激光熔覆MCrAlY涂層的研究現(xiàn)狀

王東生，田宗軍，沈理達，黃因慧

（1.南京航空航天大學機電學院，南京210016；2.銅陵學院機械工程學院，銅陵244000）

0 引 言

現(xiàn)代航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)是發(fā)動機研制、發(fā)展、使用中的重要環(huán)節(jié)。為了降低航空發(fā)動機的燃料消耗，提高推力質(zhì)量比和使用壽命，現(xiàn)代發(fā)動機的工作溫度越來越高，如我國某型渦扇發(fā)動機的渦輪前溫度為1 750℃，而下一代推力質(zhì)量比為10的發(fā)動機渦輪前溫度將提高到1 850℃左右。由于推力質(zhì)量比的提高，許多密度低、室溫韌性好、高溫強度高的先進材料將被大量使用，此外為適應(yīng)更高的溫度，各種高溫防護涂層也得到了廣泛應(yīng)用［1］。

高溫防護涂層的發(fā)展主要經(jīng)歷了單一鋁化物涂層、改性鋁化物涂層、包覆涂層（又稱MCrAlY涂層）和熱障涂層（TBCs）四個階段［1］。其中 MCrAlY（M為鎳和／或鈷）涂層可作為單獨使用的耐熱涂層或熱障涂層的連接層，相對于其它涂層，MCrAlY涂層可以根據(jù)實際需要選擇合適的涂層成分，成分選擇更加靈活。另外，它還具有相當優(yōu)異的韌性和抗熱疲勞強度，因此已廣泛應(yīng)用于燃氣輪機部件。

MCrAlY涂層發(fā)展至今已有40多a的歷史，其制備工藝也在不斷地改進和發(fā)展中。目前，已成熟的制備MCrAlY涂層技術(shù)主要有等離子噴涂技術(shù)（PS）［2］和電子束物理氣相沉積技術(shù)（EB－PVD）［3］。等離子噴涂技術(shù)具有成本低、生產(chǎn)效率高、涂層厚度可調(diào)以及成分易控制等優(yōu)點，但該涂層呈典型的層狀結(jié)構(gòu)，且得到的涂層氣孔多、抗熱沖擊性能差，涂層與基體為機械結(jié)合，耐應(yīng)變能力差。而EB－PVD技術(shù)制備的涂層為垂直于基體表面的柱狀晶結(jié)構(gòu)，孔隙少，涂層與基體具有較高的結(jié)合力，抗熱沖擊和剝落能力強，但EB－PVD技術(shù)的沉積速率較低，設(shè)備昂貴，受元素蒸氣壓影響涂層的成分較難控制，基體零件需要加熱且試樣尺寸不能太大。因此這兩種制備技術(shù)都有明顯的不足，從而限制了其應(yīng)用范圍。隨著表面工程技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型的MCrAlY涂層制備技術(shù)，其中最具代表性的技術(shù)有激光熔覆技術(shù)（LC）、超音速火焰噴涂技術(shù)、爆炸噴涂技術(shù)、多弧離子鍍［4］、磁控濺射［5］和電火花沉積等。

激光熔覆技術(shù)是一種通過在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之與基材表面一起熔凝，在基材表面形成冶金結(jié)合的添料熔覆層，從而顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等特性的表面改性技術(shù)。由于高能量密度產(chǎn)生極快的加熱速度、功率輸出精確可控和熔覆表面區(qū)域的可選擇性，激光熔覆技術(shù)已引起了廣泛的關(guān)注和重視，并已廣泛用于MCrAlY涂層的制備。目前激光熔覆材料通常采用預(yù)置和送粉兩種方式將粉末引入激光熔池。其中，送粉多為同軸送粉，而常用的粉末預(yù)置方法主要有等離子噴涂法、化學粘結(jié)法以及壓片法等。與等離子噴涂和EB－PVD等工藝相比，激光熔覆技術(shù)制備的涂層具有稀釋度小、組織致密、結(jié)合強度高等特點，另外熔覆材料選擇廣泛，因此應(yīng)用前景廣闊。

