冷噴涂工藝參數(shù)對(duì)CoNiCrAlY涂層沉積影響

諶曲平,孫 文,江柱中,孫訓(xùn)東,張科杰,黃仁忠,云海濤,鄭彩鳳

（1.中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)公司，湖南 株洲412002；2.廣東省科學(xué)院新材料研究所，廣東 廣州510650；3.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

CoNiCrAlY可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上的高溫涂層，包括包覆涂層、粘結(jié)層和高溫可磨耗封嚴(yán)涂層［1］，其役性能與其制備工藝密切相關(guān)，目前該涂層的制備技術(shù)主要采用電弧離子鍍［2-3］、等離子噴涂（APS）［4］、超音速火焰噴涂（HVOF）［5］和真空等離子噴涂（VPS/LPPS）［6］，其中VPS技術(shù)由于其制備的涂層致密、氧化少、結(jié)合強(qiáng)度高，是目前制備CoNiCrAlY高溫封嚴(yán)涂層的首選加工技術(shù)［7］．但是VPS技術(shù)在制備封嚴(yán)涂層的過(guò)程中需經(jīng)歷抽真空、基體預(yù)熱、噴涂后的降溫及退出真空氛圍等過(guò)程，因此該方法的生產(chǎn)效率較低、成本較高，而且涂層沉積過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，增加了涂層開裂的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致制備大厚度涂層尤為困難，亟需開發(fā)新工藝來(lái)制備性能優(yōu)越的CoNiCrAlY封嚴(yán)涂層，同時(shí)能提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本．

相比于上述傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)，冷噴涂加工過(guò)程中不涉及熔化-凝固過(guò)程，對(duì)沉積材料和基體的熱影響顯著降低，能夠有效避免氧化、相變、變形和開裂等，沉積效率高、能夠快速噴涂大厚度涂層，適用于航空零部件的制造［8-9］．鑒于此，擬采用新型冷噴涂技術(shù)在大氣室溫環(huán)境下高效制備氧化程度低、結(jié)合強(qiáng)度高的大厚度CoNiCrAlY涂層，由于目前尚缺少關(guān)于冷噴涂技術(shù)制備CoNiCrAlY涂層工藝參數(shù)系統(tǒng)研究的報(bào)道，本研究將采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究冷噴涂參數(shù)對(duì)CoNiCrAlY涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，為冷噴涂制備大厚度CoNiCrAlY涂層制備提供基礎(chǔ)．

1 實(shí)驗(yàn)部分

首先采用CFD軟件（Ansys Fluent）建立冷噴涂CoNiCrAlY涂層的高速射流場(chǎng)三維模型，通過(guò)高精度網(wǎng)格劃分來(lái)表征全流場(chǎng)內(nèi)氣體與粉末粒子之間的能量和動(dòng)量傳遞效果．基于冷噴涂過(guò)程中氣流流動(dòng)穩(wěn)定且處于可壓縮狀態(tài)的假設(shè)，建立氣流仿真模型．利用k-ε模型模擬湍流和使用Rossin-Ramler顆粒分布的離散相模型（DPM），對(duì)流體與固體顆粒之間的相互作用進(jìn)行建模［10］，系統(tǒng)研究噴涂氣體種類、溫度、壓力及粉末粒徑分布對(duì)粉末粒子溫度和速度變化的影響規(guī)律．

1.1 原料

實(shí) 驗(yàn) 以CoNiCrAlY粉 末（Oerlikon Metco Amdry 9951，USA）作為噴涂粉末，選用鎳基高溫合金GH625作為基體材料，它們的化學(xué)元素成分列于表1．圖1為實(shí)驗(yàn)所用粉末的SEM圖．從圖1可以看出，大多數(shù)CoNiCrAlY粉末形狀為球形，少數(shù)為橢球形，粒徑約為5~40 μm，平均粒徑約為20 μm．

表1 CoNiCrAlY粉末和GH625基體的化學(xué)元素Table 1 Chemical compositions of CoNiCrAlY powder and GH625 substrate

