幾種熱噴涂封嚴(yán)涂層的沖蝕磨損行為研究

劉琦峰，章德銘,2，程旭瑩,2，劉建明,2，劉通,2

（1.北京礦冶研究總院，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

在燃?xì)廨啓C(jī)及汽輪機(jī)制造和實(shí)際生產(chǎn)過程中，燃?xì)廨啓C(jī)及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖與靜子機(jī)匣的間隙越小，燃?xì)廨啓C(jī)及汽輪機(jī)效率越高，油耗越低，因而氣路封嚴(yán)技術(shù)是提高燃?xì)廨啓C(jī)及汽輪機(jī)性能的重要手段。相較于傳統(tǒng)的氣路密封技術(shù)，熱噴涂可磨耗封嚴(yán)涂層作為一種高效、低成本的間隙控制技術(shù)，同時(shí)為機(jī)匣提供保護(hù)，減少受高溫燃?xì)獾挠绊懚玫綉?yīng)用[1,2]。

沖蝕磨損是指液體或固體以松散的小顆粒按一定的速度或角度對材料表面進(jìn)行沖擊所造成的一種材料損耗現(xiàn)象或過程[3,4]，微觀上失效包括磨損、腐蝕及其相互促進(jìn)作用。使用熱噴涂技術(shù)在材料表面制備涂層可以減輕沖蝕所造成的磨損[5]，其具有對基體熱影響小、設(shè)備簡單和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。但涂層在實(shí)際應(yīng)用中面臨的工況十分惡劣，正常運(yùn)行過程中，不但需承受轉(zhuǎn)子葉片的高速刮削接觸，涂層也會受到燃?xì)夂透邷?、高速氣流及其攜帶的少量微小顆粒的沖蝕作用[6]，多種作用會導(dǎo)致封嚴(yán)涂層失效剝落。封嚴(yán)涂層的金屬骨架使其具有良好的硬度及抗沖蝕性能[7]，而可磨耗性能則要求涂層硬度在要求范圍內(nèi)盡可能的小以保證轉(zhuǎn)動(dòng)部件不被磨損；如何調(diào)整生產(chǎn)工藝平衡抗沖蝕性能和可磨耗性能是目前可磨耗封嚴(yán)涂層研究領(lǐng)域一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[8-11]。

本文選擇三種不同材質(zhì)的復(fù)合材料粉末為研究對象，采用相同參數(shù)的熱噴涂工藝制備成可磨耗封嚴(yán)涂層，在相同的沖蝕條件下對其進(jìn)行固體介質(zhì)沖擊試驗(yàn)，分析并比較三種不同涂層的抗沖蝕性能。通過對不同沖蝕角度下涂層被沖蝕后的表面形貌及截面形貌的觀察，分析了涂層的沖蝕磨損行為。

1 試驗(yàn)過程與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用45#鋼為基體材料，涂層抗沖蝕性能測試試樣尺寸為50mm×25mm×2mm。涂層面層粉末材料選用北京礦冶科技集團(tuán)研制的銅鋁聚苯酯粉末，鎳鉻鋁聚苯酯粉末和鎳鉻鐵鋁氮化硼復(fù)合粉，復(fù)合面層厚度為2mm。在噴涂前，基材經(jīng)噴砂和除油處理。

1.2 涂層制備

采用Meto 6P-Ⅱ氧-乙炔火焰噴涂系統(tǒng)在基體表面制備可磨耗封嚴(yán)涂層，火焰噴涂主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1 涂層制備主要工藝參數(shù)Table1 Main technological parameters of coating preparation

1.3 沖蝕試驗(yàn)及分析方法

試驗(yàn)在北京礦冶研究總院自制的氣-固噴砂式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖蝕試驗(yàn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括噴砂槍、旋轉(zhuǎn)式定位裝置、沖蝕介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和氣體壓力控制閥。試驗(yàn)時(shí)，以壓縮空氣為動(dòng)力，通過高速氣流的流動(dòng)，帶動(dòng)腔體內(nèi)的沖蝕介質(zhì)加速?zèng)_擊試樣表面。沖蝕試驗(yàn)機(jī)及噴槍結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 沖蝕試驗(yàn)機(jī)及噴槍結(jié)構(gòu)Fig.1 Erosion testing machine and structure of spray gun

其主要技術(shù)參數(shù)和本次試驗(yàn)條件如表2所示：

表2 自制沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table2 Main technical parameters of 100 self-made erosion tasting machine