為了給激光熔覆MCrAlY涂層的相關(guān)研究人員提供參考，作者綜述了國內(nèi)、外激光熔覆制備MCrAlY涂層的研究進展，并對其存在的問題及發(fā)展趨勢進行了探討。

1 激光熔覆常規(guī)MCrAlY涂層

在20世紀80年代，開始出現(xiàn)對激光熔覆MCrAlY涂層的探索性研究，如Sivakumar等［6］采用CO2激光對NiCoCrAlY等離子噴涂層進行激光熔覆封孔處理；進入90年代后，研究重點轉(zhuǎn)向激光工藝參數(shù)的優(yōu)化，如Mahank等［7］分析了激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)對涂層熔化寬度、深度的影響，并研究了激光熔覆的最優(yōu)參數(shù)；而近幾年來大部分研究主要集中在激光熔覆對MCrAlY涂層的影響，并認為激光熔覆可提高涂層的抗高溫氧化及耐熱腐蝕等性能［8－12］。

作者采用等離子噴涂工藝制備了MCrAlY涂層［11］，并用激光熔覆工藝對涂層進行處理，研究了激光熔覆對涂層微觀組織及抗氧化性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過激光重熔處理后，涂層的片層狀組織得以消失，致密性提高，消除了原涂層的大部分孔洞、夾雜等缺陷，同時使鋁元素在涂層表面重新分布，形成了鋁的富集區(qū)；經(jīng)過激光熔覆后原涂層的抗高溫氧化性能顯著提高。激光熔覆MCrAlY涂層具有較高抗高溫氧化性能的主要原因有：激光熔覆使涂層表面形成了鋁的富集區(qū)，氧化過程中形成了保護性的Al2O3膜；激光熔覆使涂層致密性提高，從而減少了高溫氧化過程中氧化擴散通道；此外，激光熔覆的快速冷卻使涂層晶粒細化，有利于氧化初期鋁的選擇性氧化，使氧化速率降低。

最近作者又利用高頻感應(yīng)輔助激光熔覆技術(shù)制備了MCrAlY涂層［12］，并與激光直接熔覆制備的MCrAlY涂層進行對比研究。結(jié)果表明，在高頻感應(yīng)輔助作用下，涂層的溫度場發(fā)生了改變，溫度梯度降低，涂層中的鋁元素有充分的時間上浮，在涂層表面形成了大量Al2O3陶瓷相，從而使得涂層的抗氧化性能進一步提高。

與等離子噴涂工藝相比，激光熔覆MCrAlY涂層具有更好的性能，而與電子束物理氣相沉積技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)又有較好的價格優(yōu)勢。但受到激光功率的限制，激光熔覆技術(shù)在制備大尺寸均勻強化表面涂層上還有一定的欠缺，隨著大功率激光器的出現(xiàn)及寬帶熔覆技術(shù)的應(yīng)用，激光熔覆MCrAlY涂層逐漸走向?qū)嵱没?。特別是感應(yīng)加熱輔助激光熔覆工藝，它能夠彌補單純激光熔覆能量不足及熱源分布不均的缺點，具有工藝穩(wěn)定性好、易于形成冶金結(jié)合、易獲得無裂紋的熔覆涂層等優(yōu)點。

2 激光熔覆活性元素改性MCrAlY涂層

在MCrAlY涂層中添加微量活性元素，包括稀土（RE）、鋯、鉿、硅、硼等，可顯著降低其氧化速度，并改善氧化膜的抗剝落性能，這一效應(yīng)被稱作活性元素效應(yīng)［13］。MCrAlY中微量稀土元素釔的添加就是基于這一效應(yīng)。

