鎳基鑄造高溫合金在CVD 涂層爐研制中的應(yīng)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(shè)備

切削技術(shù)及刀具的發(fā)展現(xiàn)狀使涂層成為提高刀具性能的關(guān)鍵技術(shù)，制造技術(shù)的全面進步把切削技術(shù)推向了高速切削的新階段。CVD 是可轉(zhuǎn)位刀片的主要涂層工藝，CVD 是Chemical Vapor Deposition 的簡稱，即化學(xué)氣相沉積，是指金屬鹵化物、碳氫化合物等的氣態(tài)反應(yīng)物在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以析出金屬、氧化物、碳化物等固態(tài)物質(zhì)沉積在基體表面，從而獲得涂層的工藝技術(shù)。通常在負壓和750 ～1050℃溫度的反應(yīng)器中，以硬質(zhì)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(yīng)后在刀片表面沉積，生成TiN、TiC、TiCN、Al2O3涂層或復(fù)合涂層。涂層化學(xué)穩(wěn)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(shù)小，熱導(dǎo)率低，抗氧化性能好，尤其是多層涂層的廣泛應(yīng)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(zhì)合金刀具涂層工藝改進和發(fā)展的關(guān)鍵點。CVD 涂層爐的研制填補了國內(nèi)刀具行業(yè)CVD 涂層設(shè)備的設(shè)計和制造空白，促進了該領(lǐng)域涂層設(shè)備國產(chǎn)化的進程，為硬質(zhì)合金涂層工藝和牌號的進一步開發(fā)提供了技術(shù)平臺。

反應(yīng)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(guān)系到涂層爐的運行穩(wěn)定和生產(chǎn)安全。CVD 涂層工藝都是在反應(yīng)器內(nèi)進行的，為提高其可靠性和安全性能，研究能滿足生產(chǎn)需要的新型反應(yīng)器也是CVD 涂層爐自主研發(fā)的重要組成部分。

2 設(shè)計思路和研究方法

2.1 材質(zhì)研究

CVD 涂層爐的研制工程是一項大型的系統(tǒng)工程，涉及復(fù)雜的管路和機械元器件設(shè)計、縝密的結(jié)構(gòu)原理和龐大的軟件設(shè)計。其主要由以下三部分組成：反應(yīng)氣體前驅(qū)物供給系統(tǒng)、CVD 反應(yīng)爐、尾氣處理系統(tǒng)（圖1）。

反應(yīng)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(shù)：溫度750 ～1050℃,內(nèi)部壓力：35 ～1000mbar,反應(yīng)氣體：HCL、H2、N2、CO2、CO 等。作為反應(yīng)器的材質(zhì)應(yīng)該滿足以下要求：（1）耐高溫性能好，在750 ～1050℃范圍內(nèi)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(tǒng)示意圖

根據(jù)以上要求，選擇一種鎳基高溫合金作為反應(yīng)器材質(zhì)。鎳基高溫合金中Ni 含量一般都超過了50%，在650 ～1000℃范圍內(nèi)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(wěn)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(zhì)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(xué)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(yīng)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(xué)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(xué)成分

表2 機械性能檢測報告

材料熱循環(huán)工藝模擬實驗報告

測試設(shè)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(yīng)力（壓）：2MPa（恒載荷）

熱循環(huán)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(huán)至所需測試次數(shù)。

試驗結(jié)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(huán)測試，對其試驗前后的試樣進行了對比測試。結(jié)果表明：除了循環(huán)試樣有輕微變形外（1%及5%），各次循環(huán)測試試樣外部表面及內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)裂紋及內(nèi)部組織損傷。

2.2 制造工藝

反應(yīng)器由吊鉤、封頭、筒體、法蘭組成，其中吊鉤、封頭、筒體材質(zhì)為HT 鎳鉻合金，法蘭材質(zhì)采用SUS310S。由于HT 鎳鉻合金在熔融狀態(tài)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(xué)性能好，有助于液體金屬中氣體和夾雜物的排除，優(yōu)化了金屬的結(jié)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(nèi)孔有直徑不準確、內(nèi)孔表面比較粗糙的特點，鑄件可適當(dāng)加厚內(nèi)外徑尺寸，然后對內(nèi)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(yīng)器主要參數(shù)：內(nèi)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(zhì)的含量，控制焊接過程中的焊接工藝參數(shù)，提高焊縫成形系數(shù)，采用多層多道焊法，減少熱量的輸入，提高焊縫成形系數(shù)等措施來保證焊接質(zhì)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(yīng)力，改善疲勞強度，提高抗應(yīng)力腐蝕的能力，獲得所要求的組織狀態(tài)和良好的綜合性能。

圖2 反應(yīng)器

2.3 焊縫焊接質(zhì)量檢測

焊縫焊接質(zhì)量直接關(guān)系到反應(yīng)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(fā)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(jīng)過處理后的射線照相底片上，來發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部氣孔、夾渣、裂紋及未焊透等缺陷。焊縫經(jīng)檢測合格后方可進行下一步試驗。

3 試驗方法及結(jié)果

3.1 試驗方法

為檢驗反應(yīng)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(yīng)器裝配在底座上，先確認密封圈是否放好、旋轉(zhuǎn)氣缸夾具是否加緊等，然后向反應(yīng)器內(nèi)充入H2，對相關(guān)部位用氫氣檢漏儀檢測。檢測完畢無泄漏后，用水環(huán)泵將反應(yīng)器內(nèi)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(nèi)。試驗期間，每次開爐后清洗反應(yīng)器時，對焊縫、筒體變形情況、內(nèi)腔腐蝕情況、外表面氧化情況等進行檢查，結(jié)果均符合要求。

3.2 試驗結(jié)果

圖3 為反應(yīng)器在運行120 爐次（設(shè)計使用壽命）前后的對比，通過檢測，研制的反應(yīng)器在達到設(shè)計使用壽命后，封頭無塌陷，筒體變形不明顯，內(nèi)腔表面未見明顯腐蝕痕跡，外表面有氧化現(xiàn)象發(fā)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(biāo)均為正常范圍。

圖3 試驗結(jié)果

4 結(jié)語

（1）以HT 鎳鉻合金為主體材質(zhì)的反應(yīng)器，適應(yīng)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(chǎn)需要。

（2）難熔金屬表面高溫抗氧化涂層技術(shù)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(jié)劑的黏結(jié)作用在金屬基體表面形成一層粉料涂層。我國科學(xué)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(yōu)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(yīng)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(xué)性能在許可范圍內(nèi)，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(yīng)器使用壽命的目的。