大氣等離子噴涂鋁硅-聚苯酯涂層的工藝及性能研究

岳陽，趙忠興，蘆國強(qiáng)，袁福河

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是高難度、高技術(shù)含量的產(chǎn)品。通過間隙控制可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率、降低油耗，提高推重比，保障其可靠性及穩(wěn)定性。航空發(fā)動(dòng)機(jī)直接的運(yùn)行費(fèi)用中用于油耗的占53%，葉尖漏氣油耗損失約占發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)油耗損失的10%～40%；典型發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪葉尖間隙每減小0.13～0.25mm，油耗可減少0.5%～1%，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率可提高2%左右。壓氣機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙過大，它的氣動(dòng)特性可能在發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)遭到破壞，并引起喘振。氣路封嚴(yán)技術(shù)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要手段[1-5]。熱噴涂技術(shù)是利用高能氣流或束流（等離子體）將涂層呈液態(tài)、軟化狀態(tài)或熔融狀態(tài)噴涂到基體表面形成涂層的一種技術(shù)，利用熱噴涂方法制備的可磨耗封嚴(yán)涂層由于其生產(chǎn)工藝簡便、返修和調(diào)整性能容易、封嚴(yán)效果好而在航空工業(yè)得到廣泛應(yīng)用[6-7]?？赡ズ姆鈬?yán)涂層技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)氣路封嚴(yán)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，發(fā)動(dòng)機(jī)噴涂可磨耗封嚴(yán)涂層，可提高工作效率，降低油耗。鋁硅-聚苯酯作為發(fā)動(dòng)機(jī)低溫封嚴(yán)涂層材料被廣泛使用，涂層使用溫度為350℃，可滿足低壓壓氣機(jī)的使用要求，涂層性能良好而且穩(wěn)定。涂層粉末材料的國外牌號(hào)為Metco601NS，國產(chǎn)化材料由北京礦冶研究總院生產(chǎn)。本文主要針對(duì)新型國產(chǎn)化鋁硅-聚苯酯粉末的噴涂工藝及涂層性能開展研究，以便為粉末的工程化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

圖1 封嚴(yán)涂層粉末的表面形貌Fig .1 The surface morphology of sealing coating powder (a) nickel aluminum (b) AlSi- polyphenyl

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用鎳-鋁及北京礦冶研究總院生產(chǎn)的鋁硅-聚苯酯粉末分別作為噴涂底、面層的材料使用，其中鎳-鋁粉末是以鎳為核心，外表包裹一層鋁金屬顆粒，兩種粉末的微觀形貌見圖1，可見鎳-鋁粒度大約為60μm，近球形，鋁硅-聚苯酯為不規(guī)則的團(tuán)聚型復(fù)合粉末，粒度在150μm左右。

1.2 涂層工藝

采用SULZER METCO公司生產(chǎn)的UNICOAT等離子噴涂設(shè)備制備底層和面層。底層制備工藝相同，面層具體的噴涂參數(shù)見表1，面層噴涂制備選擇了5組參數(shù)。噴涂前需對(duì)試片進(jìn)行表面除油及吹砂前處理，以活化和粗化基材表面，增強(qiáng)涂層的結(jié)合強(qiáng)度。試驗(yàn)參數(shù)分為高、中、低功率三個(gè)級(jí)別，1＃功率較高，4＃和5＃較低。相同功率下，送粉量及噴涂距離稍有變化。

表1 等離子噴涂的工藝參數(shù)Table 1 The technological parameters of plasma spraying

1.3 性能測(cè)試

按照GB/T1482進(jìn)行粉末原材料流動(dòng)性性能測(cè)試。涂層性能測(cè)試主要包括金相組織分析、硬度、結(jié)合強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性能。

