噴涂工藝參數(shù)對(duì)鋁硅氮化硼封嚴(yán)涂層組織及性能的影響

劉通，于月光，劉建明，程旭瑩，章德銘

（1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京100160；2．北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京102206）

0 引言

航空工業(yè)的日益發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)提出了越來越高的要求。目前，減小壓氣機(jī)、渦輪機(jī)葉尖與機(jī)匣之間間隙的氣路封嚴(yán)技術(shù)就成為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要方法。據(jù)資料報(bào)道[1]，在一臺(tái)高壓渦輪機(jī)內(nèi)，間隙每減少0.13～0.25mm，油耗就能減少0.5～1.0%，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率就能提高2%左右?？赡ズ姆鈬?yán)涂層由于其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便、自身具有優(yōu)異的可刮削性，可以有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)匣之間的氣路間隙，同時(shí)不損傷轉(zhuǎn)子葉尖，因而在航空工業(yè)得到廣泛應(yīng)用[2]。為了達(dá)到上述要求，封嚴(yán)涂層材料往往選用具有一定強(qiáng)度和可噴涂性的金屬相和具有優(yōu)異可磨潤滑特性的非金屬相組成的復(fù)合材料[3]。但在生產(chǎn)中由于封嚴(yán)涂層材料組分復(fù)雜、噴涂工藝敏感性高等原因，頻繁出現(xiàn)涂層硬度波動(dòng)大，質(zhì)量穩(wěn)定性不足，影響到涂層的生產(chǎn)及應(yīng)用[4,5]。目前，僅憑單一的硬度指標(biāo)選擇涂層和制定噴涂工藝是不合理的，有必要探索可磨耗封嚴(yán)涂層的成分、工藝、組織與性能之間的關(guān)系，探究噴涂工藝對(duì)涂層性能和組織的影響規(guī)律，為今后生產(chǎn)工程化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)[6-8]。

本文以典型的中低溫鋁硅氮化硼[9]封嚴(yán)涂層為例，研究了噴涂功率、送粉速率及噴涂距離等噴涂工藝參數(shù)的變化對(duì)涂層組織和性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 涂層試樣制備

本試驗(yàn)選用北京礦冶科技集團(tuán)的團(tuán)聚型鋁硅氮化硼(AlSi-hBN)復(fù)合粉末（牌號(hào)：KF-121）制備涂層。圖1是鋁硅氮化硼復(fù)合粉末及剖面的典型形貌照片，可以看出粉末為近球狀顆粒，外層包覆組元為主粒徑45μm以下的AlSi合金顆粒，內(nèi)部被包覆組元為75～180μm（80～200目）的六方氮化硼，包覆完整、均勻，材料化學(xué)成分及粒度分布如表1所示。

表1 AlSi-hBN粉末化學(xué)成分和粒度Table 1 Chemical components and partical size of AlSi-hBN powder

圖1 團(tuán)聚型鋁硅氮化硼封嚴(yán)涂層材料微觀形貌(600X)： (a)表面形貌; (b)截面形貌Fig.1 Morphology of AlSi-hBN powers： (a) surface topography, (b) sectional morphology

試驗(yàn)選用Ti-6Al-4V合金為基體材料，制備硬度、結(jié)合強(qiáng)度和金相試樣(Φ25×5mm)。噴涂前對(duì)基體表面進(jìn)行脫油凈化和噴砂粗糙化處理，本文選用粒度為40目的棕剛玉，采用射吸式噴砂機(jī)，壓力在0.52～0.69MPa。噴砂過程中，磨料的噴射方向與工作面的法線之間夾角取15度，噴砂咀距離工件的距離大約為200mm。

采用METCO F4等離子噴涂系統(tǒng)在預(yù)處理后的基體表面制備厚度約為0.15mm的Ni-Al（牌號(hào)：KF-6）底層，噴涂參數(shù)如表2所示。為了研究噴涂工藝參數(shù)對(duì)涂層性能和組織的影響，保持氣體流量不變，改變功率、送粉量和噴涂距離，AlSihBN面層噴涂工藝參數(shù)如表3所示。

