熱噴涂銅鋁聚苯酯封嚴(yán)涂層制備和性能研究

劉通，劉建明，郭丹，黃凌峰，章德銘

（1.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北京市工業(yè)部件表面強化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206；3. 特種涂層材料與技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102206）

0 引 言

隨著航空發(fā)動機向著大功率、高負(fù)荷、高性能方向發(fā)展，人們對航空材料提出了越來越高的要求，單純依靠改變材料性能，已很難滿足航空發(fā)動機發(fā)展的需求，為此各種表面處理技術(shù)被運用于航空發(fā)動機中[1]。熱噴涂技術(shù)是表面工程領(lǐng)域的一種重要技術(shù)，與其他表面處理技術(shù)相比其具有可利用材料廣、基體材料不受限、涂層厚度易控制等優(yōu)點。因此，熱噴涂涂層被大量應(yīng)用于各種航空發(fā)動機零部件中，其中可磨耗封嚴(yán)涂層對于提高航空發(fā)動機的整機效率、降低油耗和延長部件壽命等具有重要意義[2-4]，在發(fā)動機研制、新機制造、運行和維修等方面發(fā)揮著重要作用。

可磨耗封嚴(yán)涂層材料體系繁多，主要成分包含金屬骨架相、可磨耗相和孔隙相[5]。其中金屬骨架相具有可噴涂性、保證涂層具有一定的硬度、結(jié)合強度、抗氧化、抗沖蝕性等，常用的有鋁、銅、鎳、鈷金屬等及其合金；可磨耗相多為固體潤滑劑、陶瓷顆?；騼烧叩幕旌衔?，如聚苯酯、六方氮化硼、石墨、膨潤土和硅藻土等，具有易剪切、減摩、抗粘著等性能，可保證涂層可磨耗性；孔隙相可作為初始裂紋源，促進(jìn)涂層內(nèi)部粘結(jié)的斷裂，減少涂層磨屑向轉(zhuǎn)子件的粘著轉(zhuǎn)移，降低涂層硬度。目前，根據(jù)航空發(fā)動機使用部位及服役溫度的不同，已經(jīng)形成不同的可磨耗封嚴(yán)涂層材料體系，如鋁硅聚苯酯、鋁硅氮化硼、銅鋁鎳石墨等[6-8]，而鋁基、石墨系封嚴(yán)涂層在海洋環(huán)境下常出現(xiàn)大片霉斑、嚴(yán)重點蝕等耐腐蝕性不足的問題,鎳基涂層耐腐蝕性良好，但與鈦合金葉片匹配性較差。

據(jù)資料顯示，國外已成功開發(fā)了銅基耐腐蝕可磨耗涂層材料，并被眾多發(fā)動機廠商大量應(yīng)用。但國內(nèi)對這類涂層材料的研究較少，已有結(jié)果表明[9]，銅鋁聚苯酯由于具有良好的減摩、抗粘著能力，已用作航空發(fā)動機耐微動磨損涂層，但尚未見到銅鋁聚苯酯作為可磨耗封嚴(yán)涂層的相關(guān)報道。本文在保障銅鋁聚苯酯涂層硬度和結(jié)合強度下，通過改變聚苯酯含量，提高涂層孔隙率，成功制備出一種滿足航空發(fā)動機對中低溫封嚴(yán)涂層使用要求的新型熱噴涂銅鋁聚苯酯復(fù)合材料及涂層。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料制備

本試驗采用高效機械團聚復(fù)合工藝制備銅鋁聚苯酯(CuAl/PHB)封嚴(yán)涂層復(fù)合粉末（聚苯酯含量為15wt.%），選用“真空熔煉+高壓惰氣霧化”工藝制備的25～75μm 銅鋁合金粉作為金屬骨架相，氧含量≤500ppm；選用粒度45～170μm 聚苯酯粉末作為可磨耗潤滑相，選用的粘結(jié)劑具有粘結(jié)強度高、分散性好、易于干燥(固化或揮發(fā))、無異味，且耐熱、耐濕的特點，添加的粘結(jié)劑以保證團聚包覆型復(fù)合粉末的形貌，減少復(fù)合粉末在噴涂過程中的燒損。

1.2 可磨耗封嚴(yán)涂層的制備

本試驗選用高溫合金(GH4169)為基體材料，制備金相、硬度和結(jié)合強度等試樣。噴涂前對基體表面進(jìn)行脫油凈化和噴砂粗糙化處理，選用粒度為40 目的棕剛玉，采用射吸式噴砂機，壓力在0.55～0.65MPa。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°，噴砂咀距離工件的距離大約為200mm。

本試驗采用Metco F4 大氣等離子噴涂系統(tǒng)在預(yù)處理后的基體表面制備封嚴(yán)涂層底層和面層，底層采用Ni-Al 復(fù)合粉末（牌號：KF-6），厚度約為0.15mm；面層采用銅鋁聚苯酯復(fù)合粉末，通過對噴涂功率、噴涂距離、送粉速率等工藝參數(shù)的優(yōu)化，確定最佳面層噴涂參數(shù)如表1 所示。

