h氧化实验，其氧化动力学曲线基本符合抛物线规律，渗铝的K438高温合金氧化增重明显低于无涂层的K438合金，其抗高温氧化性能与未加涂层的K438合金相比有明显提高。高温氧化过程中，表面形成连续，致密的Al203氧化膜。Al203氧化膜的形成是材料具有良好抗高温氧化性能的主要原因。它的化学性质稳定，致密性好，具有良好的抗氧化性和抗热腐蚀性。Al202氧化膜与基体黏附性良好。在整个氧化过程中，保温时间为100h的试样表面有轻微粉末状颗粒剥落，在剥落区有新的氧化物形成。

保温200h，300h，400h氧化层仍致密完整，保温时间达500h时局部出现剥落，通过对500h定点能谱分析，未剥落区仍为颗粒状的a-Al20。K438镍基高温合金渗Al涂层在氧化过程中通过互扩散形成富Al的β一NiAl和富Ni的β—NiAl化合物层，此化合物层是获得良好的抗高温氧化性能的关键。β层很厚，随着氧化时间的增加，β层分解较慢，渗Al的K438镍基高温合金在1000℃保温500h仍具有良好的抗高温氧化性能。

K438铸造高温合金

在高温下使用的金属材料统称为高温合金或超合金。高温合金必须满足两方面的性能要求∶一是具备良好的高温力学性能，二是具备优异的抗高温腐蚀性能。合金的高温力学性能主要包括∶蠕变、持久强度、疲劳强度及持久塑性等。因此，高温合金是一类既具有优异的高温强度，同时又具有优良的抗高温腐蚀性能的合金。在各种工业环境中，对所使用高温合金的性能的要求的侧重点不同。有些情况下，高温强度是材料的最重要特性。在另外一些情况下，则以耐高温腐蚀性能作为材料的最重要特性。而且由于高温环境中腐蚀介质不同，对材料的耐高温腐蚀性能的要求也不同。

这包括抗氧化性能、抗硫化性能、抗碳化或抗热腐蚀性能等。因此，存在多种多样的高温合金类型。目前，工程上应用的高温合金主要是铁基合金，镍基合金和钴基合金。铁基，镍基和钴基高温合金扩大了在航空发动机上的应用范围，从涡轮叶片到大部分高温部件，如涡轮盘，燃烧室，排气喷口等，同样在地面发电和交通，尤其在海上动力的轴马力燃气轮机上的应用前进了一大步。

物理性能：熔点：1260℃~1330℃； 密度：ρ=8.16g/cm3；膨胀系数：20~800℃：15.6╳10-6℃-1；室温硬度（850℃时效）：HBS373

力学性能：20℃：屈服强度880Mpa，延伸率7.3%；800℃：屈服强度855Mpa，延伸率10.7%。高温持久：800℃，235Mpa大于20000h，450Mpa大于100h。

主要应用：该合金用于舰船及地面工业燃气轮机的长寿命涡轮工作叶片和导向叶片，以及航空发动机的涡轮零件部件。

镍基高温合金

镍基合金是高温合金的一种。镍基合金广泛地应用于制造航空发动机，各类燃气轮机的热端部件，如涡轮部件的工作叶片、导向叶片、涡轮盘，燃烧室部件。因此，它在高温合金材料中有很重要的地位。若以150MPa，100小时的持久强度为标准，则目前镍基合金所能承受的最高温度约为1100℃，而钴基合金约950℃，铁基合金小于850℃，即镍基合金相应地高出150℃~250℃左右。

目前在先进的发动机上镍基合金已占总重量的一半左右，不仅涡轮叶片及燃烧室，而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用镍基合金。除此，不难看出，镍基合金的工作温度高，组织稳定，有害物质少，抗氧化、抗热腐蚀性能好，能在较高的温度与应力下工作。镍本身为面心立方晶体结构，组织非常稳定，无同素异型转变。镍具有很好的合金化能力，很少与其它合金元素形成有害相，因此为改善镍的各种性能提供了潜在的可能性。