表2 底層制備噴涂工藝參數(shù)Table 2 Parameters of spraying Ni-Al coating

表3 面層制備噴涂工藝參數(shù)Table 3 Parameters of spraying AlSi-hBN coatings

1.2 試驗(yàn)方法

涂層表面經(jīng)過砂紙打磨后，涂層硬度測(cè)量依照GB/T231.1-2000 采用MODEL600MRD-S 型洛氏硬度儀檢測(cè)HR15Y。涂層的結(jié)合強(qiáng)度采用粘結(jié)拉伸法測(cè)試。將粗磨后的試樣與預(yù)噴砂的對(duì)接件采用美國生產(chǎn)的FM-1000高溫膠片粘結(jié)，在190℃、保溫2h的條件下固化；在WDW-100A 型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。涂層厚度在0.5mm左右，拉斷時(shí)單位面積涂層所承受的載荷為結(jié)合強(qiáng)度，并對(duì)斷口進(jìn)行宏觀觀察，確定涂層斷裂方式。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)均采取3個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試，取其平均值作為最終結(jié)果。

涂層中粘結(jié)劑、BN含量的測(cè)試方法為用銼刀打磨涂層樣塊，收集涂層磨料樣品，采用燒蝕失重法檢測(cè)粘結(jié)劑含量，即在450℃大氣條件下將粉末材料煅燒6h至恒重，以材料的重量減小量為粘結(jié)劑組分在粉末中的含量，為了保證檢測(cè)結(jié)果的可靠性，粘結(jié)劑檢測(cè)每組實(shí)驗(yàn)均采取3個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試，取其平均值作為最終結(jié)果。

為了研究等離子噴涂的中間過程，噴涂粒子的狀態(tài)，本試驗(yàn)采用DPV-EVOLUTION在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)噴涂焰流中飛行粒子的溫度和速度進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)際噴涂過程中，焰流中飛行粒子特性參數(shù)是有一個(gè)較大的范圍（測(cè)速范圍為100～400m/s，測(cè)溫范圍為700～3000℃），而DPV-EVOLUTION系統(tǒng)對(duì)飛行粒子特性參數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果只是反映了單位時(shí)間內(nèi)通過監(jiān)測(cè)區(qū)域（主要集中在距焰流中心4mm圓域內(nèi)）粒子的平均值。

采用FEI公司的Quanta 600 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察和分析涂層試樣橫截面的顯微組織形貌，并使用Image J軟件測(cè)量涂層橫截面的孔隙率數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層力學(xué)性能

將7種工藝噴涂的試樣加工處理，硬度試樣涂層厚度為1.5～1.8mm；結(jié)合強(qiáng)度試樣涂層厚度為0.5～0.6mm，且拉伸結(jié)果均為100%涂層內(nèi)斷裂；結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致，均隨噴涂功率的增加而增大，隨噴涂距離的增大和送粉量的增加而降低。

圖2 涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度與噴涂工藝參數(shù)的關(guān)系 (a) 噴涂功率；(b) 送粉量；(c) 噴涂距離Fig.2 Relationships between coating hardness, bonding strength and coating process parameters(a)spray power, (b) powder feeding rate, (c) spray distance

2.2 在線監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)噴涂過程飛行粒子特性參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，得到飛行粒子的溫度和速度與噴涂工藝參數(shù)的關(guān)系，如圖3所示。

從圖3(a)中可以看出，隨著噴涂功率的增大，粒子速度和溫度均顯著增加，等離子焰流的速度和溫度決定了粒子速度和溫度，當(dāng)功率較高時(shí)，工作氣體在等離子弧中能量越高，熱焓值增加，體積急劇膨脹，粒子獲得的溫度和速度越高。

從圖3(b)中可以看出，隨著送粉量的增大，粒子溫度和速度都呈下降趨勢(shì)。這是由于當(dāng)噴涂功率恒定時(shí)，隨著送粉量的增大，焰流的熱焓值沒有發(fā)生變化，但單位時(shí)間內(nèi)焰流中的粒子流量增大，單個(gè)粒子所獲得的能量減少，故粒子溫度和速度呈下降趨勢(shì)。

從圖3(c)中可以看出，隨著噴涂距離的增大，焰流中粒子溫度呈上升趨勢(shì)，而速度顯著下降。在噴涂過程中飛行粒子溫度始終低于等離子焰流溫度，故焰流對(duì)粒子持續(xù)加熱導(dǎo)致粒子溫度呈上升趨勢(shì)。根據(jù)相關(guān)研究表明[10]，粒子在噴槍出口附近會(huì)被迅速加速至最大值，之后由于空氣阻力等因素會(huì)持續(xù)下降，故在線監(jiān)測(cè)結(jié)果表明本試驗(yàn)選用的噴距范圍正可體現(xiàn)粒子速度下降的階段。