圖1 CoNiCrAlY粉末形貌和粒度分布Fig.1 SEM micrograph of CoNiCrAlY feedstock powder and powder size distribution

1.2 方法

在制備涂層前需對(duì)基材進(jìn)行砂紙打磨、拋光、丙醇超聲清洗、壓縮空氣干燥預(yù)處理，然后使用氮?dú)饣蚝庾鳛閲娡枯d氣進(jìn)行冷噴涂，具體的工藝參數(shù)列于表2．

表2 冷噴涂CoNiCrAlY涂層試驗(yàn)工藝參數(shù)Table 2 Cold spray parameters used for CoNiCrAlY coating deposition

利用光學(xué)顯微鏡觀察CoNiCrAlY涂層微觀結(jié)構(gòu)，利用ImageJ軟件檢測(cè)涂層的孔隙率．根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C633對(duì)冷噴涂CoNiCrAlY涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，首先用高強(qiáng)度的片膠將涂層表面與對(duì)偶件連接，然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，膠的強(qiáng)度一般為50~70 MPa．如果涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度大于片膠與涂層的結(jié)合強(qiáng)度或片膠自身的強(qiáng)度，則失效部位將不位于涂層與基體的界面，即涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度至少大于或等于所測(cè)得的數(shù)值．將上述四組試樣置于真空爐中，在1080℃條件下保溫4.5 h進(jìn)行擴(kuò)散處理后隨爐冷卻至室溫，之后研究真空熱處理對(duì)涂層內(nèi)部微觀組織的影響、研究真空熱處理前后涂層的孔隙率和顯微硬度的變化，探討真空熱處理對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)與性能影響規(guī)律．利用維氏顯微硬度計(jì)，檢測(cè)噴涂態(tài)和熱處理態(tài)CoNiCrAlY涂層的硬度．

2 結(jié)果及討論

2.1 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示．從圖2（a）和圖2（b）可見(jiàn)：隨著氣體溫度升高，粉末在噴槍出口處的溫度和速度也升高，從而使粉末粒子撞擊后的塑性變形程度越大，進(jìn)而有利于涂層沉積質(zhì)量的提高；在溫度分別為600，800和1000℃及氣壓5 MPa和氮?dú)鈿夥諚l件下，CoNiCrAlY粉末顆粒在噴嘴出口處的溫度和速度分別約為192，344，397℃和703，741和787 m/s．從圖2（c）和圖2（d）可見(jiàn)：隨著噴涂氣體壓力的升高粉末在噴槍出口處速度也越大，但氣體壓力的變化對(duì)粉末溫度的影響較小，在氣壓分別為3，4和5 MPa條件下粉末溫度幾乎相當(dāng)約為400℃；在氣壓分別為3，4和5 MPa及溫度為1000℃和氮?dú)鈿夥諚l件下，CoNiCrAlY粉末顆粒在噴嘴出口處的速度分別約為706，729和787 m/s．從圖2（e）和圖2（f）可見(jiàn)，粉末粒徑對(duì)其溫度和速度影響較大，粉末粒徑越小，對(duì)流場(chǎng)溫度和速度變化均較為敏感，粒徑越大則越不敏感，這是由于粉末粒徑越小比表面積越大，顆粒與加速氣體間的換熱速率越快，從而使得粉末顆粒的溫度越高，并且粉末粒徑越小，質(zhì)量越小，從而粉末顆粒的速度越大．在溫度為1000℃及氮?dú)鈿夥諚l件下，當(dāng)粉末粒徑分別為10，20和40 μm時(shí)，其在噴嘴出口處的溫度和速度分別約為412，397和201℃及607，787和935 m/s．綜合粉末溫度和速度來(lái)看，本模擬條件下粉末最佳粒徑為20 μm．