涂層金相試片為不銹鋼材料，尺寸為20mm×40mm×2mm，制備涂層厚度為1.0mm～1.5mm，采 用Struers Discotom-6切割涂層試樣，Epovac真空鑲嵌，完成金相準(zhǔn)備后利用Leica金相顯微鏡對(duì)涂層進(jìn)行截面組織觀察和分析；涂層硬度試片為不銹鋼材料，尺寸為30mm×50mm×5mm，制備涂層厚度為2.0mm～3.0mm，采用TH310型硬度儀，按照HB 5486進(jìn)行測(cè)試涂層硬度；涂層結(jié)合強(qiáng)度試片為不銹鋼材料，尺寸為Φ25.4mm×6mm，制備的涂層厚度為1.0mm～1.5mm，采用Instran型拉伸試驗(yàn)機(jī)，按照HB 5476測(cè)試涂層結(jié)合強(qiáng)度；熱穩(wěn)定性能試片測(cè)試方法是將經(jīng)過常溫硬度測(cè)試的試樣，放在350℃±10℃的高溫爐中保溫1000h，取出后自然冷卻至室溫，按HB 5486對(duì)涂層進(jìn)行硬度測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 粉末流動(dòng)性

對(duì)國產(chǎn)化鋁硅-聚苯酯粉末進(jìn)行流動(dòng)性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該粉末無流動(dòng)性。對(duì)Metco601NS進(jìn)行測(cè)試也無流動(dòng)性。

由于聚苯酯粉末本身粘性大，因此團(tuán)聚后的鋁硅-聚苯酯粉末在沒有外力推動(dòng)的情況下，無法自主流下，因此，國產(chǎn)及進(jìn)口粉末流動(dòng)性測(cè)試值為零。用UNICOAT噴涂系統(tǒng)的TWIN20噴涂送粉器對(duì)國產(chǎn)化鋁硅-聚苯酯粉末進(jìn)行了送粉速率檢測(cè)。圖2為UNICOAT設(shè)備的TWIN20送粉器在載氣4NLPM、攪拌功率50%條件下進(jìn)行的送粉速率檢測(cè)結(jié)果?？梢?，在送粉器Ar流的推動(dòng)下，該粉末的送粉速率近似地與送粉盤轉(zhuǎn)速成正比，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定送粉。

圖2 鋁硅-聚苯酯送粉速率測(cè)試結(jié)果Fig.2 Aluminum silicon polyphenyl ester powder feeding rate test results

2.2 涂層顯微組織

按5組工藝參數(shù)制備的鋁硅-聚苯酯涂層截面的顯微組織金相照片見圖3。

圖3 5組工藝參數(shù)制備的鋁硅-聚苯酯面層50倍金相照片F(xiàn)ig.3 The 5 group of process parameters for preparation of aluminum silicon polyphenyl ester surface layer 50 times metallograph

可磨耗封嚴(yán)涂層作為減小發(fā)動(dòng)機(jī)葉片與機(jī)匣間隙的功能性材料，需具備良好的可刮削性以及結(jié)合強(qiáng)度。涂層中的非金屬聚苯酯組份能夠降低整體涂層的硬度以提高可刮削性，且不影響涂層與基體材料的結(jié)合性能。涂層中若存在偏聚、裂紋、分層、大孔隙，將降低涂層與基體的結(jié)合力，因此涂層顯微組織要求無分層及裂紋，孔隙率低，其各種組份分布均勻，無偏聚。

由圖3可見，5組金相照片面層組織無明顯分層和裂紋現(xiàn)象，孔隙率低，組份分布均勻。面層金相組織相分析表明，1＃、2#和5＃合金相較多，約占50%，3＃和4＃合金相相對(duì)較少，約占40%。對(duì)比轉(zhuǎn)包文件金相組織，1＃、2＃和5＃工藝參數(shù)制備的涂層相含量為佳。

2＃和3＃涂層制備工藝參數(shù)中送粉速率和H2速率有所不同，H2在提高燃流能量上具有重要作用，因此2＃工藝參數(shù)能量稍高，而且2＃送粉速率較3＃少，在噴涂過程中，2＃單個(gè)噴涂粉末粒子獲得的能量較大，粉末熔化較好，鋁硅相與聚苯酯兩相分布合理。相比較3＃粉末熔化差，聚苯酯相多，兩相分布不合理。

4＃和5＃涂層制備工藝中，送粉速率和噴涂距離不同。增大噴涂距離，粉末在噴涂燃流中的時(shí)間增大，熔化更充分，金相組織中聚苯酯相分布更合理。因此5＃工藝參數(shù)制備的涂層兩相分布合理。

