HB﹢5258-2000在航空发动机材料研制生产中的应用分析

23Jun.2014工作研究目前航空用钢、高温合金、高温防护涂层及钛合金的抗氧化性能测试基本都采用HB5258-2000《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》，但是在十几年的使用过程中HB5258-2000也逐渐暴露出一些问题，尤其是随着发动机推重比或功重比的提高，高温合金和高温防护涂层不断发展[1,2]，出现了新型高温合金和高性能防护涂层，并且测试用试样也发生了一些必要的变化，HB5258-2000难以满足相应的测试和评级的需求。此外，HB5258-2000中还存在部分小的瑕疵，有待进行明确或修改。本文将简要介绍HB5258-2000的应用情况和使用过程中暴露出的问题，并初步提出相应的修订建议。1HB5258-2000应用情况简介金属材料及防护涂层抗氧化性能测定方法的常见标准有ГOCT6130《金属抗氧化性测定方法》、GB/T13303-1991《钢的抗氧化性能测定方法》和HB5258《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》。ГOCT6130适用于钢、合金及其制件，GB/T13303-1991主要针对钢进行抗氧化性能测定，不能很好地适用于高温合金及高温防护涂层。HB5258制定于1983年，根据各航空厂所的需求，于2000年参照GB/T13303-1991《钢的抗氧化性能测定方法》修订为HB5258-2000，对航空用钢、高温合金及高温防护涂层的抗氧化性测定的试验设备及仪器、试验方法及实验条件和试验结果的评定做出了规定，不仅可用于进行静态氧化试验，标准的附录A还规定了循环氧化试验方法。HB5258-2000是目前钢、高温合金、高温防护涂层等材料抗氧化性能公认的测试方法，应用面十分广泛，已经作为航空发动机用材料和高温防护涂层抗氧化性能测定的依据，是目前多个型号标准中高温防护涂层抗氧化性能测试的必引标准，且被多项中国航空工业集团公司标准引用。科研和检验人员按照该标准已经对多种牌号的高温合金（包括等轴晶、定向凝固、单晶高温合金）进行过抗氧化性能测定，并参照该标准对抗氧化涂层、热障涂层和高温耐冲蚀涂层等多种高温防护涂层及少数钛合金进行过抗氧化性能测定，在材料和涂层的研制和生产中发挥了重要作用，不仅用于评价新研材料的抗氧化性能，还用于对产品进行检验。中航工业北京航空材料研究院采用HB5258-2000对本单位及系统内多家其他单位的送检试样进行了测试，常见的测试材料见表1。2应用过程中暴露的问题虽然HB5258-2000规范了航空用钢、高温合HB5258-2000在航空发动机材料研制生产中的应用分析常伟纪艳玲李建平（北京航空材料研究院，北京100095）[摘要]介绍了HB5258-2000在高温合金和高温防护涂层等研制和生产过程中的应用情况，概述了该标准在发动机用材料及高温防护涂层研制和生产检验过程中的应用，并着重分析了该标准在使用过程中暴露的问题，针对该标准的技术内容提出了几点修订建议。[关键词]抗氧化性测定；高温合金和高温防护涂层；应用浅析[中图分类号]T–65[文献标识码]C[文章编号]1003–6660（2014）03–0023–03[收稿日期]2014-02-16标准化研究24Jun.2014    航空标准化与质量 2014年第3期金、高温防护涂层和钛合金的抗氧化性能评定，在一定程度上促进了上述材料的研发进度，有利于保证产品的质量稳定性，但是随着航空发动机性能的提高，对材料和涂层性能的要求也越来越高，各种在研新材料也大量出现，HB5258-2000已不能完全满足当前高温合金及其防护涂层测试的需要。