CeO2是另一類常用的稀土改性材料，為了研究CeO2顆粒對NiCoCrAlY涂層抗氧化性能的影響，王宏宇等［14］采用激光熔覆技術(shù)在鎳基高溫合金表面制備了4種不同含量CeO2顆粒改性NiCoCrAlY涂層，分析了它們在1 050℃空氣氛圍中的等溫氧化行為，并初步探討了CeO2顆粒的作用機制。結(jié)果表明，添加的稀土氧化物顆?？商岣逳iCoCrAlY涂層的高溫氧化性能，并且，隨著稀土摻雜量的增加，效果更加明顯。在高溫氧化過程中彌散析出的稀土合金相，不僅提高了氧化膜的粘附性，有效預(yù)防空位、氣孔等缺陷在涂層／氧化膜界面的聚集長大，減少大晶界或熱裂紋的撕裂，而且還部分緩沖了高溫氧化過程中釋放出來的熱拉應(yīng)力，減少了熱拉應(yīng)力對表層氧化膜的開裂破壞，保護了表層氧化膜的完整性，大大降低氧化速率。目前關(guān)于稀土改性MCrAlY涂層的氧化機理有成相膜理論、鈍化膜破壞理論及催化吸附理論等。

最近，國內(nèi)外許多學者先后發(fā)現(xiàn)在MCrAlY涂層中添加少量的硅、硼、鋯和鉿等元素，能進一步改善其高溫性能，表明這些活性元素在改善MCrAlY涂層氧化行為方面與稀土釔具有很好的協(xié)同作用。例如，Wang 等［15－16］的 研 究 表 明，用 硅 和 硼 對NiCoCrAlY涂層進行改性后，可顯著提高其抗熱沖擊性能。

3 激光熔覆顆粒增強MCrAlY復(fù)合涂層

現(xiàn)代科技的發(fā)展對MCrAlY涂層性能的要求越來越高，要求其同時具備抗高溫性能以及高的導(dǎo)熱系數(shù)、強度、蠕變抗力、應(yīng)變等級和良好的穩(wěn)定性等綜合性能，單純的MCrAlY涂層已不能勝任上述使用要求。顆粒增強的MCrAlY復(fù)合涂層因具有優(yōu)良的性能而倍受關(guān)注，增強顆粒常用 WC、TiC、SiC、Al2O3等高熔點陶瓷材料。采用激光熔覆技術(shù)制備的陶瓷顆粒增強MCrAlY復(fù)合涂層將MCrAlY涂層的強韌性、良好的工藝性和增強顆粒優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機結(jié)合起來，是目前激光熔覆MCrAlY涂層領(lǐng)域的研究熱點［17－21］。

顆粒增強MCrAlY復(fù)合涂層按增強體的加入方式可分為外加顆粒增強MCrAlY復(fù)合涂層和原位析出顆粒增強MCrAlY復(fù)合涂層。直接加入陶瓷顆粒是常用的一種方法，如文獻［17］研究了增強Al2O3第二相對激光熔覆NiCrAlY涂層的影響。結(jié)果表明，Al2O3第二相起到了細化晶粒的作用，可以促進高溫下鋁的選擇性氧化，使涂層表面形成Al2O3保護膜；另外，第二相能阻礙Ni2＋、Cr3＋向外擴散，因此可改善涂層的抗氧化性。胡澤祥等［18］采用激光熔覆技術(shù)，以HfB2高溫陶瓷顆粒作為耐磨增強相，在純鈦表面制備了NiCoCrAlY／HfB2復(fù)合涂層，研究了該復(fù)合涂層的組成、組織結(jié)構(gòu)及不同溫度下的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，NiCoCrAlY／HfB2復(fù)合涂層的主要組成為 NiTi、HfB2、TiB2、Co3Ti、CrTi4和Hf3Ni7相，復(fù)合涂層與基材成冶金結(jié)合，涂層晶體結(jié)構(gòu)主要為塊狀晶；涂層的平均顯微硬度約為850HV0.2，是基材硬度的4.25倍；在20，100，300，500℃溫度下涂層的摩擦因數(shù)和磨損率均隨溫度的升高而減小，復(fù)合涂層的磨損率在10－4～10－5mm3·N－1·m－1數(shù)量級，具有較好的高溫耐磨性能，涂層的磨損機制主要為磨粒磨損和粘著磨損。

