低压等离子和超音速火焰喷涂NiCoCrAIYTa层的结构

【简介】

邓春明，邓畅光，况敏，刘敏，周克崧

（广州有色金属研究院，广东广州510651）

[摘要]NiCoCrAIYTa高温氧化防护涂层是发动机高温叶片的重要防护层，已得到广泛应用。分别采用空气助燃的超音速火焰喷涂( HVAF)、氧气助燃的超音速火焰喷涂(HVOF)、低压等离子喷涂(LPPS)和低温超音速火焰喷涂( LT - HVOF)制备了NiCoCrAIYTa涂层，并研究了4种工艺制备的涂层的结构与性能。结果表明：4种工艺制备的NiCoCrAIYTa涂层主要由γ^′- Ni₃ Al，β-NiAl和固溶体Y-Ni相组成，含少量单质Cr，而p- NiAl相的含量比喷涂粉末中低；除LT - HVOF涂层外，其他3种涂层中均有未熔或部分熔融颗粒存在；HVOF涂层中存在大量氧化物区；HVAF涂层沉积率较低；LT - HVOF涂层致密度高，没有明显的氧化物区；LPPS涂层中也没有氧化物区，但致密度比其他涂层低；LPPS涂层含氧量低，但致密度和结合强度均低于HVAF和HVOF涂层；LT-HVOF涂层含氧量与PPS涂层相当，但致密度和结合强度优于IPPS涂层。

[关键词]HVAF；HVOF；PPS；LT - HVOF；NiCoCrAIYTa涂层；结构；性能

[中图分类号] TG174.4   [文献标识码]B  [文章编号]1001 - 1560( 2011) 01 - 0052 - 03

0前言

高温防护层可延缓高温合金的氧化失效，提高其抗高温氧化性能，已从早期的扩散型（渗铝及其改性涂层）发展为现代包覆型（MCrAIY涂层）^[1]。MCrAIY涂层高的抗高温氧化性缘于其表面致密的Al₂0₃或Cr₂0₃氧化膜，这些氧化膜作为氧的障碍层（屏蔽层）阻止了基体被进一步氧化或腐蚀。涂层表面Al203或Cr203膜的形成取决于Al和Cr元素在涂层中的浓度^[2]。保护性的Al₂0₃膜的形成从难到易为CoCrAIY，NiCrAIY，FeCrAIY^[3]。为了进一步提高涂层的抗氧化和腐蚀能力，往往在MCrAIY中引入少量的Ta，Mo等元素^[4]。

MCrAIY涂层的制备工艺有低压等离子喷涂( LPPS)、电子束蒸发沉积和溅射等^[5,7]。LPPS可以在基体上快速获得性能优良的厚涂层，还可以进行转移弧处理，清理基体表面以获得非常洁净的界面，从而提高涂层的结合强度。然而，LPPS工艺复杂，生产成本非常高，工件大小也受限制。超音速火焰喷涂制备MCrAIY涂层已在地面燃机等中获得广泛应用，但还没有应用在航空发动机抗高温氧化涂层中。氧气助燃的超音速火焰喷涂( HVOF)的CoNiCrAIY涂层较高的氧化物含量产生了扩散阻挡层，其扩散常数比LPPS制备的NiCoCrAIY涂层低^[8]。空气助燃的超音速火焰喷涂( HVAF)由于受点火限制，燃料和空气的配比一般是固定的，所产生的高速低温焰流有助于获得致密的涂层。普通氧气助燃超音速火焰喷涂工艺焰流温度高，在喷涂过程中粉末粒子不可避免地发生氧化，MCrAIY涂层的含氧量较高。超音速火焰喷涂朝着低温高速焰流的方向发展主要是通过在燃烧室或延长喷嘴中注入水或氮气，降低火焰温度的同时使水或氮气迅速气化并膨胀，获得较高的燃烧室压强，从而减少粉末粒子在焰流中的氧化。目前已经成功采用低温超音速火焰喷涂( LT - HVOF)技术制备出钛及钛合金涂层^[9,10]。

本工作分别采用HVAF，HVOF，LPPS，LT - HVOF 4种工艺制备NiCoCrAIYTa涂层，并研究其结构和性能。

l试验

1.1基材前处理

基材为GH907高温合金钢，尺寸为100 mm×35mm x4 mm。基材经汽油清洗后，常温下在酒精中超声波(25 kHz)除油20 min，然后用25号刚玉砂以0.3

MPa进行表面粗化处理。

1.2涂层制备

喷涂粉末NiCoCrAIYTa粒径10～38μm，采用熔融、真空雾化工艺制备，粉末呈现较好的球形度，其化学成分见表1。

表l  NiCoCrAIYTa喷涂粉末的化学成分    %

分别采用UniqueCoat公司的SB250型空气助燃超音速火焰喷涂设备、GTV公司的K2氧气助燃（低温）超音速火焰喷涂设备以及自制的低压等离子喷涂设备制备NiCoCrAIYTa涂层，4种工艺都采用机器人持枪行走进行喷涂，喷涂参数见表2。制备的NiCoCrAIYTa涂层厚度为50～500 p4m。低压等离子喷涂时抽真空至2.6 Pa，再充入氩气达到所需压强，用转移弧清理表面(电压70 V，电流150 A，功率7.5 kW，距离130 mm，压强4.0 kPa)后进行等离子喷涂。

