等離子噴涂Al/BN涂層工藝研究

李俊辰，葉俊華，楊秀恩，付俊波，姚文明

（成都航利實(shí)業(yè)有限公司，成都 611937）

0 引言

為減小航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子之間的間隙，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率，封嚴(yán)涂層被大量運(yùn)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，Al/BN 涂層因硬度適中、耐磨性好、抗沖蝕能力強(qiáng)而被廣泛運(yùn)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部位[1-2]。目前，針對(duì)Al/BN 涂層的研究主要集中在粉末性能、涂層力學(xué)性能、涂層腐蝕性能等方面，而對(duì)Al/BN 涂層制備過(guò)程中涂層各項(xiàng)性能指標(biāo)與制備參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系確鮮有報(bào)道[3-5]，因此在該類封嚴(yán)涂層制備過(guò)程中主要通過(guò)“試錯(cuò)法”進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，從而導(dǎo)致涂層開發(fā)周期較長(zhǎng)，設(shè)備利用率低。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件對(duì)等離子噴涂Al/BN 涂層過(guò)程中涂層硬度、化學(xué)成分與等離子噴涂參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究，建立了涂層硬度、化學(xué)成分與各參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)排列組合優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)，并對(duì)篩選出的最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，從而為該類涂層的制備提供方法參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

噴涂粉末采用北京礦冶科技集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的Al/BN 粉末，粉末主要技術(shù)指標(biāo)如表1 及表2 所示。硬度試樣、化學(xué)成分分析試樣、熱穩(wěn)定性試樣、結(jié)合強(qiáng)度試樣的基體材料為鈦合金，硬度試樣尺寸為：50 mm×70 mm×1.5 mm，制備的涂層厚度≥5.5 mm；涂層化學(xué)成分分析試樣刮取自測(cè)試硬度后的硬度試樣；熱穩(wěn)定性試樣與硬度試樣尺寸及涂層厚度要求一致；結(jié)合強(qiáng)度試樣尺寸為：φ25.4 mm×5 mm，涂層厚度為0.25～0.30 mm。

表1 Al/BN 粉末化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of Al/BN powder

表2 Al/BN 粉末粒度組成Table 2 Grain size of Al/BN powder

1.2 涂層制備

采用Metco-9MC 熱噴涂系統(tǒng)及3MB 等離子噴槍進(jìn)行涂層制備，底層采用等離子噴涂NiAlW涂層，制備參數(shù)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持一致。制備面層Al/BN 時(shí)，先利用Minitab 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行5 因素2 水平的硬度實(shí)驗(yàn)及化學(xué)成分實(shí)驗(yàn)，采用Mintab 軟件設(shè)計(jì)的等離子噴涂過(guò)程中氬氣流量、氫氣流量、電流、送粉速率、噴涂距離的2水平試驗(yàn)參數(shù)組合如表3 所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立關(guān)系模型，并優(yōu)選出符合工藝要求的參數(shù)后，再分別在優(yōu)選的參數(shù)范圍內(nèi)制備硬度試樣、化學(xué)成分分析試樣、結(jié)合強(qiáng)度試樣和熱穩(wěn)定性試樣。

表3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 The parameters obtained by orthogonal design

1.3 檢測(cè)設(shè)備及方法

涂層硬度測(cè)試采用HB-3000 布氏硬度計(jì)，硬度測(cè)試標(biāo)尺為HBW10/250/30，以測(cè)試的3 點(diǎn)壓痕直徑的平均值作為涂層硬度值。涂層化學(xué)成分分析試樣通過(guò)在測(cè)試完硬度后的試樣上刮取，并采用SPECTROGREEN ICP-OES 等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行定量分析。采用粘膠法制備涂層結(jié)合強(qiáng)度試樣，結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。涂層熱穩(wěn)定性測(cè)試方法為：先將帶涂層試樣在450℃的高溫爐中保溫100 h，取出后自然冷卻到室溫，再進(jìn)行硬度測(cè)試。

2 結(jié)果及分析

2.1 硬度及化學(xué)成分關(guān)系模型建立

由表3 可見(jiàn)通過(guò)1/4 因子設(shè)計(jì)，可將實(shí)驗(yàn)次數(shù)由32 次減少至8 次，從而大大減少試驗(yàn)次數(shù)。通過(guò)硬度實(shí)驗(yàn)及化學(xué)成分實(shí)驗(yàn)，確定的各個(gè)因素及水平下的涂層硬度值、SiO2含量、BN 含量如表4 所示。

表4 硬度及化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of hardness and chemical composition

利用Minitab 軟件對(duì)表3 及表4 的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出硬度壓痕直徑、BN 含量及SiO2含量與氬氣流量、氫氣流量、電流、送粉速率、噴涂距離之間的關(guān)系式：