參照美國通用電氣(GE)公司E50A121沖蝕標(biāo)準(zhǔn)，選擇表2中實(shí)驗(yàn)參數(shù)，模擬汽輪機(jī)實(shí)際工況時(shí)封嚴(yán)涂層所面臨的粒子沖蝕環(huán)境。試驗(yàn)前用60目砂紙將涂層表面打磨平整，試驗(yàn)前后使用球頭直徑 Φ6mm的QLR五鍵電子齒輪千分尺測量涂層厚度差，用沖蝕時(shí)間與氧化鋁所沖蝕的涂層厚度差的比值表示涂層沖蝕數(shù)EW(s/mil)：

為減少不同實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境帶來的影響，引入修正沖蝕數(shù)E#：

其中：EW校準(zhǔn)代表每次實(shí)驗(yàn)前后使用實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)片沖蝕數(shù)平均值。

沖蝕數(shù)數(shù)值越大，代表涂層磨損單位深度所用時(shí)間越長，抗沖蝕性能越好。

試驗(yàn)后采用Carl Zeiss公司的Stereo Discovery V20 型體視顯微鏡和帶有EDS的ISU-5000型掃描電子顯微鏡觀察和分析涂層沖蝕面的形貌特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖蝕角度的影響

在表2的實(shí)驗(yàn)條件下，對三種涂層進(jìn)行沖蝕角度分別為20°和90°的試驗(yàn)。表3、表4分別為三種涂層在20°和90°沖蝕角下的沖蝕數(shù)關(guān)系。可見，在不同角度的沖蝕條件下，CuAl復(fù)合涂層的沖蝕性能都為最好，NiCr-Al復(fù)合涂層較好，NiCrFe/Al復(fù)合涂層最差。

表3 20°沖蝕角不同涂層沖蝕數(shù)Table3 The erosion date of different coatings of 20° erosion angle

表4 90°沖蝕角不同涂層沖蝕數(shù)Table4 The erosion date of different coatings of 90° erosion angle

由圖2可知，三種涂層在20°沖蝕角時(shí)，抗沖蝕性能表現(xiàn)均較90°時(shí)良好?？赡ズ姆鈬?yán)涂層疏松、多孔、顆粒之間結(jié)合較差，硬度偏低。涂層中的金屬相起到抗沖蝕作用，這決定了低角度沖蝕時(shí)涂層的沖蝕主要以塑性材料的磨損機(jī)制進(jìn)行，此時(shí)涂層的塑性決定了抗沖蝕能力的強(qiáng)弱。當(dāng)沖蝕角增大時(shí)，磨料顆粒對涂層的正面沖擊加大，非金屬相相當(dāng)于涂層中存在的預(yù)裂紋，這決定了在高角度沖蝕時(shí)，這些裂紋很容易擴(kuò)展，因而逐漸表現(xiàn)出脆性材料沖蝕機(jī)制[12-15]。對于可磨耗封嚴(yán)涂層而言，低沖蝕角下塑性相起主要作用而大沖擊角下脆性相起主要作用，即低角度下抗沖蝕性能較強(qiáng)。

圖2 不同涂層、不同沖蝕角度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of different coatings and different erosion angles

2.2 沖蝕形貌分析

在涂層表面SEM形貌觀察前使用壓縮清潔氣對其表面進(jìn)行清潔處理，去除粘著的氧化鋁顆粒，然后進(jìn)行噴金處理，得到?jīng)_蝕角度為20°與90°時(shí)三種涂層的沖蝕磨損表面形貌圖如圖3所示。

由圖3可以觀察到涂層表面存在裂紋、沖蝕凹坑、以及微切削犁溝等。由圖3(a)(c)(e)可以看出沖蝕介質(zhì)在以低角度沖擊涂層表面時(shí)，由于切向運(yùn)動(dòng)為主，粒子不斷切削涂層，形成微切削痕跡，同時(shí)沖蝕粒子形狀不規(guī)則，在涂層表面滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生犁溝。此時(shí)的涂層主要受切削和犁削作用，捶擊作用很弱，切削和犁削使表面的涂層組織向犁溝附近擠壓，剝落較少。在圖3(b)(d)(f)中粒子垂直擊打在涂層表面，粒子的運(yùn)動(dòng)形式由切向變?yōu)榉ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)，對涂層的作用形式主要為捶擊鍛打作用。高角度沖擊時(shí)，粒子對涂層施加擠壓力，使涂層表面形成梯田狀凹坑，凹坑附近伴隨著大量組織隆起，伴隨著錘擊鍛打的不斷進(jìn)行，凹坑附近部分隆起的組織和未熔顆粒脫落，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)顆?；蚱瑺顒兟洹?/p>

