大氣等離子噴涂和超音速火焰噴涂制備的CoMoCrSi 涂層組織結(jié)構(gòu)和性能

黎紅英，羅朝勇，謝善，劉雅朋

中國航發(fā)航空科技股份有限公司

0 引言

Tribaloy 系列合金是一種典型的Co 基體+Laves 相的兩相鈷基合金。Co 基體保證韌性，Laves 相保證其硬度。Tribaloy 系列合金最常用的為T800 和T400[1-3]，這兩種合金涂層粉末，也廣泛用于航空航天飛行器熱噴涂中。T800—CoMoCrSi 涂層是一種高Co、高Mo、高Cr 的合金涂層，具有優(yōu)異的耐腐蝕、抗氧化和耐磨損的高溫性能，可以在800℃以下長期穩(wěn)定使用[4-8]。采用T800 涂層進行表面強化的工藝主要為堆焊工藝與激光熔覆技術(shù)，APS 和HVOF 相關(guān)研究不多[9-11]。該涂層在GE、PW 等國外先進民用航空發(fā)動機上已獲得廣泛應(yīng)用，國內(nèi)民用發(fā)動機尚未正式使用。而由于該涂層成分復(fù)雜，對參數(shù)的敏感度高，導(dǎo)致噴涂參數(shù)可調(diào)整范圍小，難以同時達到高結(jié)合強度、高硬度等要求，一直被譽為最難噴涂的涂層之一。王長亮等采用超級爆炸噴涂制備的CoMoCrSi 涂層，涂層硬度661HV300gf，結(jié)合強度63.3MPa；陳雄偉等采用超音速火焰噴涂CoMoCrSi 涂層，HR15N 達到92.3 時，結(jié)合強度為47.2MPa；APS 噴涂，HR15N 達到88.8 時，結(jié)合強度為28.7MPa[12-14]。HVOF 噴涂和APS 噴涂難以同時達到高結(jié)合強度、硬度。CoMoCrSi 涂層一般用于渦輪葉片、燃油噴嘴、燃燒室部件等的修復(fù)和飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)軸和密封圈區(qū)域，服役環(huán)境惡劣，多采用APS 噴涂，部分對涂層致密性要求更高的零件則采用HVOF 噴涂，兩種工藝各有優(yōu)劣。

本文采用APS 和HVOF 兩種工藝制備了CoMoCrSi 涂層，并對比了其組織和性能差異、生產(chǎn)效率和成本。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗粉末采用Metco 公司生產(chǎn)的Metco68FNS-1 合金粉末，粒度為20～45μm，主要成分、粒度組成見表1 和表2。試片材料選擇Incol 718，金相試樣和硬度試樣的尺寸為25.4mm×25.4mm×2.5mm，粘接拉力強度試樣的尺寸為φ25mm×6mm。

表2 Metco68F-NS-1 粉末粒度組成Table 2 Size distribution of Metco68F-NS-1 powder

1.2 試驗方法和內(nèi)容

分別采用APS 和HVOF 制備CoMoCrSi 涂層。APS 噴涂設(shè)備采用Praxair 公司生產(chǎn)的3620型，噴槍為SG-100，HVOF 噴涂設(shè)備采用美國Deloro Stellite 公司生產(chǎn)的Jet-Kote Ⅲ型，噴槍為JK3000。采用ABB 機械手自動噴涂。氣體采用高純度的Ar、H2和O2，送粉氣體為氬氣。噴涂前先用丙酮清洗試樣表面，然后再采用自動吹砂機對試樣表面進行粗化處理，砂粒選用60#的棕剛玉。

采用WDW-100 拉伸試驗機根據(jù)ASTMC633標(biāo)準(zhǔn)檢測涂層結(jié)合強度；采用Apreo.s 掃描電鏡(SEM)和能譜分析儀(EDS)試樣涂層斷口形貌及成分進行分析；采用圖像分析法測量涂層孔隙率，為10 次測量的平均值；氧化物含量采用圖像分析法測量，為10 次測量平均值；采用LM-700AT顯微硬度計測量涂層顯微硬度，載荷為300g，加載時間為10s，測量結(jié)果為十點平均值；采用M4R025G3 硬度計測量表面洛氏硬度，載荷為HR15N，為十點測量平均值。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 APS 和HVOF 噴涂CoMoCrSi 涂層的微觀組織