2.3 涂層性能

2.3.1 涂層硬度

硬度是材料的綜合性能指標(biāo)，是材料抵抗彈塑性變形或破壞的能力。對(duì)于涂層來講，可間接衡量涂層的可刮削性能。按照GB/T-1818的Y標(biāo)尺采用表面洛氏硬度計(jì)測(cè)量涂層的硬度值如表2，試驗(yàn)采用的主負(fù)荷為15kg。

可見2＃和3＃參數(shù)硬度值相差13.6個(gè)單位，4＃和5＃參數(shù)硬度值相差14.4個(gè)單位，這和金相組織分布趨勢(shì)是一致。

表2 鋁硅-聚苯酯涂層的硬度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results the hardness test of aluminium silicon - polyphenyl ester coating

2.3.2 結(jié)合強(qiáng)度

涂層抗拉結(jié)合強(qiáng)度是指涂層與基體之間單位面積涂層從基體材料結(jié)合面上剝落下來所需要的力，是檢測(cè)涂層性能非常重要的指標(biāo)。按航標(biāo)HB5476-91“熱噴涂結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)方法”，測(cè)試5組涂層結(jié)合強(qiáng)度結(jié)果見表3。

表3 鋁硅-聚苯酯涂層的結(jié)合強(qiáng)度Table 3 Combined with the strength of the aluminum silicon-polyphenyl ester coatings

由表3可見， 1＃參數(shù)制備的試樣結(jié)合強(qiáng)度比3＃的大0.53MPa，因此聚苯酯相的存在降低了涂層的結(jié)合強(qiáng)度，但是降低的幅度不大。涂層厚度對(duì)其結(jié)合強(qiáng)度有重要的影響，4＃參數(shù)制備的試樣，涂層厚度分別為1mm和0.5mm時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度相差近1倍。4＃和5＃參數(shù)制備的試樣，涂層厚度相同，結(jié)合強(qiáng)度相差較多，這主要是由于涂層中聚苯酯相的分布及含量不同造成的。結(jié)合涂層金相組織、硬度和結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，2＃工藝參數(shù)制備的涂層性能較好。

2.3.3 涂層熱穩(wěn)定性能分析

涂層熱穩(wěn)定性可反映涂層在工作溫度下的相組織穩(wěn)定性，按照2＃參數(shù)制備的涂層熱穩(wěn)定性能數(shù)據(jù)見表4。

表4 涂層熱穩(wěn)定性能Table 4 Coating thermal stability

涂層熱穩(wěn)定性能數(shù)據(jù)顯示，50h內(nèi)涂層硬度值HR15Y下降20個(gè)點(diǎn)，后期涂層硬度趨于穩(wěn)定。這可能是由于聚苯酯粉末在350℃左右存在結(jié)晶轉(zhuǎn)變，使其產(chǎn)生流動(dòng)變形，導(dǎo)致硬度稍有下降。

3 結(jié)論

（1）粘性聚苯酯使不規(guī)則形狀的鋁硅—聚苯酯團(tuán)聚型復(fù)合粉末流動(dòng)性較差，需使用轉(zhuǎn)盤刮板式送粉器實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣等離子噴涂層過程中的送粉器速率精確控制。送粉速率與送分轉(zhuǎn)盤速成正比。

（2）采用不同噴涂工藝參數(shù)制備的鋁硅—聚苯酯涂層中鋁合金相含量差別較大。用最佳工藝噴涂層的組織分布均勻，無分層和裂紋缺陷，且孔隙率較低。

（3）不同工藝參數(shù)噴涂的涂層表面洛氏硬度和結(jié)合強(qiáng)度差異明顯，測(cè)量的硬度值在52.0與73.6HR 15Y之間，結(jié)合強(qiáng)度則在5.40至15.13MPa范圍內(nèi)。涂層的厚度及其內(nèi)部聚苯酯組元含量對(duì)結(jié)合強(qiáng)度有較大影響。

（4）選擇最佳工藝參數(shù)噴涂的鋁硅—聚苯酯涂層在350℃保溫初期硬度下降較多，即在50小時(shí)以內(nèi)其硬度值下降20HR15Y左右，其后涂層硬度趨于穩(wěn)定。