超音速火焰噴涂CoCrAlYSi-hBN涂層組織和性能

張 昂,王長亮,王天穎,高俊國,郭孟秋,崔永靜,田浩亮

（中國航發(fā)北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

CuNiIn涂層體系是目前廣泛使用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)榫頭/榫槽接觸面的一種抗微動(dòng)磨損涂層[1-4]。而隨著對發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提高，CuNiIn涂層已經(jīng)無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作需求。原因是：（1）風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片的實(shí)際工作溫度可達(dá) 600 ℃，CuNiIn涂層需在350 ℃以下工作才能保持涂層本身穩(wěn)定；（2）CuNiIn涂層一般與固體潤滑膜結(jié)合使用，初始能夠提供低摩擦因素，但隨著工作時(shí)間的延長，固體潤滑劑被消耗，涂層與葉片榫槽間的摩擦因素增大，導(dǎo)致抗微動(dòng)磨損效果下降；（3）榫頭CuNiIn涂層與榫槽鈦合金工作面磨損時(shí)，榫槽鈦合金會(huì)被涂層磨損而移除，導(dǎo)致榫槽與榫頭的接觸面形成凹坑，凹坑可能導(dǎo)致葉片的卡住，而且在極端情況下，可能導(dǎo)致葉盤過早疲勞失效[5-7]。因此，新型的葉片榫頭/榫槽抗微動(dòng)磨損涂層亟需開發(fā)和研究。

國內(nèi)外對抗微動(dòng)磨損涂層研究較多，如WCCo類硬質(zhì)涂層等[8]。但由于葉片榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)的特殊性，只能在榫頭工作部位噴涂涂層，所以涂層要求具有抗微動(dòng)磨損性能，但又要足夠“軟”，不能對榫槽鈦合金造成磨損。研究表明CoCrAlYSihBN具有優(yōu)異的抗微動(dòng)磨損性能，可以作為榫頭/榫槽抗微動(dòng)磨損的防護(hù)[9-10]。CoCrAlYSi為主相，軟硬適宜，具有良好的抗氧化性能，工作溫度能達(dá)900 ℃；hBN作為潤滑相，進(jìn)一步降低涂層與鈦合金的摩擦系數(shù)[10-15]。但目前對CoCrAlYSi-hBN涂層噴涂工藝的研究很少報(bào)道。

MCrAlY（M 為 Co，Ni或 Co+Ni）涂層普遍采用等離子噴涂制備[16-19]，近年也有文獻(xiàn)報(bào)道采用超音速火焰噴涂制備MCrAlY涂層[20-23]。相對于等離子噴涂工藝，超音速火焰（HVOF）噴涂可以在不過分加熱粒子的前提下就能使粒子獲得很大的動(dòng)能，火焰速率可達(dá)到5倍的音速，獲得的涂層孔隙率和氧化物夾雜低，具有高的結(jié)合強(qiáng)度[24]。所以，相比等離子噴涂，HVOF噴涂工藝可以獲得更高質(zhì)量的涂層。

本研究采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備CoCrAlYSi-hBN涂層，研究燃?xì)饬髁亢蛧娡烤嚯x對涂層組織與性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 涂層制備

噴涂粉末采用CoCrAlYSi和h-BN的機(jī)械混合粉末，其主要化學(xué)成分含量見表1。對噴涂粉末的形貌進(jìn)行掃描電鏡觀察，對粉末化學(xué)成分進(jìn)行能譜分析。噴涂粉末形貌見圖1，球形顆粒為CoCrAlYSi金屬合金，粒度分布在8~45 μm之間，襯度較深的片為 hBN，粒度分布在 50~229 μm之間。

表1 CoCrAlYSi-hBN 粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition and content of the CoCrAlYSihBN powder （mass fraction/%）

圖1 CoCrAlYSi-hBN 粉末形貌Fig.1 Morphology of CoCrAlYSi-hBN powder

采用IRB4600六軸機(jī)械手控制DJ2700超音速火焰噴涂設(shè)備制備涂層，丙烷和氧氣為燃料，壓縮空氣為槍體冷卻氣體及助燃?xì)怏w，氮?dú)鉃樗头蹥怏w。試樣基體材料選用鈦合金，噴涂前對基體表面采用丙酮或酒精清洗去油、除污，隨后進(jìn)行噴砂粗化處理，噴砂選用46目白剛玉，噴砂壓力為0.3～0.5 MPa。噴涂工藝參數(shù)見表2，送粉壓力和壓縮空氣恒定，通過改變?nèi)細(xì)猓ㄑ鯕夂捅椋┝髁亢蛧娡烤嚯x，獲得不同組織結(jié)構(gòu)的涂層。