圖3 飛行粒子特性參數(shù)與工藝參數(shù)關(guān)系 (a)噴涂功率；(b)送粉量；(c)噴涂距離Fig.3 Relationships between the characteristic parameters of fl ying particles and process parameters(a) spray power, (b) powder feeding rate, (c) spraying distance

2.3 涂層組織性能

圖4 為不同噴涂工藝參數(shù)條件下得到的AlSihBN封嚴(yán)涂層微觀組織形貌，其中白色區(qū)域?yàn)榻饘傧?，黑色區(qū)域?yàn)锽N相及涂層孔隙。金屬相作為骨架支撐著整個(gè)涂層，涂層整體結(jié)構(gòu)類似蜂窩狀，屬于較理想的可磨耗封嚴(yán)涂層結(jié)構(gòu)。從中可以看出，噴涂工藝參數(shù)對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)影響顯著。

通過對(duì)比不同噴涂功率（a1#、b2#、c3#）涂層組織形貌可知：等離子功率達(dá)到22kW時(shí)，可以使鋁硅骨架較好的熔化，涂層中有大量的BN顆粒沉積，黑色的BN相及孔隙相明顯高于鋁硅合金相，并且在BN周邊觀察到有未熔的球形鋁硅合金顆粒；功率達(dá)到28kW時(shí)，鋁硅合金相含量增加，2#條件下，涂層中也有大塊的BN顆粒沉積，整體為均勻的鋁硅金屬骨架和氮化硼軟相夾雜結(jié)構(gòu)，涂層組織均勻性最好；但在高功率34kW時(shí)，等離子焰流的溫度、速度均明顯增加，充分熔融的鋁硅合金顆粒在高速、高沖擊力的作用下發(fā)生堆積和偏聚，涂層中幾乎沒有完整形貌的大顆粒BN沉積，組織均勻性變差，主要由較致密的鋁硅相和細(xì)小的孔隙相組成。

圖4 不同噴涂工藝參數(shù)下涂層金相顯微組織(100X)：(a)1#; (b) 2#; (c) 3#; (d) 4#; (e) 5#; (f) 6#; (g) 7#Fig.4 Microstructure of coatings under different spraying parameters ： (a)1#, (b)2#, (c)3#, (d)4#, (e)5#, (f)6#, (g)7#

通過對(duì)比不同送粉量（d4#、b2#、e5#）涂層組織形貌可知：在低送粉量時(shí)，涂層組織均勻性較差，金屬骨架相較多，BN和孔隙少且分散；在中、高送粉量時(shí)，涂層中孔隙率明顯增加，由于等離子焰流中粒子的溫度和速度降低，顆粒熔化效果變差，BN周邊未熔顆粒增多。

通過對(duì)比不同噴涂距離（f6#、b2#、g7#）涂層組織形貌可知：隨噴涂距離增加，涂層中BN和孔隙的含量增多，分布更加均勻。

通過Image J圖像處理軟件對(duì)涂層顯微形貌照片進(jìn)行分析，測(cè)定了涂層的孔隙率（實(shí)際為涂層中BN相和孔隙所占比例），得到涂層孔隙率與噴涂工藝參數(shù)的關(guān)系，如圖4所示。從圖中可以看出，隨著噴涂功率的增加，涂層孔隙率都呈減小趨勢(shì)，而隨送粉量和噴距的增大，孔隙率逐漸增加。

2.4 分析與討論

采用等離子噴涂工藝制備的鋁硅氮化硼可磨耗封嚴(yán)涂層，是由噴涂粒子扁平化堆疊形成的，噴涂工藝可以影響等離子焰流中粒子熔化狀態(tài)和粒子撞擊基體速度，進(jìn)而會(huì)影響到粒子扁平化堆疊程度、涂層孔隙率、硬度和結(jié)合強(qiáng)度等性能。

