Ta10W合金管表面微裂纹对涂层及高温工作寿命影响分析

Ta10W合金管表面微裂纹对涂层及高温工作寿命影响分析

王立斐、赵刚、梁斌、刘尖、王蓉

宁夏东方钽业股份有限公司，宁夏,石嘴山,753000

摘要：本文对表面制备高温抗氧化涂层后的Ta10W合金管在1800℃高温下工作时发生氧化破坏的因素通过金相、SEM、EDS等方法进行分析，研究了Ta10W合金管在1800℃高温下工作时造成氧化破坏的相关因素。研究结果发现，造成涂层Ta10W合金管在1800℃高温下工作时发生氧化破坏的主要因素是Ta10W合金管基材表面存在微裂纹，制备涂层时，涂层渗入合金管基材表面微裂纹，在高温下由于合金热膨胀变形，微裂纹处涂层首先破坏造成基体发生氧化。

Effect of surface micro-cracks on coating and high temperature service life of Ta10W alloytube

Wang Lifei, Zhao Gang, Liang Bin, Liu Jian，Wang Rong

(Ningxia Orient Tantalum Industry Co.,Ltd., Shizuishan 753000, China)

Abstract: In this paper, the factors of oxidation failure of Ta10W alloy tube with high temperature oxidation resistant coating at 1800 C°were analyzed by metallography, SEM, EDS and so on, the related factors of oxidation damage of Ta10W alloy tube at 1800 C° were studied. The results show that the main factor causing the oxidation failure of the coated Ta10W tube at 1800 C°is the micro-crack on the surface of the substrate of the Ta10W tube, at high temperature, because of the thermal expansion deformation of the alloy, the coating on the micro-crack is destroyed firstly causing the substrate’s oxidation.

关键词：Ta10W合金 微裂纹 氧化 涂层

Key words: Ta10W alloy micro-crack oxidation coating

前言

随着科学技术的快速发展，巡航飞行器的研发已全面进入高超声速阶段，对发动

2022年宁夏回族自治区重点研发计划项目，项目编号：2022ZDYF0024；项目名称：航天用钽基超高温合金复杂构件制造与表面防护技术的研究开发

作者简介：王立斐，生于1973年，男，宁夏人，工程师，研究方向：高温材料。

机结构材料工作温度的要求越来越高。目前发动机高温部件的工作温度已达到1800℃～1900℃[1]。Ta10W合金作为难熔合金的一员，熔点高达3080℃，具有非常好的室温及高温力学性能，在2000℃下抗拉强度能达到100MPa，在航天及巡航飞行器领域有重要的应用，是新一代重要的超高温宇航材料[2]。但Ta10W合金在高温环境下工作依然存在氧化问题，为满足发动机用Ta10W合金在1800～1900℃下的使用需求，必须在合金表面制备高温抗氧化涂层加以防护，解决Ta10W合金在高温下氧化问题[3-5]。

美国在其 FDL—5 飞行器、R-4D 火箭发动机、阿吉纳宇宙飞船等航天器上应用了 Ta10W、T111、T222 等多种钽合金，并研制了多种涂层解决钽合金在1600℃关键性氧化问题[6-7]。我国虽然也较早研制出 Ta10W、Ta2.5W、TaWHf 等合金，但对现有钽基合金涂层的研究较少。国外钽合金及钽合金涂层方面资料报道极少，国内钽合金相关研究尤其是涉及航空航天、高超声速飞行器方面的基础研究不足，发动机高温部件防护涂层的有效性决定了发动机工作的可靠性，直接影响飞行器的安全[8-10]。针对这种问题，对在高温工作中失效破坏的Ta10W合金涂层管进行失效破坏原因分析研究，研究成果有助于解决高超声速飞行器技术的快速进步，为Ta10W合金在高超声速飞行器方面的深度应用奠定基础，对推进我国国防事业发展有重要作用[11]。

1．实验内容及方法

1.1.Ta10W合金管涂层制备

工艺路线：Ta10W合金管→抛光→酸洗→Si-Mo-Cr涂层混合粉料→加入添加剂→球磨→涂层料浆→涂覆→真空烧结→涂层产品

用硅化物体系Si-Mo-Cr涂层，采用料浆熔烧法在Ta10W合金表面制备高温抗氧化涂层，Ta10W合金具有高密度、高熔点、耐腐蚀、高温性能稳定等特点[12]。试验工件尺寸为Ø8mm×1000mm，δ=1mm的Ta10W合金管，Ta10W合金管经抛光后再酸洗处理。将Si-Mo-Cr涂层原料加入添加剂后进行球磨制成料浆，将制得的涂层料浆涂覆于Ta10W合金管内外表面后在真空炉中烧结制得Ta10W合金涂层管，如图1。