硬度壓痕直徑=11.25-0.05983×氬氣-0.5263×氫氣-0.01419×電流+0.0125×送粉速率+0.02775×噴涂距離+0.001646×氫氣×電流-0.00225×氫氣×噴涂距離

BN 含量=30.18-0.086× 氬氣-1.283× 氫氣 -0.004375×電流-0.002667×送粉速率-0.0975×噴涂距離+0.000875×氫氣×電流+0.000875×氫氣×電流+0.00883×氫氣×噴涂距離

SiO2含量=10.31-0.000667×氬氣+0.0933×氫氣+0.01369×電流-0.01567×送粉速率-0.09375×噴涂距離-0.002083×氫氣×電流+0.007×氫氣×噴涂距離

因本文采用涂層壓痕直徑計(jì)量涂層硬度值，硬度壓痕直徑越小，涂層硬度越高，結(jié)合擬合公式可知，涂層布氏硬度與氬氣流量、氫氣流量及電流成正比，與噴涂距離及送粉速率成反比；BN含量與氬氣流量、氫氣流量、電流、送粉速率及噴涂距離成反比；SiO2含量與氫氣流量、電流成正比，與氬氣流量、送粉速率和噴涂距離成反比。

熱噴涂涂層硬度主要與粉末粒子熔化狀態(tài)、粉末粒子撞擊基體的速度有關(guān)，在一定范圍內(nèi)氬氣流量越高，粉末在焰流中的飛行速度越快，粉末撞擊基體的速度也越快，涂層硬度越高，但氬氣流量過(guò)高會(huì)加速粉末在焰流中的冷卻速度，使粉末熔化不充分，導(dǎo)致涂層疏松、多孔，進(jìn)而降低涂層硬度。在一定范圍內(nèi)，氫氣流量主要影響焰流熱焓值，氫氣流量越高焰流熱焓值越高，粉末熔化越充分，涂層硬度越高。從硬度擬合關(guān)系可知：影響涂層硬度的主要因素是氫氣流量，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，涂層硬度主要受粉末粒子熔化狀態(tài)控制，氬氣流量對(duì)粉末粒子產(chǎn)生的冷卻效應(yīng)和加速效應(yīng)經(jīng)綜合后對(duì)涂層硬度值貢獻(xiàn)量較小。涂層中BN 的含量及SiO2的含量主要受氫氣流量控制，氫氣流量越高，等離子焰流溫度越高，粉末中Al、SiO2、BN 等燒損越厲害，但因SiO2燒損速率不及Al、BN 快，所以在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)SiO2的含量表現(xiàn)出與氫氣流量成正比。同時(shí)，從擬合關(guān)系可知，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)送粉速率、噴涂距離、電流等參數(shù)通過(guò)影響粉末粒子的熔化狀態(tài)及在焰流中的飛行速度對(duì)涂層的硬度及化學(xué)成分產(chǎn)生影響。

2.2 優(yōu)選工藝參數(shù)

利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件建立起涂層硬度、化學(xué)成分與等離子噴涂參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系后，輸入相應(yīng)的噴涂參數(shù)值就可以對(duì)硬度及化學(xué)成分進(jìn)行預(yù)測(cè)，但通過(guò)單組參數(shù)輸入很難優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)，本研究利用Excel 排列組合公式，按表5所示規(guī)律，求出氬氣流量、氫氣流量、電流、送粉速率、噴涂距離的所有排列組合共計(jì)5441 組，再將硬度值公式、BN 含量公式、SiO2含量公式導(dǎo)入上述排列組合之中，得出硬度和化學(xué)成分含量的預(yù)測(cè)值。

依據(jù)該涂層多年使用經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)可知[6-7]，該類涂層適應(yīng)的HBW10/250/30 硬度壓痕直徑范圍為：(4.8～6.3)mm，適宜的化學(xué)成分要求為：SiO2含量≤8%，BN 含量為：(13～20)%。為此本研究從各預(yù)測(cè)值中篩選出硬度值及化學(xué)成分均滿足指標(biāo)要求且具備一定工藝窗口的參數(shù)，如表6 所示。

表5 參數(shù)排列組合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則Table 5 Design criteria of parameters permutation and combination

表6 優(yōu)選出的工藝參數(shù)Table 6 The optimized process parameters

在表6 所示的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，利用Mintab軟件進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行涂層硬度及化學(xué)成分預(yù)測(cè)，得到的結(jié)果如表7 所示。

表7 優(yōu)選參數(shù)范圍內(nèi)硬度及化學(xué)成分預(yù)測(cè)值Table 7 Predicted hardness and chemical composition of the optimized parameters

編號(hào)氬氣流(NLPM)SiO2 含量估測(cè)值(wt.%)5407480301105.7814.594.61 6406480351105.7314.394.56 7457470351105.5713.334.15 8456470301105.6714.035.15氫氣流量(NLPM)電流(A)送粉速率(g/min)噴涂距離(mm)硬度壓痕直徑估測(cè)值(mm)BN 含量估測(cè)值(wt.%)