噴涂后對所制備涂層的微觀組織、孔隙率、硬度、結(jié)合強度、抗熱震性能和耐腐蝕性等進(jìn)行測試研究。

1.3 檢測方法及設(shè)備

采用Hitachi SU5000 型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析粉末和涂層試樣橫截面的顯微組織形貌，使用Image J 軟件測量涂層橫截面的孔隙率數(shù)值。

涂層硬度試樣厚度為1.8～2.0mm，表面經(jīng)過砂紙打磨后，依照HB5486 采用MODEL600MRD-S型洛氏硬度儀檢測HR15Y。

涂層的結(jié)合強度采用粘結(jié)拉伸法測試，將粗磨后的試樣與預(yù)噴砂的對接件采用美國生產(chǎn)的FM-1000 高溫膠片粘結(jié)，190℃、保溫2h 的條件下固化；在WDW-100A 型微機控制電子式萬能試驗機上進(jìn)行測試；涂層厚度為0.5～0.6mm 拉斷時單位面積涂層所承受的載荷為結(jié)合強度，并對斷口進(jìn)行宏觀觀察，確定涂層斷裂方式，為了保證實驗結(jié)果的可靠性，每組實驗均采取3 個試樣進(jìn)行測試，取其平均值作為最終結(jié)果。

涂層的抗熱震性能測試方法，首先將涂層樣品在650℃電阻爐中保溫10min，放入冷水淬冷，觀察涂層表面狀態(tài)，記錄試驗次數(shù)。

涂層耐腐蝕性能測試依據(jù)GB10125 進(jìn)行，實驗溶液采用分析純NaCl，濃度為5wt.%，鹽霧箱內(nèi)的溫度保持在(35±2)℃范圍內(nèi)。試樣在放入鹽霧箱之前先經(jīng)過400#砂紙打磨，使噴涂后的表面保持平整。當(dāng)腐蝕時間達(dá)到96h 后，取出試樣，使用去離子水用緩慢的水流沖洗試樣表面，除去表面殘留的NaCl 溶液，晾干后進(jìn)行后續(xù)檢測。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合粉末性能

本試驗采用高效機械團聚復(fù)合工藝制得的銅鋁聚苯酯復(fù)合粉末為較細(xì)合金粉和粗顆粒聚苯酯的均勻團聚體，表面形貌如圖1 所示，可以看出，復(fù)合粉末呈不規(guī)則形貌，粒度在25～120μm，粗顆粒聚苯酯為核心，其表面均勻粘附了細(xì)粒徑的銅鋁合金粉，為典型的包覆型復(fù)合粉末。

圖1 銅鋁聚苯酯復(fù)合粉末微觀形貌照片：(a)100 倍；(b) 800 倍Fig.1 Microstructure of CuAl-PHB powders: (a)100×, (b)800×

2.2 涂層組織性能

2.2.1 涂層微觀組織形貌

涂層微觀組織形貌是評價涂層性能的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。采用大氣等離子噴涂工藝制備的CuAl/PHB涂層微觀形貌如圖2 所示，涂層組織均勻，其中灰色區(qū)域為金屬相，黑色區(qū)域為聚苯酯及涂層孔隙。金屬相作為骨架支撐著整個涂層，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)。

通過Image J 圖像處理軟件對CuAl/PHB 涂層顯微形貌照片進(jìn)行分析，測定了涂層的孔隙率為45.3%（涂層中聚苯酯和孔隙所占比例）。

2.2.2 涂層力學(xué)性能

按照表1 所示的熱噴涂工藝參數(shù)制備CuAl/PHB 涂層，測試涂層硬度和結(jié)合強度結(jié)果分別列于表2、表3，拉伸結(jié)果均為100%涂層內(nèi)斷裂。

圖2 涂層微觀組織形貌照片F(xiàn)ig.2 Microstructure of coatings

表3 涂層結(jié)合強度Table 3 Bonding strength of coatings

由表2、表3 數(shù)據(jù)可知，本試驗所制備的銅鋁聚苯酯封嚴(yán)涂層的硬度平均值56.3 HR15Y，結(jié)合強度≥6.9MPa，適合用作航空發(fā)動機氣路間隙控制封嚴(yán)涂層，能滿足硬度與結(jié)合強度的良好匹配。

