Ni-20Al 絲材制備及涂層微結(jié)構(gòu)特征研究

路洋，閆澤，周正*，王彥軍，苗小鋒，冀曉鵑，賀定勇，汪云程

(1. 北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124；2. 中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；3. 礦冶科技集團有限公司，北京 100160；4. 中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002)

0 引言

航空發(fā)動機在實際設(shè)計中，需要利用封嚴(yán)結(jié)構(gòu)來減少轉(zhuǎn)子葉片與匹配靜止部件的運轉(zhuǎn)間隙，從而達到提高發(fā)動機效率、使用壽命和降低油耗的目標(biāo)[1-3]。采用熱噴涂技術(shù)在靜止部件表面制備可磨耗封嚴(yán)涂層，可以有效控制其與葉片的間隙，并防止葉片損傷，已被發(fā)動機制造商所廣泛采納[4,5]。為保證涂層工作面層穩(wěn)定可靠的服役性，經(jīng)常搭配功能性的粘結(jié)底層使用，共同構(gòu)筑可磨耗封嚴(yán)涂層體系，以適應(yīng)發(fā)動機苛刻復(fù)雜的工作環(huán)境。其中，Ni-20Al 涂層具有結(jié)合強度高、潤濕性好、抗氧化和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是中低溫封嚴(yán)涂層體系中極具代表性的粘結(jié)層材料[6-8]。常規(guī)Ni-20Al 涂層采用火焰噴涂絲材的方式制備，盡管合金體系簡單，但噴涂絲材的生產(chǎn)卻存在著較大困難，且嚴(yán)重影響涂層質(zhì)量[9-11]。

由于高含量Al 元素的引入導(dǎo)致合金脆性顯著增加，無法通過傳統(tǒng)熔煉拉拔方式制得Ni-20Al實芯絲材，因此，現(xiàn)行Ni-20Al 絲材為典型粉芯絲材結(jié)構(gòu)，代表性商用材料如Metco 公司生產(chǎn)的牌號為405NS 絲材[12-15]。近年來，國內(nèi)相關(guān)單位也開展了該材料的研制工作，但所研發(fā)的絲材在噴涂工藝穩(wěn)定性和涂層性能等方面均難以達到技術(shù)要求，體現(xiàn)在噴涂時焰流極其不穩(wěn)定，導(dǎo)致涂層成分和性能偏差較大?？紤]到焰流穩(wěn)定性受絲材熔化狀態(tài)的影響，而絲材熔化狀態(tài)取決于熱量由絲材表面向其芯部的傳導(dǎo)速率，對于確定成分的絲材來說，其結(jié)構(gòu)會顯著影響熱傳導(dǎo)?；诖?，本文從絲材結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，開發(fā)了三種不同結(jié)構(gòu)的Ni-20Al 絲材，對其火焰噴涂工藝性和涂層微結(jié)構(gòu)形成特征進行分析，并與商用Metco 405NS 絲材及其所制備的涂層對比研究，揭示絲材結(jié)構(gòu)在火焰噴涂過程中的影響作用。

1 實驗材料及方法

分別采用軋制拉拔和旋鍛工藝制備三種結(jié)構(gòu)絲材，其工藝原理示意如圖1 所示，為便于下文表述將軋制拉拔包粉絲材、旋鍛包粉絲材、軋制拉拔包絲絲材依次命名為NiAl-SP、NiAl-TP、NiAl-SW 絲材。其中，NiAl-SP 絲材由純Al 帶材包裹純Al 粉和純Ni 粉，經(jīng)軋制、填粉、合攏及逐道拉拔減徑制得；NiAl-TP 絲材由純Al 管材包裹純Al 粉和純Ni 粉，經(jīng)逐道微鍛加工及退火處理制得；NiAl-SW 絲材由純Al 帶材包裹純Ni 絲材，經(jīng)軋制、填絲、合攏及逐道拉拔減徑制得。通過工藝優(yōu)化，三種成型絲材直徑控制為3.15±0.3 mm，Al 含量為18～22 wt.%，均滿足現(xiàn)行Ni-20Al 絲材對成分和絲徑規(guī)格的要求。對比材料為Metco 公司生產(chǎn)的牌號為405NS 絲材，其絲材結(jié)構(gòu)與自行研制的NiAl-TP 絲材相似。噴涂工藝考核及涂層制備采用Metco 公司生產(chǎn)的14-E 型火焰噴槍，具體工藝參數(shù)為：氧氣流量42 L/min，乙炔流量29 L/min，空氣壓力0.6 MPa，噴涂距離300 mm，基體材料選用304 不銹鋼。

圖1 絲材加工示意圖：(a) NiAl-SP 絲材；(b) NiAl-TP 絲材；(c) NiAl-SW 絲材Fig.1 Schematic diagrams for demonstrating the processing of wires: (a) NiAl-SP wire; (b) NiAl-TP wire; (c) NiAl-SW wire

通過OLMPUS-PMG3 型光學(xué)顯微鏡對不同絲材結(jié)構(gòu)進行表征。采用Quanta-650 型掃描電子顯微鏡(SEM)對扁平粒子和涂層形貌進行表征，并通過附帶能譜儀(EDS)對微區(qū)成分進行分析。利用BRAKER D8 ADUANCE 型X 射線衍射儀(XRD)對涂層相結(jié)構(gòu)進行分析。涂層顯微硬度采用HXD-1000 型顯微硬度計測得，測試加載力為50 gf，保荷時間為10 s，隨機選取10 點進行測試并計算平均值。涂層結(jié)合強度通過萬能材料試驗機進行測試，加載速度為1 mm/min。此外，噴涂工藝考核通過攝像機進行記錄，采用定點監(jiān)測方式，噴槍固定，工藝參數(shù)保持穩(wěn)定，連續(xù)噴涂90 s。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 絲材結(jié)構(gòu)分析