1.2 涂層性能表征

采用Quanta 600型掃描電鏡分析粉末形貌、粒度及涂層截面組織形貌，能譜儀分析涂層的化學(xué)成分，孔隙率分析軟件測試涂層孔隙率。采用StruersDuramin型顯微硬度計(jì)測試涂層的顯微硬度，載荷為 300 g，加載時(shí)間為 15 s，每個(gè)試樣取10個(gè)測試點(diǎn)。根據(jù)航標(biāo)HB 5476—1991《熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)方法》在Instron 5882型拉伸機(jī)上測試涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，每個(gè)試樣測試3個(gè)值，取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層顯微組織

圖2為不同噴涂工藝參數(shù)下制備的CoCrAlYSihBN涂層的微觀組織形貌，涂層由三部分組成：淺灰色基體，灰色及黑色夾雜。其中淺灰色部分為CoCrAlYSi合金，灰色部分為氧化物夾雜，黑色部分為hBN相及涂層孔隙。CoCrAlYSi合金相作為骨架基體支撐著整個(gè)涂層。從微觀形貌可以看出，不同噴涂工藝參數(shù)對涂層組織結(jié)構(gòu)影響顯著。

表2 噴涂工藝參數(shù)Table 2 Spraying parameters

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

1#，2#，5#和6#噴涂工藝除了燃?xì)饬髁坎煌猓渌麌娡繀?shù)都相同。1#條件下，涂層中存在較多未熔顆粒和很少氧化物夾雜；2#條件下，涂層中氧化物含量增多；3#和4#條件下，涂層氧化物進(jìn)一步增多，而且3#和4#條件下噴涂的涂層，其結(jié)構(gòu)更像層狀結(jié)構(gòu)。這是由于燃?xì)饬髁刻岣?，噴涂粒子速率提高且熔化更充分，噴涂到基體時(shí)，在高沖擊力的作用下變形充分，經(jīng)歷急速冷卻、凝固并不斷堆積、重疊，最終形成片層堆積結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)燃?xì)饬髁康蜁r(shí)，噴涂粒子未完全熔化，導(dǎo)致涂層中存在較多未熔化粒子，隨著燃?xì)饬髁康奶岣撸慈廴诹Ｗ訙p少，但氧化物夾雜含量（淺灰色部分）提高。

2#，3#和4#噴涂工藝除了噴涂距離不同，其他噴涂參數(shù)都相同。3#條件下，涂層中hBN和孔隙含量明顯減少；4#條件下涂層和2#條件類似。這可能是隨著噴涂距離的增加，涂層噴涂粒子速率降低[16-18]。因此，在2#條件下，噴涂距離為225 mm時(shí)，速率很快的hBN（不融化）噴涂到基體被反射出去，涂層中幾乎沒有hBN沉積，CoCrAlYSi粒子則在高沖擊力的作用下沉積到基體上呈片狀形貌，最終顯微組織主要由致密的CoCrAlYSi、氧化物夾雜和細(xì)小的孔隙組成；2#和4#條件下，噴涂粒子速率相對慢，基體中得以保留部分hBN，且噴涂粒子速率較慢，因此涂層形貌不是典型的層狀。因此，當(dāng)噴涂距離過近時(shí)，hBN沖擊到基體上被反射出去；氧化物含量隨噴涂距離變化不大。

通過image J圖像處理軟件對涂層顯微照片進(jìn)行分析，采用面積法測定涂層中（hBN相+孔隙）和氧化物所占比例（表3），得到涂層中（hBN相+孔隙）和氧化物與噴涂工藝參數(shù)的關(guān)系。由表3可知，隨著燃?xì)饬髁康脑黾?，涂層（孔?hBN相）含量降低，氧化物含量增加，這是由于燃?xì)饬髁刻岣?，?dǎo)致涂層氧化；隨著噴涂距離的增加，涂層（孔隙+hBN相）含量先增加，然后基本不變；氧化物含量逐漸增加。一方面是由于噴涂距離增加，噴涂粒子速率降低，hBN的反射減少，嵌入涂層中的hBN含量提高；另一方面，噴涂距離增加，噴涂粒子與空氣接觸的時(shí)間延長，導(dǎo)致涂層氧化物含量提高。能譜結(jié)果（表4）與顯微組織分析結(jié)果一致。

表3 不同噴涂工藝參數(shù)下涂層（孔隙率+hBN）及氧化物含量Table 3 （ Pores+hBN） and oxides content of CoCrAlYSihBN coatings under different spraying parameters