但是，外加陶瓷相與MCrAlY基體的潤濕性差，陶瓷相分布不均勻，易產(chǎn)生裂紋等，從而削弱了整體強化效果。原位反應(yīng)合成技術(shù)是在一定條件下，通過化學反應(yīng)在基體內(nèi)原位生成高強度、高彈性模量的陶瓷增強相，以達到強化的效果，可有效克服外加陶瓷相的缺陷，因此受到越來越多研究人員的重視，其面臨的最大問題是難以精確控制和優(yōu)化強化相的分布。Meng等［19］在鈦合金表面通過激光熔覆預(yù)置B4C和NiCoCrAlY粉體，在激光高能量密度作用下B4C與鈦原位反應(yīng)生成TiB2和TiC增強相，復(fù)合涂層的顯微硬度是基體的3.5倍，耐磨性能也大大高于基體。

納米材料由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，為涂層性能的提高提供了有利的條件。將納米陶瓷顆粒與激光熔覆MCrAlY涂層相結(jié)合，制備納米顆粒增強的復(fù)合涂層也是研究熱點之一。文獻［20－21］中以高分散性金屬基微納米復(fù)合粉體作為熔覆材料，通過激光熔覆工藝成功制備了納米顆粒增強NiCoCrAlY涂層，考察了不同種類、不同含量納米顆粒增強NiCoCrAlY熔覆涂層的顯微組織、抗氧化性能、抗熱腐蝕性能及抗熱震性能等，并探討了納米顆粒的作用機制。

4 激光熔覆梯度MCrAlY涂層

梯度功能材料（FGM）是為適應(yīng)大溫差服役環(huán)境，由日本科學技術(shù)廳于1987年在“關(guān)于為緩和熱應(yīng)力的梯度功能材料開發(fā)基礎(chǔ)技術(shù)的研究”計劃中提出的。在其制備過程中，通過連續(xù)地控制微觀結(jié)構(gòu)要素，使成分、組織連續(xù)變化，不存在明顯的界面，從而大大緩和了熱應(yīng)力。近年來，“梯度化”作為一種材料的設(shè)計思想和結(jié)構(gòu)控制方法已不再局限于熱應(yīng)力緩和功能，它的應(yīng)用已經(jīng)擴展到航空、航天、原子能、機械、化工、電子、生物醫(yī)學等眾多領(lǐng)域，在耐磨、耐熱、耐腐蝕等結(jié)構(gòu)材料方面同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。激光熔覆作為一種常用的梯度涂層制備方法而得到了廣泛的研究［22］。

為了進一步提高激光熔覆MCrAlY涂層在苛刻、極端環(huán)境的應(yīng)用范圍，作者［23－25］將激光熔覆納米顆粒增強的復(fù)合涂層和激光熔覆梯度涂層兩者有機結(jié)合起來，提出了一種激光多層熔覆制備納米陶瓷顆粒增強梯度MCrAlY復(fù)合涂層的新方法。該方法主要步驟為：先采用機械復(fù)合法（如高能球磨）把一定配比的 MCrAlY與納米陶瓷（如Al2O3）增強顆粒的混合粉制備成納米粒子分散均勻的包覆型復(fù)合粉；然后，采用模壓法制備激光熔覆薄片，即利用壓力機或壓片機在模具中將配制好的復(fù)合粉體壓制成薄片，實現(xiàn)熔覆層的綠色預(yù)置；再利用多層激光熔覆的方法制備納米陶瓷顆粒增強MCrAlY梯度復(fù)合涂層，即先在基體表面熔覆一層含有少量納米陶瓷顆粒的熔覆薄片，然后依次熔覆納米顆粒含量逐漸增加的模壓薄片，重復(fù)以上過程，就可以得到納米陶瓷增強顆粒沿厚度方向逐漸增加的梯度涂層。通過納米顆粒的彌散強化機制可使其具有優(yōu)異的強韌性，再加上梯度涂層的應(yīng)力緩和機制從而有望解決MCrAlY熔覆層易開裂的問題。納米顆粒及梯度涂層的強化作用使該涂層具有優(yōu)異的性能，使其能應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動機葉片等關(guān)鍵零部件表面。