图1 Ta10W合金涂层管

1.2 Ta10W合金涂层管热试车

将Ta10W合金涂层管装入热考核试车台，管内通入冷却液加压至2.5MPa，采用低电压、大电流内热法通电加热，用MR双色红外测温仪和热偶丝进行工作温度测定[13]。工作过程中在1800℃工作时间达到300S时Ta10W合金管熔断，试验终止，如图2。

图2 Ta10W合金涂层管熔断

2.试验结果与分析

Ta10W合金涂层管在管内通入压力2.5MPa冷却液，工作温度1800℃的工况下，工作时间达到300S时Ta10W合金涂层管发生熔断，未达到预期效果，针对Ta10W合金涂层管工作时发生熔断问题进行分析研究。

实验后对Ta10W合金涂层管进行全面检查发现，除熔断部位外，管外表面还有4处产生氧化迹象，如图3。

图3 实验后Ta10W合金涂层管外表面氧化点

对图3显示1～4氧化点进行刨切检查发现4个氧化点处管均存在裂缝，如图4。

图4 实验后Ta10W合金涂层管外表面氧化点刨切

由于熔断处Ta10W合金涂层管结构已完全融化破坏，无法进行有效分析，因此对出现氧化产生开裂的其他部位进行相关分析。

2.1金相分析

对开裂部位进行金相组织分析如图5。

a)裂口横断面 100Xb)裂口纵断面 100X c)微裂纹 500X

d)缺陷部位 200X e)裂口纵断面晶界 200X f) 完好部位基体晶界 200X

图5 金相照片

从图5金相图可以看出，Ta10W合金管内壁存在微裂纹，初步判断在制备涂层时，涂层渗入管体裂纹。在通电加热过程中，裂纹处电压电流异常造成局部裂纹缺陷部位异常高温，由于涂层材料和基材的高温热膨胀系数不同，渗入裂纹内部的涂层材料在高温作用下膨胀，导致裂纹进行扩展，因缺陷处高压高电流造成局部缺陷部位达到材料的熔点，缺陷附近材料组织二次再结晶和局部出现晶界的初融使基材熔化导致合金材料破坏。

2.2电镜分析

对微裂纹部位进行电镜分析如图6。

a)管内壁横断面裂纹 d)管内壁横断面裂纹

图6 微裂纹电镜照片

通过如图6电镜照片可以看出，未破坏部位微裂纹中间存在夹杂物，其组织结构与涂层相似，理论推断为涂层前管壁存在微裂纹，制备涂层时涂层渗入裂纹。

图7 断口电镜照片

图7为裂口部位电镜图，图7显示，裂口部位产生大量不明堆积物，理论推断为部分成分熔化氧化物和试验过程中产生碳化的混合物[14]。

2.3能谱分析

2.3.1断口线扫描能谱分析

对断口处不明堆积物用能谱进行线扫描分析如图8，发现不明堆积物主要元素为Ta、O、C，证明不明堆积物为理论推断的合金熔化氧化物和试验过程产生碳化物混合物。

图8 断口线扫描图谱

2.3.2微裂纹区域能谱面扫描分析

对微裂纹部位通过能谱进行面扫描如图9。

图9 微裂纹区域面扫描

图9扫描结果显示，扫描面区域主要含有Al、W、Ta、O、C元素，兼具合金和涂层成分，不能判定其结果，因此对微裂纹中间夹杂物和微裂纹外区域进行点扫描分析。

2.3.3微裂纹区域点扫能谱分析

对微裂纹中间夹杂物和裂纹外区域进行点扫描如图10。

图10 微裂纹区域点扫描

从图10点扫描结果分析发现，裂纹中间夹杂物含有大量涂层组分Si，证明理论推断裂纹中间夹杂物为涂层前管壁存在微裂纹，制备涂层时涂层渗入裂纹。

3．结 论

（1）Ta10W合金管壁面存在微裂纹，制备涂层时涂层会渗入微裂纹。

（2）在高温工作时由于涂层材料和Ta10W合金热膨胀系数的不同，渗入裂纹内部的涂层材料在高温作用下膨胀，导致合金表面裂纹扩展，降低合金管强度。

（3）渗入微裂纹涂层材料在高温作用下膨胀，导致合金表面裂纹扩展，同时引发裂纹及裂纹扩展部位合金表面涂层破坏，涂层失去防护使合金氧化。

（4）在高温下裂纹部位会引起局部异常高温，裂纹附近基材组织会发生二次再结晶和局部出现晶界初融使基材熔化导致材料失效。

（5）表面需制备涂层的Ta10W合金管加工，需避免管壁面产生微裂纹。

参考文献

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