表2  4种工艺的喷涂参数

1.3测试分析

采用D/Max - RC型X射线衍射仪(XRD)分析粉末和涂层的相结构。采用带能谱仪( EDS)的JL SM5910扫描电镜( SEM)观察涂层形貌。按照ASTM C633标准，采用JDL-50KN电子拉伸仪测量涂层的结合强度，试样尺寸为Φ25.4 mm x4.0 mm。采用TC600型氧氮分析仪测量粉末和涂层的含氧量。用视场法测定涂层的孔隙率：利用LEICA DMIMR金相显微镜的相分析软件测试SEM照片中涂层孔隙率。

2结果与讨论

2.1涂层相结构

图1为喷涂粉末和4种工艺制备涂层的XRD谱。

从图l可以看出：喷涂粉末主要由γ^′-Ni3 Al，β- NiAl，固溶体γ- Ni相组成，有少量单质Cr存在；4种工艺制备的NiCoCrAIYTa涂层也是由上述4种相组成，只是涂层中β- NiAl相衍射峰的相对强度降低，即涂层中的β- NiAl相含量相对较低。

图l喷涂粉末及4种涂层的XRD谱

2.2  涂层显微形貌

图2为4种工艺制备的NiCoCrAIYTa涂层的SEN形貌。

图2  4种工艺制备的NiCoCrAIYTa涂层的SEM形貌

从图2可知：4种工艺制备的INiCoCrAIYTa涂层均比较致密，除LT - HVOF涂层外其他3种涂层中均有未熔或部分熔融颗粒存在（见A箭头所指处），这些颗粒的存在导致其附近区域涂层的致密度较低；HVOF涂层内部存在大量的黑色或灰色带（见B箭头所指处），这主要是由于HVOF工艺焰流温度比HVAF高，在大气环境下高温粒子发生氧化而形成带状氧化物区；HVAF涂层中带状氧化物区明显比HVOF涂层少，由于HVAF的火焰温度低，不能有效促使粉末熔融，因而HVAF工艺制备涂层的沉积率比较低；由于LPPS过程在氩气保护性气氛下进行，粉末不容易发生氧化，涂层中观察不到明显的氧化物区，且孔隙率比其他工艺制备的涂层高，存在个别的大孔隙可能与粉末粒子在IPPS焰流中比在超音速火焰喷涂焰流中的速度低有关；LT - HVOF涂层非常致密，涂层（层间）也没有氧化物区域存在，表明该涂层的含氧量非常低，但由于燃烧室压强明显高于HVOF和HVAF而使粒子的运动速度较高，使粒子在撞击沉积时动能转变为热能产生塑性流动而铺展开，因而LT - HVOF涂层中没有发现明显未熔颗粒。

2.3  涂层基本性能

表3列出了4种工艺制备的涂层的基本性能，其中HVAF涂层由于沉积率较低，没有测量其含氧量。由表3可知：HVOF和HVAF涂层的致密度和结合强度均优于LPPS涂层，HVOF涂层含氧量明显高于LPPS涂层，这和文献[8]的结论一致；而LT-HVOF涂层孔隙率仅为0.5%，结合强度超过80 MPa，含氧量又与LPPS相当。HVOF和HVAF的粒子速度可以达到500 m/s以上，LT - HVOF的粒子速度虽然没有测量，但其随燃烧室压强的增大而提高，因而LT - HVOF可以获得高于LPPS的粒子速度，而粒子速度与涂层的孔隙率和结合强度有着直接关系。因此，HVAF和HVOF均可以获得比LPPS致密且结合强度高的涂层。LT - HVOF不仅可降低粒子温度，还可提高粒子速度，减少粒子和空气中氧气的结合，从而可以获得结合强度和致密度较高的NiCoCrAIYTa涂层，而涂层含氧量与IPPS涂层相当。

表3  4种工艺制备的涂层的基本性能

3  结论

(1)4种工艺制备的NiCoCrAIYTa涂层主要由γ^′- Ni₃ Al，β- NiAl和固溶体γ- Ni相组成，含少量的单质Cr，而β- NiAl的含量比喷涂粉末中低。

(2)除LT - HVOF涂层外，其他3种涂层中均有未熔或者部分熔融颗粒存在；HVOF涂层中存在大量的氧化物区；HVAF涂层的沉积率较低；LT - HVOF涂层致密度高，没有明显的氧化物区；LPPS涂层中也没有氧化物区，但致密度比其他涂层低。

(3) HVOF和HVAF涂层的致密度和结合强度均优于LPPS涂层，而HVOF涂层的含氧量明显高于LPPS涂层；LT-HVOF涂层的含氧量与IPPS涂层相当，而致密度和结合强度较高。

[参考文献]

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[10]Kawakita J,Katanoda H,Watanabe M, et al.Warm spra-ying: an improved spray process to deposit novel coatings[J]. Surface and Coatings Technology,2008,202:4369 ～4373.   [编校：郑霞】