hBN 石墨化指數(shù)對可磨耗涂層材料燒損率的影響

郭丹，劉建明，潘玥，劉通，張鑫，張康，于月光

（1. 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

可磨耗封嚴涂層涂覆于航空發(fā)動機靜子部件表面，在高溫高速工況下與轉(zhuǎn)子部件對磨時能夠發(fā)生主動磨耗，從而可通過轉(zhuǎn)、靜子的過盈配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)、靜子之間的最小間隙控制，同時保護轉(zhuǎn)子部件不被磨損，其對于降低燃氣輪機油耗、提高效率和運行安全性具有重要意義[1-3]?？赡ズ姆鈬劳繉佑煽赡ズ慕M分和骨架組分組成，可磨耗組分一般為低剪切強度的非金屬材料，如石墨、六方氮化硼、聚苯酯等，提供涂層的可磨耗性；骨架組分一般是Al、AlSi、CuAl、NiCr 等金屬或陶瓷，賦予涂層一定的強度及抗氧化性等[4-7]。可磨耗封嚴涂層最主要的制備工藝為熱噴涂，噴涂焰流溫度一般在3000 ℃以上[8]。

六方氮化硼(hBN)是一種性能優(yōu)越的可磨耗組分，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可磨耗性優(yōu)異等特征，是先進可磨耗涂層材料的一種重要組分[9-10]。但是，由于hBN 組分在900 ℃空氣中氧化快、質(zhì)輕、塑性差、粘附性差等原因，在熱噴涂過程中容易燒損、不易加速、在撞擊到基體后容易散落等，導(dǎo)致涂層沉積率很低，無法發(fā)揮該組分的優(yōu)越特性[11-13]。

本文以典型的高溫封嚴涂層材料鎳鉻鐵鋁氮化硼為例，選擇了A、B、C 三種不同石墨化指數(shù)的hBN 進行復(fù)合粉末材料的制備及其性能對比研究，并對其進行熱噴涂封嚴涂層的制備及涂層性能研究，以期獲得石墨化指數(shù)對hBN 可磨耗涂層燒損率的影響。

1 試驗

1.1 原材料的選擇

本試驗選取粒徑分布范圍為45～90 μm 的鎳鉻鐵合金粉作為包覆核心材料，超細鋁粉和氮化硼粉作為外層包覆組元，制備包覆型鎳鉻鐵鋁氮化硼復(fù)合粉末。其中鎳鉻鐵鋁合金粉采用水霧化法制備。試驗中選擇了 A、B、C 三種不同石墨化指數(shù)的hBN 用于鎳鉻鐵鋁氮化硼復(fù)合粉末的制備。

1.2 復(fù)合粉末的制備

本試驗采用球磨機將NiCrFe 粉末、Al 粉及三種hBN 粉末分別按同一比例進行預(yù)混合，將預(yù)混合粉末及粘結(jié)劑倒入混合包覆造粒機中進行機械融合制備，再經(jīng)過篩分和干燥，最終得到復(fù)合粉末，三種粉末采用的制備工藝完全一致。

1.3 封嚴涂層的制備

分別采用Metco F4 大氣等離子噴涂系統(tǒng)和Metco 6P-Ⅱ氧-乙炔火焰噴涂系統(tǒng)在GH4169 基體表面制備底層和可磨耗封嚴涂層。其中，粘結(jié)層材料選用鎳鋁復(fù)合粉末（礦冶科技集團有限公司，牌號 KF-6，粒度為45～106 μm，化學(xué)成分如表1 所示），面層為鎳鉻鐵鋁氮化硼復(fù)合粉末。采用表2 所示噴涂參數(shù)噴涂粘結(jié)層，并采用表3所示噴涂參數(shù)噴涂面層，噴涂后對所制備涂層的微觀組織形貌、硬度、結(jié)合強度等進行測試與分析。

表1 粘結(jié)層粉末化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of bonding layer powder

表2 粘結(jié)層等離子噴涂參數(shù)Table 2 Plasma spraying parameters of bond layer

表3 可磨耗封嚴涂層火焰噴涂參數(shù)Table 3 Flame spraying parameters of the abrasive coatings

1.4 性能測試

本研究采用XRD 對不同hBN 原料的物相組成進行測試，通過MDI Jade 軟件計算X射線衍射譜中(100)、(101)及(102)等各晶面衍射峰面積S，并通過式(1)來計算其石墨化指數(shù)[14-15]。