2.3 涂層性能考核驗(yàn)證

利用表6 優(yōu)選出的參數(shù)進(jìn)行了硬度實(shí)驗(yàn)及化學(xué)成分分析實(shí)驗(yàn)，硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1，化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)圖2 所示。由圖1 及圖2 可知：通過(guò)參數(shù)模型預(yù)測(cè)的硬度及化學(xué)成分與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的吻合性較好，說(shuō)明建立的關(guān)系模型可靠性高。同時(shí)，在測(cè)試的所有參數(shù)中，第3 組參數(shù)硬度值最高，在圖2 中個(gè)別組的化學(xué)成分預(yù)測(cè)值與實(shí)際值有較大差異，這可能與化學(xué)成分分析過(guò)程中的精度控制有關(guān)。

圖1 硬度實(shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)估結(jié)果比較Fig.1 Comparison of the measured hardness and predicted hardness

圖2 化學(xué)成分實(shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果比較Fig.2 Comparison of measured chemical composition and predicted chemical composition

采用表6 所示的8 組參數(shù)，制備了結(jié)合強(qiáng)度試樣，涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖3 所示，可見(jiàn)采用預(yù)測(cè)的工藝參數(shù)制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度均值均在4MPa 以上，滿足該封嚴(yán)涂層要求的大于等于4MPa 的要求[8-9]。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，采用第7 組參數(shù)制備的結(jié)合強(qiáng)度最高，達(dá)到了11MPa 以上，且該組參數(shù)對(duì)應(yīng)的硬度值也較高，這是因?yàn)椋涸谳^高的氫氣流量和較高的氬氣流量下，粉末粒子對(duì)應(yīng)較好的熔化狀態(tài)及較高的撞擊基體速度，從而使形成的涂層更加致密，對(duì)應(yīng)的結(jié)合強(qiáng)度較高。進(jìn)一步研究還可以發(fā)現(xiàn)：在第3組參數(shù)下，獲得的涂層結(jié)合強(qiáng)度及硬度值最低，這可能與在高氬氣流量、高氫氣流量、高電流作用下等離子焰流熱焓值最高，加之較遠(yuǎn)的噴涂距離使得涂層內(nèi)部氧化較為嚴(yán)重，從而使獲得的涂層硬度及結(jié)合強(qiáng)度較低。

涂層經(jīng)450℃，100 小時(shí)熱處理后，涂層的硬度略有降低（見(jiàn)圖4），這可能與熱處理后涂層內(nèi)部殘留的粘結(jié)劑分解，涂層內(nèi)孔孔洞增加，從而導(dǎo)致涂層硬度下降有關(guān)[10-11]；涂層總體硬度變化不大，且在(4.8～6.3)mm 范圍內(nèi)，說(shuō)明采用預(yù)測(cè)的參數(shù)制備的Al/BN 涂層的熱穩(wěn)定性較好。

圖3 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.3 Results of tensile bond strength

圖4 熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 results of thermal stability

3 結(jié)論

(1)通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定了等離子噴涂Al/BN 涂層過(guò)程中，涂層硬度與各噴涂參數(shù)之間的關(guān)系模型為：

硬度壓痕直徑=11.25-0.05983×氬氣-0.5263 ×氫氣-0.01419×電流+0.0125×送粉速率+0.02775×噴涂距離+0.001646×氫氣×電流-0.00225×氫氣×噴涂距離

(2)通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定了等離子噴涂Al/BN 涂層過(guò)程中，涂層化學(xué)成分與各噴涂參數(shù)之間的關(guān)系模型為：

BN 含量=30.18-0.086× 氬氣-1.283× 氫氣 -0.004375×電流-0.002667×送粉速率-0.0975×噴涂距離+0.000875×氫氣×電流+0.000875×氫氣×電流+0.00883×氫氣×噴涂距離

SiO2含量=10.31-0.000667×氬氣+0.0933×氫氣+0.01369×電流-0.01567×送粉速率-0.09375×噴涂距離-0.002083×氫氣×電流+0.007×氫氣×噴涂距離

(3)利用正交實(shí)驗(yàn)及排列組合相結(jié)合的方式，優(yōu)選出了最優(yōu)工藝參數(shù)，采用該最優(yōu)工藝參數(shù)制備的涂層硬度、BN 含量、SiO2含量預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合性較好。

(4)在最優(yōu)工藝參數(shù)下涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度均≥4MPa，滿足該封嚴(yán)涂層使用要求。

(5)在最優(yōu)工藝參數(shù)下制備的硬度試樣經(jīng)450℃，100 小時(shí)熱處理后，涂層的硬度略有下降，但在該涂層要求的硬度值范圍內(nèi)。