等離子噴涂NiCrAlYSi基封嚴(yán)涂層的性能研究

曹茜，李其連，葉衛(wèi)平，程旭東

( 1.北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術(shù)重點實驗室，北京 100024；2.武漢理工大學(xué) 材料復(fù)合新技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430070）

高效率、低能耗是當(dāng)今飛機發(fā)動機追求的重要目標(biāo)之一。在發(fā)動機制造時，通過在機匣上制備一層可磨耗封嚴(yán)涂層，不僅可以有效控制葉片與機匣之間的間隙，提高發(fā)動機工作效率[1]，而且能減少葉片的磨損，提高發(fā)動機壽命[2]。按照工作溫度的不同，封嚴(yán)涂層可分為低溫、中溫和高溫封嚴(yán)涂層三種[3]，其中高溫封嚴(yán)涂層主要應(yīng)用在發(fā)動機高壓渦輪葉片與機匣間的封嚴(yán)。由于高壓渦輪工作溫度高，使得其封嚴(yán)涂層一直是航空發(fā)動機涂層研究的重點之一。高溫封嚴(yán)涂層一般有三個部分組成：基相、軟相、孔隙?；嗍菫榱吮ＷC涂層的強度，使其擁有一定的抗腐蝕及熱沖擊性能；軟相如聚苯酯、石墨、硅藻土、h-BN等[4]，能夠明顯改善涂層與葉片之間的潤滑性，提高涂層的可磨耗性，防止涂層與葉片的黏著；孔隙的作用是降低涂層硬度，緩解涂層應(yīng)力，提高涂層的可磨耗性并使涂層具有一定的隔熱能力。

目前，制備高溫封嚴(yán)涂層過程中，基相的選用通常分為兩種：金屬基（Ni，Cr，Al及其合金）和陶瓷基（YSZ等）[5]。相比于陶瓷基體，金屬基體的熱膨脹系數(shù)能夠更好地與機匣材料相匹配，從而提高抗熱沖擊性能，減少剝落，提高涂層的使用壽命。MCrAlY基合金是一種常用的高溫可磨耗封嚴(yán)涂層基體材料。采用NiCrAl為金屬相，膨潤土為軟相制備的NiCrAl-膨潤土封嚴(yán)涂層。由于NiCrAl具有優(yōu)異的耐熱和抗氧化性，膨潤土具有良好的減磨性，該涂層可在815℃下長時間工作，適用于高溫壓氣機部位的封嚴(yán)[6]。由Richard K.Schmid等[7]運用等離子噴涂方法制備了CoNiCrAlYSi-h-BN-聚酯封嚴(yán)涂層，該涂層的熱膨脹系數(shù)能與大部分機匣材料匹配，且可用于與各種材料的葉片對磨。同時，該涂層工作溫度范圍大（室溫至900℃），可運用于壓氣機的任何部分。

本文設(shè)計以NiCrAlYSi為金屬基體，運用大氣等離子噴涂方法制備封嚴(yán)涂層。涂層采用聚苯酯為造孔劑，氟化物為自潤滑相，通過調(diào)節(jié)粉末的成分和噴涂參數(shù)，觀察其對涂層硬度、孔隙率及熱沖擊性能的影響，探索制備出具有優(yōu)異性能的NiCrAlYSi基封嚴(yán)涂層的方法。

1 實驗

制備NiCrAlYSi噴涂粉末時，采用先將合金原料真空熔煉成母合金錠，然后對母合金進(jìn)行二次真空熔煉霧化造粒的方法制備。霧化造粒后粉末直徑為100～200μm。采用Hitachi S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM) 對粉末形貌進(jìn)行表征，顯微圖像如圖1（a）所示。氟化物粉末用上述方法制備，顯微圖像如圖（b）。采用料漿噴霧干燥造粒法制備聚苯酯團(tuán)聚型粉末，粉末直徑分布為10～200μm，顯微圖像為1（c）。

圖1 粉末SEM圖像Fig.1 SEM images of atomized NiCrAlYSi (a)，fluoride (b) and polyphenylester (c)

噴涂設(shè)備采用APS2000型大氣等離子噴涂系統(tǒng)，試樣基體材料為K77高溫合金，規(guī)格為：Φ25mm×5mm。涂層金屬粘接層為NiCrAlYSi，涂層厚度為0.1mm，噴涂距離60mm，噴涂功率為32KW。封嚴(yán)涂層厚度為2mm，通過500℃熱處理4小時去除涂層中的聚苯酯形成孔隙。

金相分析采用Leica DM 6000M金相顯微鏡，測試前將試樣縱向切開，進(jìn)行拋光處理。采用TH320全洛式硬度計測試涂層表面洛式硬度HR45Y。采用箱式電阻爐進(jìn)行涂層熱震實驗，電阻爐設(shè)定溫度1000℃，送入爐內(nèi)1000℃保溫5min，風(fēng)冷5min為一個循環(huán)。