采用FEI 公司的Quanta 600 型掃描電子顯微鏡 (SEM) 觀察粉末的顯微組織形貌、剖面及涂層的微觀組織形貌。采用掃描電子顯微圖像分析法對涂層中的金屬相、非金屬相及孔隙占比進行計算，在涂層截面上隨機選取10 張放大倍數(shù)為100×的掃描電鏡圖像，使用 ImageJ 軟件統(tǒng)計圖像中各相的面積比，取平均后得到涂層各相占比。涂層表面經(jīng)過粗磨后，涂層硬度測量依照GB/T231.1-2000 進行并采用MODEL600MRD-S型洛氏硬度儀檢測 HR15Y。涂層的結(jié)合強度采用粘結(jié)拉伸法進行檢測，將粗磨后的試樣與經(jīng)過預(yù)噴砂的對接件采用美國生產(chǎn)的FM-1000 高溫膠片粘結(jié)，在190 ℃下保溫 2 h 進行固化；在WDW-100A 型微機控制電子式萬能試驗機上進行拉伸測試。涂層厚度為0.5～0.8 mm，拉斷時單位面積涂層所承受的載荷為結(jié)合強度。為了保證實驗結(jié)果的可靠性，每組實驗均采用3 個試樣進行測試，取其平均值作為最終結(jié)果。通過電感耦合等離子體光譜儀（ICP 法）對粉末及涂層試樣中的hBN含量進行測量，進而計算復(fù)合粉末在噴涂過程中hBN 相的燒損率。

利用 BGRIMM-ATR 型可磨耗試驗機對鎳鉻鐵鋁氮化硼封嚴涂層試樣進行可磨耗試驗，試樣的尺寸為：100 mm×40 mm×8 mm，對磨葉片為GH4169。試驗溫度為室溫和815 ℃，線速度350 m/s，進給速率5 μm/s，進給深度為500 μm。將刮削試驗前后的葉片高度變化與總進給深度的比值定義為葉片高度磨損比 (IDR)，通過下式計算：

Δh為葉片高度差，Δh=刮削前高度h1-刮削后高度h2；I為涂層磨痕深度。

刮削試驗后，當(dāng)葉片高度減小(Δh＞0)時，按公式(2)計算IDR，總侵入深度=磨痕深度+葉片高度差，即總的侵入深度就是葉尖磨損的長度與涂層被刮削的深度之和。葉片高度增加(Δh＜0)時，按公式(3)計算IDR，即有涂層材料向葉尖的粘附造成葉片高度增加，總侵入深度=磨痕深度。

IDR是評價涂層可磨耗性能的定量指標(biāo)。IDR的絕對值越小，可磨耗性能就越好。當(dāng)以葉片磨損為主時，IDR為正值，當(dāng)出現(xiàn)涂層材料黏附葉片時，IDR為負值。一般情況下，當(dāng)IDR的絕對值小于10%時，涂層的可磨耗性為優(yōu)，當(dāng)IDR的絕對值位于10%～20%時，其可磨耗性為良，當(dāng)IDR的絕對值位于20%～ 30%時，其可磨耗性為可接受[16]。

2 結(jié)果及分析

2.1 hBN 石墨化指數(shù)

通過X 射線衍射(XRD)對三種hBN 原料物相組成進行分析，結(jié)果如圖1 所示，通過Jade 計算得到三種hBN 粉末的(100)、(101)、(102)晶面的衍射峰面積及石墨化指數(shù)如表4 所示?？芍?，三種hBN 粉末的石墨化指數(shù)A 最高，B 次之，C 最低。hBN 石墨化指數(shù)越低，其結(jié)晶完整度越高[11]。

圖1 三種hBN 粉末XRD：(a) A; (b) B; (c) CFig.1 XRD patterns of three hBN powders: (a) A; (b) B; (c) C

表4 hBN 石墨化指數(shù)Table 4 Graphitization Index of hBN

2.2 復(fù)合粉末形貌

采用三種hBN 制備的復(fù)合粉末剖面如圖2 所示，可知，三種復(fù)合粉末形貌差異不大。根據(jù)能譜分析可知，淺灰色不規(guī)則大顆粒粉末為NiCrFe粉末，包裹在淺灰色大顆粒表面的深灰色小圓球顆粒為Al 粉，深灰色片狀粉為hBN，三種粉末包覆型均較好，小顆粒的Al 和hBN 緊緊包覆在大顆粒表面，有少量小顆粒的圓球狀A(yù)l 和hBN 散落在粉末之間。

圖2 采用不同hBN 制備的復(fù)合粉末：(a1, a2, a3)為A；(b1, b2, b3)為 B；(c1, c2,c3)為CFig.2 SEM images of composite powder prepared by different hBN: (a1, a2, a3) for A; (b1, b2, b3) for B; (c1, c2, c3) for C