從表3 和圖1 中可以看出，APS 的涂層孔隙率較低，小于5%，HVOF 涂層可低于1%。APS涂層的氧化物含量較高，約20%，而HVOF 僅10%。對比圖1(a)和(b)，APS 噴涂的涂層層間氧化物含量、長度和寬度明顯大于HVOF 噴涂涂層，從圖2 (a)和(b)可以更明顯的看出兩種工藝所噴涂層中氧化物形態(tài)上的差異。這和兩種工藝自身噴涂特點有關(guān)。HVOF 噴涂粒子速度快，焰流溫度低，在空氣中氧化時間短，所以涂層致密，氧化物少；APS 噴涂焰流溫度高，粒子速度比HVOF 噴涂慢，造成氧化物較多，孔隙率偏高。

表3 APS 和HVOF 噴涂CoMoCrSi 涂層的顯微組織特性Table 3 Microstructure characteristics of CoMoCrSi coating sprayed by APS and HVOF

圖1 CoMoCrSi 涂層金相組織：(a) APS; (b) HVOFFig.1 Microstructure of CoMoCrSi coatings: (a)APS, (b)HVOF

圖2 CoMoCrSi 涂層截面SEM：(a)APS; (b)HVOFFig.2 Section SEM of CoMoCrSi coatings: (a)APS, (b)HVOF

總的說來，APS 噴涂的CoMoCrSi 涂層垂直于軸向拉力方向的條狀氧化物粗大，長度更長，斷裂形貌為脆性斷裂特征，且含量較高。說明涂層組織中氧化物與正常組織界面面積的增加，所以在較低應(yīng)力下就能沿氧化物產(chǎn)生微裂紋，微裂紋沿脆性條狀氧化物界面快速擴展產(chǎn)生斷裂，垂直于軸向拉力氧化物條分布進一步促進裂紋擴展，斷面上脆性斷裂面積較大。為了提高涂層性能，APS 涂層應(yīng)避免產(chǎn)生粗大條狀氧化物。HVOF 噴涂的CoMoCrSi 涂層氧化物含量較少，條狀較細且較短，在金屬相產(chǎn)生的斷裂面積較大，即塑性斷裂面積較大，在裂紋的起源應(yīng)力和擴展阻力方面均大于APS 涂層。

2.2 APS 和HVOF 噴涂CoMoCrSi 涂層的結(jié)合強度和硬度

將兩種噴涂方式的試片進行拉伸強度和硬度檢測，結(jié)果見表4。APS 制備的CoMoCrSi涂層結(jié)合強度為45MPa，HVOF 為69MPa，結(jié)合強度比APS 高了53%；APS 涂層顯微硬度為464HV300gf，HVOF 為699HV300gf， 比APS 高了50%。兩種工藝涂層表面洛氏硬度分別為86HR15N 和89HR15N，差異不大。

沿拉斷的試片截面制備金相試樣觀察，可見兩種工藝的涂層斷裂均主要沿條狀氧化物分離的方式斷開，條狀氧化物之間沿金屬相裂開，見圖3(a)和(b)箭頭所示。

表4 結(jié)合強度和硬度檢測結(jié)果Table 4 Test results of bond strength and hardness

圖3 拉伸斷口橫截面金相照片：(a)APS; (b)HVOFFig.3 Cross-sections of fracture morphology: (a)APS, (b)HVOF

在Apreo.s 掃描電鏡下觀察拉伸斷口表面，斷裂形貌見圖4(a)和(b)。從圖中可以看出，APS斷面相對于HVOF 斷面，具有更多的灰色塊狀非晶體斷裂形貌，斷面光滑，具有沿條狀氧化物的脆性斷裂特征，該類型斷裂特征強度較低，裂紋擴展速度快。而HVOF 撕裂棱較多，為條狀氧化物之間沿金屬相的塑性斷裂特征，強度較高，裂紋擴展速度較慢。圖5 為斷面放大形貌。

圖4 涂層拉伸斷口形貌：(a)APS; (b)HVOFFig.4 Fracture morphology of coating: (a)APS, (b)HVOF

圖5 涂層拉伸斷口放大形貌：(a)APS; (b)HVOFFig.5 Detailed cross-sectionals fracture morphology of coatings: (a)APS, (b)HVOF

兩種涂層的微觀硬度壓痕形貌見圖6，觀察發(fā)現(xiàn)，APS 涂層多數(shù)壓痕形貌不對稱，在涂層厚度方向壓痕對角線長度沿氧化物層狀方向滑移明顯，在載荷壓力作用下沿氧化物界面裂開趨勢明顯，導(dǎo)致壓痕對角線長度增加，硬度值降低，見圖6(a)。而HVOF 涂層壓痕形貌基本和壓頭形貌類似，為對稱的標(biāo)準(zhǔn)菱形特征，壓痕附近開裂現(xiàn)象不明顯，少量沿細氧化物條裂開的特征，硬度對角線無異常，見圖6(b)。為了提高顯微硬度，制備涂層時應(yīng)盡量減少粗條狀氧化物的形成。