能譜測試無法給出B和N元素的含量（表4），可能是由于在HVOF噴涂過程中，一方面，火焰速率很快，但hBN不熔融，hBN撞擊到基體上被反射出去。另一方面，每層涂層的厚度很低，hBN嵌入涂層中的量很少，最終導(dǎo)致涂層中的hBN含量很低。單獨(dú)選中SEM圖中藍(lán)色區(qū)域進(jìn)行掃描（圖4），發(fā)現(xiàn)黑色區(qū)域有B和N元素，表明樣品中存在氮化硼相。

2.2 涂層硬度

不同工藝參數(shù)下的涂層硬度值見表5和圖5，3#噴涂參數(shù)下得到的涂層平均硬度值最高。

通過對比 1# ，2#，5#和 6#實(shí)驗(yàn)，噴涂距離保持不變，涂層硬度隨氧氣和丙烷流量的增加而增高。由于燃?xì)饬髁康脑黾樱羲倩鹧鏈囟群退俾侍岣?，涂層中氧化物含量增加，且涂層孔隙率降低，更加致密（圖3和表4），因此涂層硬度逐漸提高。

通過對比2#，3#和4#實(shí)驗(yàn)可知，氧氣和丙烷流量不變的情況下，涂層硬度隨噴涂距離先降低后增大。當(dāng)噴涂距離為225 mm時(shí)，涂層中幾乎不含hBN 相（圖 2 （c）和圖 3）和孔隙，因此涂層硬度相對最高；隨著噴涂距離增加（2#和4#），涂層中氧化物含量提高，涂層硬度增加。

表4 能譜分析得到的不同工藝條件下的涂層中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 4 Mass fraction of element of CoCrAlYSi-hBN coating under various spraying parametersby EDS analysis

圖3 涂層中（hBN+孔隙）含量（a）和氧化物含量（b）與噴涂工藝的關(guān)系Fig.3 Relationships between the content of （hBN+pore） （Z axis） and coating process parameters（a）and relationships between the content of oxides （Z axis） and coating process parameters（b）

圖4 5#噴涂參數(shù)下涂層藍(lán)色區(qū)域能譜Fig.4 EDS testing of coating dark area under spraying parameter 5#

表5 涂層顯微硬度測試結(jié)果Table 5 Coating microhardness with different spraying process

圖5 涂層硬度與噴涂工藝參數(shù)（燃?xì)饬髁亢蛧娡烤嚯x）的關(guān)系Fig.5 Relationships between coating hardness and coating process parameters （gas flow and spray distance）

2.3 涂層/基體結(jié)合強(qiáng)度

涂層結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果見表6和圖6，3#參數(shù)噴涂的試樣結(jié)合強(qiáng)度平均值最高。

表6 涂層結(jié)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Coating bonding strength under different spraying process

通過對比1#，2#，5#和6#實(shí)驗(yàn)，噴涂距離保持不變，涂層結(jié)合強(qiáng)度隨氧氣和丙烷流量的增加先增高后降低。由于燃?xì)饬髁康脑黾?，超音速火焰溫度和速率提高，涂層之間和涂層與基體界面的結(jié)合更充分；但能量提高后涂層中氧化物含量增加，導(dǎo)致氧化物夾雜為薄弱點(diǎn)，在拉伸時(shí)更容易在涂層間斷裂。

圖6 涂層結(jié)合強(qiáng)度（Z 軸）與噴涂工藝參數(shù)（X 軸：燃?xì)饬髁亢蚘軸：噴涂距離）的關(guān)系Fig.6 Relationships between coating bonding strength（Z axis） and coating process parameters（ X axis： gas flow and Y axis：spray distance）

通過對比2#，3#和4#實(shí)驗(yàn)，氧氣和丙烷流量不變，涂層結(jié)合強(qiáng)度隨噴涂距離逐漸降低。這可能是由于隨著噴涂距離的增加，粒子飛行速率降低的影響大于溫度升高的影響。在225～325 mm之間時(shí)，噴涂距離對涂層結(jié)合強(qiáng)度影響不大。

3 結(jié)論

（1）在噴涂距離恒定條件下，隨著燃?xì)饬髁康脑黾?，粉末熔化更充分，增加了涂層的致密化程度，涂層中孔隙和氮化硼含量呈降低趨勢，涂層硬度增加；但能量過高，涂層氧化嚴(yán)重，涂層間的氧化物夾雜為薄弱點(diǎn)，導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度先升高后降低。

（2）在燃?xì)饬髁亢愣l件下，隨噴涂距離增加，顆粒被加熱和在空氣中的時(shí)間延長，顆粒速率降低，氧化物夾雜增多，從而涂層硬度隨噴涂距離增加呈現(xiàn)增大的趨勢，結(jié)合強(qiáng)度隨噴涂距離增加而降低。但噴涂距離為225 mm時(shí)，由于噴涂粒子速率很快，涂層孔隙率和氮化硼含量很低，導(dǎo)致其涂層高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度。