2.3 hBN 燒損率

采用相同噴涂工藝參數(shù)對三種粉末進行火焰噴涂，粉末及涂層中hBN 含量如表5 所示?？梢姡? 種粉末中hBN 含量相差不大，但采用相同參數(shù)制備的涂層中hBN 含量相差較大，且均低于粉末中含量，說明在火焰噴涂過程中三種復(fù)合粉末中hBN 組分發(fā)生了不同程度的燒損和散落。其中，采用1 號粉末制備的涂層中，hBN 燒損量最高，較粉末減少了41.41%；2 號粉末次之，涂層中的hBN 組分較粉末減少了37.56%；3 號粉末的hBN燒損量最低，較粉末減少了21.14%。說明hBN石墨化指數(shù)越低，其結(jié)晶完整度越高，性質(zhì)越穩(wěn)定，所制備復(fù)合粉末在火焰噴涂過程中hBN 燒損量越低。

表5 粉末及涂層中hBN 含量Table 5 Content of hBN in powder and coating

2.4 涂層形貌及性能

制備的三種涂層形貌如圖3 所示，其物相組成、硬度和結(jié)合強度的測試結(jié)果分別列于表6～8。從中可以看到，石墨化指數(shù)較高的hBN 所制備復(fù)合粉末噴涂得到的涂層（圖3(a)、(b)），其組織中金屬相占比較大，涂層組織中只有少量氮化硼顆粒沉積，非金屬相及孔隙相占比較低，雖然結(jié)合強度較高，但其硬度值已超出封嚴涂層的適宜硬度值范圍55～70 HR15Y，涂層在服役時會嚴重損傷與其對磨的轉(zhuǎn)子葉尖。而采用石墨化指數(shù)較低的C 型hBN 制備的復(fù)合粉末噴涂得到的涂層組織均勻，氮化硼顆粒沉積率較高，非金屬相及孔隙相占比較前兩種粉末明顯提高，三種涂層組織的差異主要與可磨耗組分的燒損有關(guān)聯(lián)。C 型hBN 較前兩種hBN 石墨化指數(shù)低，結(jié)晶完整度高，耐燒損性高，因此，有效降低了火焰噴涂過程中復(fù)合粉末中氮化硼顆粒的燒損，絕大部分hBN 在噴涂后仍然存留在涂層中，涂層硬度平均值為62.0 HR15Y，結(jié)合強度為5.62 MPa，可滿足封嚴涂層服役的基本性能要求。

圖3 采用不同hBN 制備的復(fù)合粉末火焰噴涂涂層的微觀組織形貌：(a) A；(b) B；(c) CFig.3 Microstructure of flame sprayed coatings prepared by composite powder with different hBN: (a) A; (b) B; (c) C

表6 涂層物相組成Table 6 Phase composition of coating

表7 涂層硬度(HR15Y)對比Table 7 Hardness of coatings

表8 涂層的結(jié)合強度對比Table 8 Bonding strength of coatings

對采用石墨化指數(shù)為1.26 的hBN 制備的復(fù)合粉末經(jīng)火焰噴涂制備的涂層的可磨耗性在室溫25℃和815 ℃下進行測試，其中試驗線速度350 m/s，進給速率5 μm/s，進給深度為500 μm。涂層的對磨試驗結(jié)果如圖4 所示，可知，在試驗條件下涂層的IDR值均為正值，說明均發(fā)生了葉片磨損，導(dǎo)致葉片的高度減小。并且可以看出，在815 ℃下IDR值較室溫下較高，這可能是由于高溫下葉片發(fā)生軟化，其耐磨性降低，因此葉片磨損程度加劇。無論是室溫還是高溫，涂層均無大塊剝落，葉片進給磨損比(IDR)≤20%，涂層未粘著葉片，說明石墨化指數(shù)的降低不僅有效減少hBN 組分在噴涂過程中的燒損，降低涂層硬度，且可以在涂層高溫服役中發(fā)揮更好的潤滑性，使涂層在對磨過程中表現(xiàn)出更優(yōu)異的可磨耗性能。

圖4 涂層 IDR 值計算結(jié)果Fig. 4 IDR value calculation result of coating

3 結(jié)論

(1) 石墨化指數(shù)對鎳基氮化硼復(fù)合粉末在噴涂過程中燒損率有較大的影響，hBN 石墨化指數(shù)越低，所制備粉末在噴涂過程中hBN 組分燒損率越低，粉末耐燒損特性越好。

(2) 采用不同石墨化指數(shù)的hBN 制備的復(fù)合粉末材料經(jīng)火焰噴涂制備可磨耗封嚴涂層，涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能差別較大，hBN 石墨化指數(shù)越低，涂層中的非金屬相及孔隙占比越高，涂層硬度越低。

(3) 石墨化指數(shù)為1.29 的hBN 制備的復(fù)合粉末經(jīng)噴涂得到的涂層硬度為62.0 HR15Y，結(jié)合強度為5.62 MPa，在室溫及高溫下IDR 值均小于20%，可磨耗性良好。