圖6 涂層顯微壓痕形貌：(a)APS; (b)HVOF Fig.6 Morphology of microhardness indentation: (a)APS, (b)HVOF

2.3 APS 和HVOF 噴涂CoMoCrSi 涂層XRD 分析

圖7 為APS 和HVOF 制備的CoMoCrSi 涂層XRD 圖譜。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，APS 涂層有少量尖銳的衍射峰，為Co3Mo2Si 相，同時有一個較寬的漫射衍峰，為明顯的非晶態(tài)。Co3Mo2Si 是Laves相主要成分之一，由鈷基固溶體析出大量富Si 和Mo 元素形成，為六方密排晶體結(jié)構(gòu)。相比于APS涂層，HVOF 涂層XRD 峰更為寬化，尖銳化程度更弱，這表明HVOF 制備的CoMoCrSi 涂層比APS 的非晶化程度更高，涂層主要由非晶相組成。

分析認為，熱噴涂火焰可以完全融化大部分噴涂粉末，但是離開火焰噴涂范圍后，粉末顆粒會迅速冷卻。如果冷卻速率大于涂層合金非晶形成的臨界冷速，則會形成非晶，反之形成晶體[15-16]。HVOF 冷卻速率大于合金涂層非晶形成的臨界冷速，因此XRD 顯示為非晶態(tài)。APS 工作溫度高于HVOF，過高的工作溫度會導(dǎo)致噴涂粉末撞擊基體形成涂層后，仍有大量熱量殘留在涂層中，基體溫度更高，冷卻速率低于HVOF，會導(dǎo)致涂層內(nèi)部部分晶化，產(chǎn)生了一定量的Co3Mo2Si 相，因此XRD 顯示APS 涂層非晶程度低于HVOF。非晶體合金因其成分均勻，不存在晶體缺陷，具有獨特而優(yōu)異的性能，如較高的強度、硬度和優(yōu)良的耐磨耐蝕性能，能夠顯著延長工件在惡劣環(huán)境下的使用壽命。HVOF 和APS 制備的CoMoCrSi涂層有大量非晶態(tài)，正好與其前面的高硬度、高結(jié)合強度性能檢測結(jié)果相呼應(yīng)。

2.4 APS 和HVOF 噴涂CoMoCrSi 涂層生產(chǎn)效率和成本對比

圖7 CoMoCrSi 涂層XRD 結(jié)果Fig.7 XRD pattern of CoMoCrSi coatings

APS 噴涂采用SG-100 噴槍，主氣氬氣50 PSI，輔氣氦氣120 PSI, 主氣孔板56#,輔氣孔板80#；HVOF 噴涂氫氣流量1420SCFH，氧氣流量480SCFH。當(dāng)噴涂厚度均為0.40mm 時，沉積速率分別為：APS≈0.01mm/pass；HVOF≈0.005mm/pass。APS 加工消耗成本≈1200 元/h, HVOF 加工消耗成本≈1500 元/h。（注：加工消耗成本包含水、電、氣、粉末、備件損耗等）以A 零件加工為例，零件A 噴涂厚度為0.4mm，APS 噴涂時間需要2.5h，成本為3750 元/件。HVOF 噴涂時間則是APS 的2 倍，成本接近APS 的3 倍，見表5。

表5 不同噴涂工藝對相同零件A 加工成本對比Table 5 Comparison of produce cost for two spraying methods

3 結(jié)論

(1) APS 制 備 的CoMoCrSi 涂 層 硬 度86HR15N，464HV300gf，結(jié)合強度45MPa；HVOF 制備的CoMoCrSi 涂層硬度89HR15N，699HV300gf，結(jié)合強度69MPa。

(2) APS 制備的CoMoCrSi 涂層孔隙率小于5%，HVOF 可低于1%。但APS 的氧化物含量較高，約20%，HVOF 僅10%。APS 和HVOF 噴涂的涂層層間氧化物形態(tài)上有明顯差異。

(3) XRD 檢測顯示，APS 制備的CoMoCrSi 涂層有晶態(tài)和非晶態(tài)，而HVOF 制備的CoMoCrSi涂層主要為非晶態(tài)。

(4)工藝參數(shù)優(yōu)化后的APS 沉積效率為HVOF的2 倍，每小時的噴涂成本為HVOF 的80%。