聚苯酯粉末在低于350℃下穩(wěn)定性良好，且具有優(yōu)異的自潤滑及耐磨性，常被用作封嚴(yán)涂層材料的造孔劑，但由于噴涂中聚苯酯燒損嚴(yán)重，導(dǎo)致涂層中孔隙率含量無法滿足封嚴(yán)涂層質(zhì)量要求。本試驗以粗粒徑聚苯酯粉末顆粒為包覆核心，通過機械團聚復(fù)合工藝，在聚苯酯顆粒表面均勻包覆一層細(xì)粒徑銅鋁合金粉，使得噴涂時合金粉先融化，減少聚苯酯與等離子火焰熱源的接觸。此外，添加的粘結(jié)劑以保證團聚包覆型復(fù)合粉末的形貌，降低了復(fù)合粉末在噴涂過程中的燒損，使絕大部分聚苯酯在噴涂后仍然存留在涂層中。CuAl/PHB 涂層顯微組織為典型的蜂窩和軟相夾雜結(jié)構(gòu)，由細(xì)銅鋁合金粉形成的連續(xù)金屬骨架組分保證涂層具有較高的結(jié)合強度；結(jié)合均勻“鑲嵌”在骨架基體中的聚苯酯和孔隙軟相組分，降低了涂層硬度，有益于封嚴(yán)涂層與對磨轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生刮削時形成細(xì)小磨屑、不易大塊脫落，提高了涂層整體的可磨耗性能。

在650℃，保溫10min 后放入冷水淬冷的條件下進(jìn)行涂層的抗熱震性能檢測，經(jīng)過30 次條件試驗，如圖3 所示，涂層沒有出現(xiàn)脫落、裂紋等現(xiàn)象，表明該涂層的抗熱沖擊性能良好。

圖3 涂層經(jīng)30 次水冷熱震試驗后宏觀照片F(xiàn)ig.3 Macro-morphology of coatings after 30 times thermal cycle testing

2.2.3 涂層耐腐蝕性能

對CuAl/PHB涂層試樣的基體進(jìn)行膠粘防護，將防護好的涂層放置在鹽霧試驗機中，按照《GB 10125 人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》的要求，在室溫條件下進(jìn)行96 小時中性鹽霧試驗，涂層試驗前、后的宏觀照片如圖4 所示，由照片可觀測到，鹽霧試驗前涂層平整、光滑，顏色為金黃色；試驗后涂層顏色變深，近棕色，沒有出現(xiàn)涂層掉塊、腐蝕坑、霉斑等現(xiàn)象，僅在局部有白色腐蝕斑點，外觀評價可達(dá)4 級，涂層具有良好的抗中性鹽霧腐蝕性能。

圖4 96 小時中性鹽霧試驗前、后涂層宏觀照片：(a) 腐蝕前；(b) 腐蝕后Fig.4 Macro-morphology of coating before and after the 96h neutral salt test: (a) before corrosion, (b) after corrosion

通過對CuAl/PHB 涂層SEM 微觀形貌和能譜的分析，進(jìn)一步研究了鹽霧腐蝕試驗對涂層的影響。圖5 為白色腐蝕斑點處的涂層微觀形貌，表4 為腐蝕斑點的能譜檢測結(jié)果，檢測結(jié)果表明中性鹽霧腐蝕試驗后，在涂層孔隙處生成的白色斑點主要為Al 的腐蝕氧化產(chǎn)物。

圖5 96 小時中性鹽霧試驗后涂層表面腐蝕斑點的微觀形貌照片F(xiàn)ig.5 Microstructure of coating after the 96h neutral salt test

表4 涂層腐蝕前及鹽霧腐蝕96 小時后的表面成分Table 4 Surface composition of the coating before corrosion and salt spray corrosion after 96h

圖6 為96 小時中性鹽霧試驗后CuAl/PHB 涂層截面微觀形貌，與圖2 中腐蝕試驗前的涂層形貌相比，涂層組織沒有發(fā)生明顯變化，仍為疏松多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，涂層內(nèi)部及涂層與底層界面處沒有產(chǎn)生裂紋、氧化等腐蝕行為。與早期研究結(jié)果相比[10]，本試驗研制的CuAl/PHB 封嚴(yán)涂層，在高孔隙率下，涂層的抗中性鹽霧腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鋁硅氮化硼(AlSi/BN)和鋁硅聚苯酯(AlSi/PHB)封嚴(yán)涂層。

3 結(jié)論

(1)以銅鋁合金粉和聚苯酯為原材料，添加粘結(jié)劑，采用機械團聚復(fù)合工藝制備了銅鋁聚苯酯復(fù)合粉末，采用大氣等離子噴涂工藝制備銅鋁聚苯酯封嚴(yán)涂層，涂層組織均勻，聚苯酯和孔隙占比45.3%，硬度平均值56.3 HR15Y，結(jié)合強度≥6.9MPa，650℃下抗熱震性能良好，適合用作航空發(fā)動機氣路間隙控制封嚴(yán)涂層，能滿足硬度與結(jié)合強度的良好匹配。

(2)本文研制的高孔隙率銅鋁聚苯酯封嚴(yán)涂層具有良好的耐腐蝕性，在96 小時室溫中性鹽霧試驗外觀評級達(dá)到4 級。