5 存在的主要問題及發(fā)展趨勢

制約激光熔覆MCrAlY涂層應(yīng)用的最大問題是涂層脆性高、裂紋傾向大。裂紋產(chǎn)生的原因主要歸因于熔覆層內(nèi)部存在的較大殘余應(yīng)力［26］。目前所采用的抑制熔覆層開裂的方法主要為：調(diào)整應(yīng)力狀態(tài)，盡可能降低拉應(yīng)力；優(yōu)化工藝方法和參數(shù)；合理設(shè)計熔覆層等［27］。作者［27］提出了一種通過改變激光功率密度分布來控制熔覆層裂紋的方法，當采用凸字形光斑進行熔覆時，可在一定程度上起到了預(yù)熱、緩冷的效果，從而降低熔覆區(qū)與非熔覆區(qū)的溫度梯度；另外，在熔覆效果相當?shù)那疤嵯?，該熔覆層中的殘余?yīng)力也較小，因而可以有效減小熔覆層的開裂趨勢。

如前所述，制備顆粒增強復(fù)合涂層、納米涂層、梯度涂層，添加活性元素對涂層改性以及抑制熔覆層的開裂等都是當前激光熔覆MCrAlY涂層領(lǐng)域的研究方向，另外基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化及熔覆過程數(shù)值模擬也是研究方向之一。

激光熔覆過程非常復(fù)雜，影響因素很多，包括激光功率、光斑尺寸、離焦量、激光束模式、掃描速度、熔覆層厚度和搭接量等。這些因素都不同程度地影響了熔覆層的質(zhì)量，而且各個因素之間相互作用的關(guān)系復(fù)雜，因此工藝參數(shù)與涂層質(zhì)量之間是復(fù)雜的非線性關(guān)系，很難找到一個反映其內(nèi)部規(guī)律的精確的數(shù)學模型。現(xiàn)階段優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)的方法是以大量的工藝試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，積累加工經(jīng)驗，但這種方法工作量大，成本高。近年來，隨著計算機技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜非線性工程建模中得到了廣泛應(yīng)用。由于復(fù)雜的邏輯操作能力和高度的非線性函數(shù)逼近能力，以及很強的容錯性、自適應(yīng)學習能力、并行處理信息能力及非線性的映射能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被用于激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化［28］。

激光熔覆過程中涉及的主要物理場有溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場和流場等。通過建立激光熔覆過程中各種物理現(xiàn)象模型，包括溫度場和應(yīng)力場，可以發(fā)現(xiàn)工藝過程中各種主要物理量的變化規(guī)律，以及各種工藝參數(shù)對這些物理量的影響規(guī)律，從而達到對材料以及材料加工過程中成分、工藝、組織結(jié)構(gòu)及性能的控制和優(yōu)化。作者［29］采用ANSYS有限元軟件中的間接熱力耦合方法，建立了激光熔覆MCrAlY涂層熱力耦合有限元模型，對激光重熔溫度場和應(yīng)力場進行了分析。在掌握激光熔覆以及冷卻過程中溫度場和應(yīng)力場隨時間變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析了熔覆層中裂紋形成的機理及影響因素，并提出了一些解決激光重熔層裂紋產(chǎn)生的主要方法。文獻［30］使用ANSYS軟件對激光熔覆 MCrAlY涂層的溫度場進行了模擬，并計算了形狀控制因子。結(jié)果表明，在熱源中心正下方的晶粒是沿基體垂直方向析出的；冷卻速率越大，晶粒越細??；熔覆材料或基材達到熔點的時間與達到最大冷卻速率時間的先后順序?qū)ζ淠探M織形態(tài)有重要影響，若冷卻速率先達到最大值，其組織呈胞狀晶粒，否則，其組織呈柱狀樹枝晶，這個研究結(jié)果有助于指導(dǎo)激光熔覆凝固行為的研究。

6 結(jié)束語

采用激光熔覆技術(shù)制備MCrAlY涂層已成為近年來的研究熱點，并且取得了一定成果，但與對其越來越高的性能要求相比仍有不少差距，諸多相關(guān)技術(shù)（如感應(yīng)加熱輔助激光熔覆技術(shù)、脈沖電流輔助激光熔覆技術(shù)及激光熔覆原位生成顆粒增強梯度涂層技術(shù)等）有待進一步深入探索和研究，從而使其在實際應(yīng)用中得以更好的發(fā)揮。

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