2 結(jié)果與討論

2.1 硬度與孔隙度

2.1.1 聚苯酯含量的影響

在考察聚苯酯對涂層硬度及孔隙度的影響時，保持氟化物含量為5%，噴涂距離為80mm，分別在24 KW和28 KW進(jìn)行噴涂，實驗結(jié)果如圖2a。從圖中可以看出，在兩種功率參數(shù)下，涂層的硬度均隨著聚苯酯的含量增加而減小。對噴涂功率在24KW，聚苯酯含量為5%，7%，10%的三種涂層進(jìn)行金相分析，如圖2b，c，d所示，從圖中可以看出，隨著聚苯酯含量的增加，涂層中的孔隙率逐漸增加。運用金相圖像定量分析軟件，測得三種涂層的孔隙率分別為10%，16%和35%。由于在實驗中氟化物含量保持一定，因此涂層中空隙的變化由聚苯酯的含量所影響，說明隨著聚苯酯含量的增加，涂層空隙增多，使涂層的硬度降低。因此，可以通過調(diào)節(jié)噴涂粉末中聚苯酯的含量，控制涂層的硬度。

圖2 （a）涂層硬度與聚苯酯含量的關(guān)系；（b），（c），（d）噴涂功率24KW，聚苯酯含量分別為5%，7%，10%時涂層的金相圖Fig.2 (a) Hardness of seal coatings with different concentration of polyphenylester; (b), (c), (d)microstructures of seal coatings with 5%, 7%,10%polyphenylester, respectively, spraying power 24 KW

2.1.2 噴涂功率

對含NiCrAlYSi 80%，聚苯酯10%，氟化物5%的粉末進(jìn)行噴涂后，發(fā)現(xiàn)涂層的硬度隨著噴涂的功率增大而增大，這可能是由于隨著噴涂功率的增加，噴涂時粉末中聚苯酯的燒損增加，降低了涂層的孔隙率，使涂層硬度增加。圖3 b，c，d分別為噴涂功率為24，28，32KW時涂層得金相圖像。在對涂層經(jīng)行孔隙率測試時發(fā)現(xiàn)，隨著功率的增加涂層的空隙率逐漸減?。ㄈ鐖D3a），證實了以上的猜想。因此，在制備涂層過程中，降低噴涂功率可以降低涂層硬度。但由于低功率會使涂層的結(jié)合強度下降。因此在達(dá)到規(guī)定的硬度范圍內(nèi)，應(yīng)選擇較高功率，以保證強度。

圖3 (a)涂層的硬度和空隙率與噴涂功率的關(guān)系；(b)、(c)、(d)分別為噴涂功率為24KW、28KW、32KW時涂層的金相圖像Fig.3 (a) Effect of spraying power on hardness and porosity of seal coatings; (b), (c), (d) metallographic image of seal coatings with spraying power 24 KW,28 KW and 32 KW， respectively

2.1.3 噴涂距離

等離子噴涂功率28KW，噴涂距離為50、60、70、80、90、100、110mm時，對含NiCrAlYSi 80%，聚苯酯10%，氟化物10%粉末進(jìn)行噴涂。圖4顯示了涂層的硬度變化，從圖中可以看出涂層的硬度隨噴涂距離的增加逐漸變小，在噴涂距離為80mm時，達(dá)到最小為44.06，隨后又逐漸變大。噴涂距離為80mm時，孔隙率最高，噴涂距離為50mm和110mm是孔隙率明顯減小。運用金相圖像定量分析軟件測得的孔隙率數(shù)據(jù)如圖4所示。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因：在噴涂距離較小時，等離子火焰距涂層表面過近，在新的涂層沉積前，上一層的聚苯酯已燒損，涂層孔隙率小，硬度高；在噴涂距離過大時，聚苯酯在火焰中停留時間過長，增大了聚苯酯的燒損，使涂層中孔隙率減小，硬度增大。

圖4 涂層的硬度和孔隙度與噴涂距離的關(guān)系Fig.4 Effect of spraying distance on hardness and porosity of seal coatings

2.2 熱震實驗

在1000℃下對涂層進(jìn)行熱震實驗，保溫5分鐘，風(fēng)冷5分鐘為一個循環(huán)。實驗分為兩組進(jìn)行，1組：NiCrAlYSi，聚苯酯 10%，氟化物5%，28KW；2組：NiCrAlYSi，聚苯酯5%，氟化物5%，28 KW。實驗過程中，涂層表面出現(xiàn)肉眼可見裂紋、剝落，則終止實驗，記錄熱震壽命“見表1”。從實驗結(jié)果可以看出，在進(jìn)行600次熱沖擊循環(huán)后，兩組試樣均無開裂和剝落，耐熱沖擊性能良好。同時1組的實驗結(jié)果優(yōu)于2組，說明隨著涂層孔隙率的增加，有助于涂層熱應(yīng)力的釋放[8]，延長涂層的熱震壽命。

表1 涂層熱震壽命Table 1 Thermal shock life of seal coatings

3 結(jié)論

采用大氣等離子噴涂方法，以NiCrAlYSi為金屬相，聚苯酯為造孔劑，氟化物為自潤滑相制備封嚴(yán)涂層。研究發(fā)現(xiàn)，在一定的噴涂參數(shù)下，通過增加噴涂粉末材料中聚苯酯的含量，可以增大涂層中孔隙率，從而減小涂層的硬度，提高涂層可磨耗性能，減小葉片磨損。同時，聚苯酯含量一定的情況下，減小噴涂功率也能夠降低涂層硬度，對于聚苯酯含量為10%的涂層，選用等離子噴涂28KW，噴涂距離為80mm進(jìn)行噴涂可以獲得較低的涂層硬度、且涂層熱沖擊壽命在600次以上，性能優(yōu)異，且涂層中的孔隙能有效緩解熱沖擊應(yīng)力提高涂層的熱沖擊性能。對于NiCrAlYSi基封嚴(yán)涂層的摩擦磨損性能還有待進(jìn)一步研究。