圖2冷噴涂CoNiCrAlY氣固兩相流數(shù)值模擬（a）氣體溫度對(duì)粉末粒子溫度的影響；（b）氣體溫度對(duì)粉末粒子速度的影響；（c）氣體壓力對(duì)粉末粒子溫度的影響；（d）氣體壓力對(duì)粉末粒子速度的影響；（e）粉末粒徑對(duì)粉末溫度的影響；（f）粉末粒徑對(duì)粉末粒子速度的影響Fig.2 CFD numerical analysis results of cold spraying CoNiCrAlY deposition（a）the effect of gas temperature on particle temperature；（b）the effect of gas temperature on particle velocity；（c）the effect of gas pressure on particle temperature；（d）the effect of gas pressure on particle velocity；（e）the effect of particle size on particle temperature；（f）the effect of particle size on particle velocity

2.2 工藝參數(shù)對(duì)涂層結(jié)構(gòu)的影響

圖3 為不同參數(shù)下的冷噴涂CoNiCrAlY涂層的微觀結(jié)構(gòu)．從圖3（a）和圖3（b）可見(jiàn)，在使用氮?dú)夂?000℃條件下獲得的冷噴涂CoNiCrAlY涂層的孔隙率約為1.9%，并且空隙較均勻分布于涂層內(nèi)部，CoNiCrAlY涂層與基體界面之間結(jié)合良好，沒(méi)有明顯的未結(jié)合區(qū)域．從圖3（c）~圖3（h）可見(jiàn)：在使用氦氣噴涂及溫度分別為500，600和700℃條件下，所制備的CoNiCrAlY涂層的內(nèi)部孔隙率較低均為1%以下，并且隨著氦氣溫度的升高CoNiCrAlY粉末粒子的速度增大，從而粒子的變形程度增大，使涂層孔隙率進(jìn)一步降低，并且沉積效率進(jìn)一步提高；當(dāng)溫度為700℃條件下制備的CoNiCrAlY涂層的孔隙率約為0.4%，CoNiCrAlY涂層與基體界面之間結(jié)合良好，沒(méi)有明顯的未結(jié)合區(qū)域或者裂紋、分層、剝落、氣泡等缺陷．

圖3 冷噴涂CoNiCrAlY涂層的光學(xué)顯微鏡觀察的微觀結(jié)構(gòu)（a），（b）1000℃，N2；（c），（d）500℃，He；（e），（f）600℃，He；（g），（h）700℃，HeFig.3 Optical microstructures of cold sprayed CoNiCrAlY coatings

2.3 工藝參數(shù)對(duì)涂層力學(xué)性能的影響

表3 為冷噴涂工藝參數(shù)對(duì)CoNiCrAlY涂層結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度的影響結(jié)果．由表3可知，不同參數(shù)下冷噴涂CoNiCrAlY的結(jié)合強(qiáng)度均超過(guò)50MPa．其中使用氮?dú)夂?000℃的工藝參數(shù)所制備的CoNiCrAlY涂層的結(jié)合強(qiáng)度為57 MPa，失效部位位于CoNiCrAlY涂層與GH625基體界面處；使用氦氣制備的CoNiCrAlY涂層的結(jié)合強(qiáng)度均超過(guò)了60 MPa，失效部位為膠斷．使用氦氣制備的CoNiCrAlY涂層的結(jié)合強(qiáng)度大于使用氮?dú)庵苽涞腃oNiCrAlY涂層的結(jié)合強(qiáng)度，這是由于使用氦氣情況下粒子的速度大于使用氮?dú)鈺r(shí)粒子的速度，造成粒子與基體間的冶金結(jié)合區(qū)域的面積增大從而使得涂層的結(jié)合強(qiáng)度提高［11-13］．在硬度方面，使用氮?dú)夂?000℃的工藝參數(shù)制備的CoNiCrAlY涂層的顯微硬度達(dá)到了570 HV0.3左右，使用氦氣噴涂及溫度500，600和700℃條件下制備的CoNiCrAlY涂層的硬度分別為560.4，573.3和599.3 HV0.3，與使用氮?dú)庵苽涞腃oNiCrAlY涂層的硬度相當(dāng)．