合金元素对镍基高温合金的影响

复杂镍基合金中加入10多种大量元素和微量元素。现将它们的作用简要叙述∶

Co、Cr、W、Mo主要是起固溶强化作用，也是碳化物形成元素，在广泛应用的镍基合金中，几乎都含有10—20%的Cr。Cr是稳定合金表面最重要的元素，它在基体材料的表面生成抗氧化和抗腐蚀的保护层。加入Cr可形成富Cr20;层，它有很低的阳离子空位，所以能阻止金属元素向外扩散，能防止材料的氧化和热腐蚀。在典型的镍基合金K438中看到Cr的量是比较大的，其目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能。因为铬在其中的作用是多重性的，即可同镍形成多种硼化物、碳化物硬质相分布在Y相中，对增加合金涂层的耐磨性具有突出贡献。并且，可在高温燃气作用下生成致密的氧化保护膜，显著提高抗高温氧化和热疲劳性能。

Co在Ni—Cr时效合金中对高温强度有良好的作用∶（1）降低Ti和Al在基体中的溶解度，增加了强化相的数量;（2）强化γ’，变成（Ni，Co）3（Al、Ti），提高γ’相的固溶温度;（3）通过减少碳化物在晶界上的析出，以减少晶界贫Cr区的宽度;（4）降低基体的堆垛层错能，以发挥固溶强化作用，Co还能改善镍基合金的热加工性能、塑性和冲击韧性。

W、Mo主要进入合金的固溶体，减慢Al、Ti和Cr的高温扩散速度，并增加扩散激活能，加强固溶体中原子间结合力，减慢软化速度。Mo比W的效果更为显著，只有加入不小于7—8%W时才显著地改善合金的热强性。W、Mo能显著增加镍基合金中γ’相的稳定温度，即提高γ’相的溶解温度，由于加入W降低了Al、Ti在基体中的溶解度，故增加了Y’的数量，从而提高了使用温度。W在高Ti/Al的合金中，减少Ti原子的扩散速度，故能阻止γ’相向n相的转变过程。

Al、Ti是γ’相【Ni3（Al、Ti）】主要形成元素，通过γ’在基体内弥散分布，影响位错行为以强化合金，Y’中可溶解许多元素。Nb、Ta主要进入Y’，因此认为Nb、Ta是强化和稳定γ’的主要元素。镍基合金的高温性能主要取决于Al、Ti加入总量和Ti—Al比，增加Al、Ti总量可明显提高γ’固溶温度和γ’体积分量。较好的高温合金，Al、Ti之和接近10%，Al、Ti、Nb、Ta之和为16%。低Ti—Al比（高Al、低Ti）合金，一般在较高温度下使用，高Ti—Al比对于良好的抗热腐蚀性能是必要的，提高Ti—Al比增强抗热腐蚀性，但Ti—Al比过高则容易出现粗大片状n（Ni;Ti）相，使合金脆化，强度和塑性急剧降低。Ta（W也有同样作用）加入到合金中，除了主要强化Y’外，使基体内的Cr稳定，间接起到抗热腐蚀作用。

Nb此外也可提高合金的焊接和工艺性能。铌在超耐热合金中的主要作用是固溶强化和析出强化。铌形成MC和M4C形式的碳化物进而形成Ni，Nb双强化相。铌在超耐热合金中由于固溶和NigNb双相析出强化明显地提高了抗蠕变强度。

加入适量的B、Zr能显著提高合金的持久寿命，降低蠕变速率，并显著改善持久缺口的敏感性，提高合金的塑性和加工性能。B、Zr主要存在于晶界上，其作用可认为是改善晶界形态。关于微量B、Zr、稀土、碱土元素显著改善合金性能的机理，目前尚未完全清楚，一般认为加入这些元素都是改善了晶界状态，提高晶界强度。

合金中的难熔金属，如Mo、W、Ta和Cr，在涂层与基体中沉积，形成金属间化合物和碳化物，不易移动，阻止了涂层中的Al元素和基体元素的扩散，起到了扩散障的作用。有效抑制了合金基体的氧化和涂层的失效寿命。

改善塑性和热加工性能同时还需加入其他一些元素;如钴和钒。合金中的微量元素可粗略分为两大类∶一类为有害杂质，包括硫、磷、氧、氮、氢、铝、锡、锑、铋、砷等;一类为有益元素，包括碳、硼、镁等。但是也要根据实际的情况而选择。