根據(jù)噴涂過程在線監(jiān)測(cè)可知，在送粉量和噴涂距離恒定條件下，隨著噴涂功率由22kW增大到34kW，飛行粒子溫度由2142℃上升到2168℃，飛行顆粒受熱程度增加，粒子熔化更加充分；隨著功率增加，粒子與基體撞擊的速度從185m/s增加到240m/s，等離子焰流對(duì)粒子的加速效果十分顯著，增加了涂層致密化程度。由涂層 性能檢測(cè)結(jié)果可見，隨噴涂功率增加，涂層孔隙率逐漸降低，而涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度逐漸升高。此外，在高功率、焰流溫度達(dá)到2168℃條件下，包覆BN的AlSi合金易燒損，裸露的輕質(zhì)BN顆粒在高速焰流中易被吹散，導(dǎo)致涂層材料中BN含量的降低，使得顆粒間堆疊搭接產(chǎn)生孔洞的幾率降低，也可能是降低涂層孔隙率的一個(gè)原因。

圖5 涂層孔隙率與噴涂工藝參數(shù)的關(guān)系： (a)噴涂功率;(b)送粉量; (c)噴涂距離Fig.5 Relationship between coating porosity and coating process parameters：(a) spray power, (b) powder feeding rate, (c) spraying distance

隨著送粉量由30g/min增加到50g/min，飛行粒子溫度由2159℃下降到2150℃；而飛行粒子的平均速度從220m/s下降到209m/s，降低了顆粒偏平堆疊的致密化程度。送粉量的增加，導(dǎo)致在相同時(shí)間內(nèi)焰流中飛行粒子的數(shù)量增多，加熱粒子所需的能量就越多，而在噴涂功率、噴涂距離相同的條件下，飛行粒子的溫度和速度均相對(duì)降低，粒子熔化效果變差，對(duì)BN的燒損減少。因此，隨送粉量的增大，涂層組織成分中BN可磨耗相和孔隙相增加，鋁硅金屬骨架相減少，涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度降低。

隨著噴涂距離由90mm增大到150mm，飛行粒子溫度由2151℃升高到2157℃，粒子在焰流中受熱的時(shí)間相應(yīng)增長，使粒子熔化更充分；而從飛行粒子速度的角度考慮，隨著噴涂距離增加，粒子與基體撞擊的速度從228m/s降低到205m/s，有降低粒子致密度的傾向，而在粒子與基體相接觸時(shí)，若飛行粒子速度過小，則無法在基體上鋪展形成扁平粒子，致使顆粒間堆疊搭接產(chǎn)生孔洞的幾率增加。由涂層性能檢測(cè)結(jié)果可知，隨噴涂距離的增加，涂層孔隙率逐漸增加、涂層中BN含量升高，涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度降低。因此，在本試驗(yàn)參數(shù)條件下，隨著噴涂距離的增加，粒子整體獲得了較好的熔化效果，而顆粒速度降低的影響更為顯著，最終導(dǎo)致涂層致密度降低。此外，隨噴涂距離的增加，顆粒速度降低，不易導(dǎo)致BN的分散。

3 結(jié)論

本文在噴涂功率為22kW～34kW、送粉量30g/min～50g/min和噴涂距離90mm～150mm的參數(shù)范圍內(nèi)，通過對(duì)涂層顯微結(jié)構(gòu)、孔隙率、成分、硬度、結(jié)合強(qiáng)度和飛行粒子狀態(tài)的研究，分析了等離子噴涂工藝參數(shù)對(duì)AlSi-hBN封嚴(yán)涂層組織和性能的影響規(guī)律，并得到以下結(jié)論：

(1)在送粉量和噴涂距離恒定條件下，隨著噴涂功率由22kW增加到34kW，飛行粒子溫度和速度均增加，顆粒的熔化效果提升，增加了涂層致密化程度，涂層的孔隙率下降，硬度和結(jié)合強(qiáng)度提高，在高溫、高速等離子焰流中輕質(zhì)的BN顆粒易被吹散，涂層中BN含量降低。

(2)在噴涂功率和噴涂距離恒定條件下，隨送粉量由30g/min增加到50g/min，飛行粒子溫度和速度均降低，粒子熔化效果變差，BN燒損減少、含量升高，顆粒之間堆疊搭接產(chǎn)生孔隙的幾率增大，涂層孔隙率增加，硬度和結(jié)合強(qiáng)度降低。

(3)隨著噴涂距離的增加，顆粒獲得更好的熔化效果，而飛行速度顯著下降，涂層的孔隙率提高，硬度和結(jié)合強(qiáng)度降低，表明在噴距增加過程中速度的影響大于溫度的影響。顆粒速度低，不易導(dǎo)致BN吹散，其含量逐漸提高。