2.1试验方法种类不能满足考核热障涂层结合力的要求在高温抗氧化性能测试方面，有如下几个概念：静态氧化：一般保温25小时为一个周期，按标准试验时间一百到几百小时，高温氧化起主导作用，可对材料或涂层进行抗氧化评级；循环氧化：一般保温55分钟～60分钟/空冷5分钟为一个周期，部分模拟了发动机材料的起落过程，高温氧化也起主导作用，可测试在该试验条件下材料的循环氧化寿命；热循环：一般保温30分钟/空冷5分钟为一个周期，部分模拟了发动机材料的起落过程，既考虑了高温氧化作用，也考虑了冷热交变对涂层热态结合力的作用，可测试涂层材料（特别是热障涂层）在该试验条件下的热循环寿命；热冲击：一般保温5分钟/空冷（或风冷）5分钟一个周期，主要是考虑了冷热交变对涂层热态结合力的影响，可测试涂层（主要用于热障涂层）在该试验条件下的抗剥落性能；热震：一般保温5分钟/瞬间水冷为一个周期，是一种加速（苛刻）测试涂层热态结合力的试验方法，可测试涂层（主要用于热障涂层）在该试验条件下的抗剥落性能。由于标准编制时国内高温防护涂层在发动机上的应用还不够成熟，尤其是热障涂层还处于研究初期阶段，尚未在型号产品中大批量应用，HB5258-2000定位为抗氧化性能测试，仅包含静态氧化试验和循环氧化试验（附录A），未考虑结合力的测试需要。然而随着高温防护涂层，尤其是热障涂层性能的不断提升，在型号产品中的应用也越来越多，热障涂层是一个高温合金基体/金属底层/陶瓷面层的多层涂层体系，起隔热作用的面层为陶瓷材料，面层的物理性能和金属底层以及基体差别较大，直接影响到涂层的使用寿命，所以结合力考核显得尤为重要，亟需规范相应的测试方法。HB5258-2000的附录A中仅针对循环氧化，推荐的保温时间、冷却时间间隔、冷却方式（仅有空冷）不符合热循环、热冲击和热震法的测试现状，例如热震试验为水冷、热冲击试验为空冷或风冷，并且现有课题中对涡轮工作叶片上热障涂层的结合力评价方法要求不同。可见，亟需对HB5258-2000进行修订，以满足涂层结合力评定的需要。2.2试样对于测定高温防护涂层不完全适用HB5258-2000的表2中推荐的静态氧化试样为一系列不同尺寸规格的圆柱状试样和板状试样，附录A规定循环氧化试样的尺寸一般为30mm×10mm×1.5mm。目前实际测试过程中，由于高温合金等材料的获得及加工问题，部分单位循环氧化试验也采用圆柱状试样。此外，热障涂层试验用板状试样边角多，由于边缘效应，边角处涂层易脱落，不能完全反映涂层抗剥落情况，因而在部分型号研制课题中已经开始使用锥形试样（示意图见图1，不含悬挂部位）进行静态氧化和热循环试验，尽量降低边缘效应对测试结果的影响。表1抗氧化性能测试的常见材料序号材料类别材料/涂层种类1高温合金DZ40M、DZ125、DZ408、IC10、DD6、DD9、N5、FGH96合金等2钛合金TC4、TC6等3高温防护涂层铝化物涂层、MCrALY系列涂层、YSZ系列热障涂层、锆酸镧系列热障涂层等2.3增重法评级标准不能满足较为准确的评级要求通过查阅HB5258-2000中的表4，可依据平均氧化速度和评价氧化皮脱落量将材料的抗氧化性能分为5级，并且两个指标得出的级别不一致时，以较为严格的为准。表4中对次抗氧化（3级）、弱抗氧化（4级）和不抗氧化级别（5级）的评级标准未对平均氧化皮脱落量进一步细分，仅规定大于10g/m2。