圖3 涂層沖蝕磨損表面形貌圖：(a)、(b)CuAl復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損表面；(c)、(d)NiCr-Al復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損表面；(e)、(f)NiCrFe/Al復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損表面Fig.3 Surface morphology of erosion wear of coatings: (a), (b)20° and 90° erosion wear surfaces of CuAl composite coatings, (c), (d)20° and 90° erosion wear surfaces of NiCr-Al composite coatings, (e), (f)20° and 90° erosion wear surfaces of NiCrFe/Al composite coatings

2.3 沖蝕磨損行為分析

圖4為噴涂態(tài)的CuAl復(fù)合涂層、NiCr-Al復(fù)合涂層和NiCrFe/Al復(fù)合涂層剖面形貌?；野咨淼氖呛辖鹣啵谏硎痉墙饘傧嗪涂紫?，非金屬相可均勻分布于金屬骨架間，滿足封嚴(yán)涂層疏松多孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，涂層組織整體有明顯的片層狀分布。本文采用火焰噴涂工藝制備可磨耗封嚴(yán)涂層，噴涂粉末在燃燒火焰中被加熱或軟化，焰流推動(dòng)其以一定速度噴射到工件表面形成涂層，因此涂層為層片狀結(jié)構(gòu)，并且片層之間的結(jié)合力較低，可觀察到涂層內(nèi)部存在預(yù)裂紋。

圖4 涂層剖面形貌圖：(a)CuAl復(fù)合涂層剖面；(b)NiCr-Al復(fù)合涂層的剖面；(c)NiCrFe/Al復(fù)合涂層的剖面Fig.4 Coating profile topographic: (a)CuAl composite coating profile, (b)NiCr-Al composite coating profile,(c)NiCrFe/Al composite coating profile

將涂層沿沖蝕方向解剖，對涂層截面進(jìn)行掃描電鏡分析得到圖5所示截面形貌。由圖5(a)、(c)、(e)可以看出在沖蝕角度為20°時(shí)涂層表面金屬相組織向一側(cè)聚集，這是由于沖蝕粒子在低角度時(shí)犁削作用將涂層表面組織沿運(yùn)動(dòng)方向擠壓產(chǎn)生的。由圖5(b)、(d)、(f)可以看出垂直沖擊角度下涂層的次表面金屬相間存在大量裂紋，涂層的表面在沖蝕介質(zhì)的連續(xù)擊打下，容易導(dǎo)致結(jié)合力較弱的層片和非金屬相間出現(xiàn)裂紋的拓展，并向涂層表面遷移，最終造成涂層表面出現(xiàn)剝落。低角度時(shí)，沖蝕粒子存在犁削作用，增加涂層表面疲勞應(yīng)力；高角度時(shí)，錘擊作用的增強(qiáng)加速裂紋的拓展，涂層片片剝落直至涂層完全失效。

圖5 涂層沖蝕磨損剖面形貌圖：(a)、(b)CuAl復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損剖面；(c)、(d)NiCr-Al復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損剖面；(e)、(f)NiCrFe/Al復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損剖面Fig.5 Surface Morphology of Erosion Wear of Coatings: (a), (b)20° and 90° erosion wear surfaces of CuAl composite coatings, (c), (d)20° and 90° erosion wear surfaces of NiCr-Al composite coatings, (e), (f)20° and 90° erosion wear surfaces of NiCrFe/Al composite coatings

3 結(jié)論

本文采用氧-乙炔火焰噴涂技術(shù)在45#鋼基體上制備了NiCr-Al復(fù)合涂層、CuAl復(fù)合涂層和NiCrFe/Al基復(fù)合涂層，對三種涂層在不同沖蝕角度下進(jìn)行了室溫粒子沖蝕實(shí)驗(yàn)，對比了三種涂層的沖蝕磨損性能。對沖蝕后涂層的表面形貌以及截面形貌進(jìn)行了觀察，分析了沖蝕角度對涂層沖蝕磨損行為的影響。主要結(jié)論如下：

(1) 三種涂層在20°沖蝕角時(shí)，抗沖蝕性能表現(xiàn)均較90°時(shí)良好。GE沖蝕數(shù)由大到小依次是CuAl復(fù)合涂層、NiCr-Al復(fù)合涂層、NiCrFe/Al基復(fù)合涂層。

(2) 沖蝕角度對可磨耗封嚴(yán)涂層的抗沖蝕性能有較大影響, 并顯著影響涂層的沖蝕磨損行為特征。20°時(shí)涂層磨損主要有切削引起，沖蝕磨損行為主要表現(xiàn)為顯微切削和疲勞剝落；90°時(shí)涂層磨損主要由錘擊引起，涂層沖蝕磨損行為主要為片狀剝落。