表3 冷噴涂工藝參數(shù)對(duì)CoNiCrAlY涂層結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度的影響Table 3 Bonding strength and micro-hardness of cold sprayed CoNiCrAlY coatings

2.4 真空熱處理對(duì)涂層結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響

圖4 為CoNiCrAlY涂層經(jīng)真空熱處理后的金相圖．從圖4可以看出：經(jīng)熱處理后的涂層孔隙率比熱處理前的稍有降低；在使用氮?dú)狻?000℃條件下冷噴涂制備的涂層CoNiCrAlY的孔隙率為1.5%左右；使用氦氣制備的CoNiCrAlY涂層經(jīng)熱處理后孔隙率約為0.2%．這是由于真空熱處理有利于促進(jìn)涂層與基體及變形顆粒間的擴(kuò)散，從而有利于提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度及涂層本身的強(qiáng)度，熱處理后涂層的結(jié)合強(qiáng)度均超過(guò)了76 MPa，失效部位為膠斷．

圖4 冷噴涂CoNiCrAlY涂層在1080℃保溫4.5 h真空熱處理后的光學(xué)顯微鏡觀察的微觀結(jié)構(gòu)（a）1000℃，N2；（b）500℃，He；（c）600℃，He；（d）700℃，HeFig.4 Optical microstructures of heat-treated CoNiCrAlY coatings in vacuum at 1080℃for 4.5 h

表4 為冷噴涂CoNiCrAlY涂層真空熱處理后的顯微硬度．從表4可知，冷噴涂CoNiCrAlY涂層經(jīng)真空熱處理過(guò)后的顯微硬度約為350 HV0.3，與熱處理前的硬度相比（約550 HV0.3）明顯降低．這是由于真空熱處理過(guò)程中，CoNiCrAlY涂層中應(yīng)力釋放及位錯(cuò)密度降低引起的［14-16］，熱處理后的硬度降低有利于降低涂層的耐磨性，從而起到更好的高溫可磨耗的性能要求．

表4 冷噴涂CoNiCrAlY涂層真空熱處理后的顯微硬度Table 4 Micro-hardness values of heat-treated CoNi-CrAlY coatings

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用數(shù)值模擬手段，系統(tǒng)地研究了噴涂氣體溫度、壓力及粉末粒徑對(duì)CoNiCrAlY粉末溫度和速度的影響，進(jìn)而研究了冷噴涂工藝參數(shù)對(duì)CoNiCrAlY涂層微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，并研究了真空熱處理對(duì)冷噴涂CoNiCrAlY涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響．

（1）隨著氣體溫度升高，粉末在噴槍出口處溫度和速度也升高．隨著噴涂氣體壓力的升高，粉末在噴槍出口處速度也增大，但是氣體壓力的變化對(duì)粉末溫度影響較小，20 μm為模擬條件下粉末最佳粒徑．

（2）采用氮?dú)饧?000℃條件下制備的CoNiCrAlY涂層的結(jié)合強(qiáng)度約為57 MPa，使用氦氣作為載氣制備的CoNiCrAlY涂層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)一步提高并均超過(guò)了60 MPa，且均為膠斷．熱處理后CoNiCrAlY涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)一步提高，均超過(guò)76 MPa，且均為膠斷．

（3）采用氮?dú)饧?000℃條件下制備的CoNiCrAlY涂層孔隙率約為1.9%，使用氦氣700℃條件下制備的CoNiCrAlY涂層的孔隙率僅為0.4%左右．從成本角度來(lái)看，使用氮?dú)饧?000℃條件下所制備涂層更加廉價(jià)．

（4）噴涂態(tài)涂層CoNiCrAlY的維氏顯微硬度約為550 HV0.3，熱處理后涂層CoNiCrAlY的維氏顯微硬度約為350 HV0.3，明顯低于熱處理前的顯微硬度．