该规定基本能够满足标准制定时的分级需求，然而随着单晶高温合金和高性能热障涂层等材料的出现，在实际测试过程中发现存在部分特殊的图1锥形试样示意图25Jun.2014工作研究情况，例如，材料的平均氧化速度达到3级水平，平均氧化皮脱落量却很高，甚至可高达100g/m2以上，根据HB5258-2000中表4的评级标准，材料的抗氧化级别为3级，但材料的抗氧化性能却远不能达到相应级别的预期。2.4部分计算公式不能完全满足对长寿命高温防护涂层性能测定的要求HB5258-2000的8.1.1条对增重法抗氧化级别评定的规定为“试验大于100h的抗氧化性评级，按式（2）计算平均氧化速度，性能评价可参照表4进行”。由于静态氧化试验在初期试样质量急剧增加，随着表面氧化层的形成，氧化增重速度会适当降低，正常的氧化增重曲线成开口向右的抛物线，测试实际需要采用试验至规定时间和50h时试样的重量变化，而不采用试样试验前的原始重量，否则会导致计算得出的平均氧化速率相比试样服役期间的稳定工作阶段偏大，极有必要加以明确，以提高标准的可操作性。如果用HB5258-2000中的符号表示，可将试验大于100h时的平均氧化速度计算公式写成公式（1），其中新增的符号m7表示规定试验时间后试样与容器的和重。)50(57−−=+tSmmK…………………（1）此外，8.1.1条的规定并未提及将平均抗氧化皮脱落量也作为评价指标，对于本文前面提到的平均氧化速度小，平均氧化皮脱落量大等特殊的情况，也不能很好地评价，需要加以说明。2.5部分内容有瑕疵重量损失法清除氧化皮所用溶液中各化学试剂均未明确相应的纯度等级，可操作性有待提高。2008年GJB509A-1995《热处理工艺质量控制要求》换版为GJB509B-2008《热处理工艺质量控制》，GJB509B-2008中的部分术语或描述方式发生了变化，HB5258-2000中对加热炉的要求与GJB509B-2008《热处理工艺质量控制》中的相关名词术语或描述方式不尽一致，部分术语宜调整名称，部分条款宜重新描述。HB5258-2000中公式（1）氧化增重计算公式中的解释m1和m2有误。3标准修订建议鉴于HB5258-2000对高温合金、高温防护涂层研制和生产的重要性，应结合HB5258-2000发布实施以来暴露出的问题进行修订，以进一步提高可操作性和实用性。具体修订建议如下：建议在深入调研标准使用单位高温防护涂层等热震性能测试需求和现状的基础上，对HB5258-2000中热循环试验的相关规定加以完善，补充风冷、水冷的相关规定，并且补充针对热震试验的相关规定。鉴于试验需要和目前各相关单位的试验现状，调整对试验用试样的规定，丰富试样种类，在循环氧化试验中增加圆柱形试样，在热障涂层等高温防护涂层的循环氧化和热震试验用试样中增加锥形试样。统计和分析新型材料静态抗氧化性能试验数据，包括使用的试样种类、抗氧化性能数据，完善和细化抗氧化级别评定标准。进一步明确标准中可能导致理解不当的公式和描述，提高标准的可操作性。按照现有航标编写规定重新编写，补充使用的化学试剂的要求，纠正标准中的个别笔误。4结论HB5258-2000满足了标准制定时的抗氧化性能试验需求，规范了高温合金和高温防护涂层等的抗氧化性能测试方法，在很大程度上促进了发动机材料的研发和生产，但是随着材料的不断进步和测试需求的提高，有必要进行修订。修订后的HB5258适用范围将主要针对航空用高温合金和高温防护涂层，钢和钛合金等可参照使用，能够更好地满足抗氧化性能测试的需求。[参考文献][1]张光业，张华，张厚安.航空用高温合金防护涂层的研制及其应用的新进展[J].材料导报，2006，20（5）：59-62.[2]陈荣章，王罗宝，李建华.铸造高温合金发展的回顾与展望[J].航空材料学报，2000，20（1）：55-61.k（编辑：雨晴）标准化研究