圖2 為不同工藝制備Ni-20Al 絲材的截面形貌特征。可以看出，商用405NS 絲材為典型無縫結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示，其內(nèi)部粉末填充緊實、粘結(jié)牢固，即使在制樣過程中的機械載荷作用下粉末也較少發(fā)生脫落。

NiAl-SP 絲材外皮為典型搭接接頭特征，如圖2(b)所示，其內(nèi)部粉末粘結(jié)強度明顯不足，制樣時粉末發(fā)生大面積脫落，難以得到平整的截面形貌。這是由于拉拔減徑時絲材通過軸向拉伸的方式成型，Al 帶塑性差的特點使其難以承受較大的載荷和變形量，同時因為Al 帶硬度低，在受到內(nèi)部粉末約束變形時也易發(fā)生斷帶，進一步限制了制備過程中絲材的整體受載能力。因此，變形量不足導(dǎo)致NiAl-SP絲材內(nèi)部粉末堆積相對疏松。

當(dāng)改用旋鍛技術(shù)成型后，NiAl-TP 絲材與商用405NS 絲材具有相似的無縫結(jié)構(gòu)，如圖2(c)所示。Al 管在微鍛過程中沿絲材徑向呈壓縮變形，由于受力狀態(tài)的改變，Al 管承載變形能力大幅提高，有利于改善整體絲材尤其是內(nèi)部粉體的致密程度。但是，現(xiàn)階段研制的NiAl-TP 絲材內(nèi)部粉末仍未達到極為致密緊實的程度，可以看到局部區(qū)域發(fā)生的粉末脫落現(xiàn)象，相比商用405NS 絲材還存在著一定的差距。

鑒于旋鍛絲材內(nèi)部粉末均勻性和致密度不易控制，且旋鍛技術(shù)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、成本高等問題，以及軋制拉拔包粉絲材內(nèi)部粉體致密度不足的現(xiàn)象，嘗試采用了軋制拉拔包絲的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖2(d)所示?？梢奛iAl-SW 絲材外表Al 帶為對接型接口，由于采用圓度較高的Ni 絲作為芯部填充材料，絲材整體受力變形均勻，可有效避免Al 帶局部變形過大導(dǎo)致的斷絲問題，同時絲材成分均勻性和精確性也有所提高。

圖2 不同工藝制備絲材的截面形貌圖 (a) 405NS 絲材；(b) NiAl-SP 絲材；(c) NiAl-TP 絲材；(d) NiAl-SW 絲材Fig.2 Cross-sectional morphologies of the wires produced by different processing(a) 405NS wire; (b) NiAl-SP wire; (c) NiAl-TP wire; (d) NiAl-SW wire

2.2 絲材噴涂工藝性分析

圖3 為火焰噴涂NiAl-SP 絲材的焰流狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果?？梢杂^察到在大部分監(jiān)測窗口期焰流炬體較窄、亮度較低，且存在間斷不連續(xù)情況（如20 s、30 s、60 s 時）；只有在少數(shù)窗口期可以形成寬炬體、高亮度的焰流（如10 s、40 s 時）。這反映出NiAl-SP 絲材在火焰噴涂過程中燃燒不充分，噴涂工藝性和穩(wěn)定性較差。

圖3 NiAl-SP 絲材噴涂焰流特征Fig. 3 Flame characteristics of spraying NiAl-SP wire

對于旋鍛技術(shù)制備的NiAl-TP 絲材，其火焰噴涂的工藝性有大幅提高，如圖4 所示。在大部分監(jiān)測窗口期，焰流均呈現(xiàn)出寬炬體、高亮度的特征，表明絲材燃燒充分，適配于火焰噴涂工藝。但同時也發(fā)現(xiàn)在少數(shù)窗口期，焰流存在亮度不足或間斷燃燒的情況（如30 s、40 s、80 s 時），說明該絲材噴涂的工藝穩(wěn)定性仍存在不足。

圖4 NiAl-TP 絲材噴涂焰流特征Fig. 4 Flame characteristics of spraying NiAl-TP wire

當(dāng)采用NiAl-SW 絲材進行火焰噴涂工藝考核時，如圖5 所示，可以看到在全部檢測窗口期，焰流均保持了寬炬體、高亮度的特征，絲材燃燒充分且穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯焰流亮度下降或間斷燃燒等情況。這與商用405NS 絲材的噴涂焰流特征相似（因狀態(tài)相似未列出），表明所研制的NiAl-SW 絲材具有較好的火焰噴涂工藝適應(yīng)性。

圖5 NiAl-SW 絲材噴涂焰流特征Fig. 5 Flame characteristics of spraying NiAl-SW wire

2.3 扁平粒子特征分析

為研究不同結(jié)構(gòu)Ni-20Al 絲材火焰噴涂工藝性差異較大的原因，分別收集了不同絲材噴涂時的扁平粒子，其典型形貌特征如圖6 所示，并通過EDS 面掃描模式對扁平粒子的成分分布進行表征。結(jié)果表明，NiAl-SP 絲材和NiAl-TP 絲材噴涂所形成的扁平粒子具有明顯不規(guī)則的形貌特征。從能譜分析得到兩種扁平粒子中的Ni 元素含量均較低，粒子成分上以Al 元素為主，盡管NiAl-TP絲材噴涂扁平粒子中的Ni 元素分布均勻性和含量有明顯提高，但Al 元素的主體構(gòu)成并未改變。相比之下，405NS 絲材和NiAl-SW 絲材噴涂所形成的扁平粒子，呈現(xiàn)出中心呈圓盤狀鋪展并沿四周均勻濺射的形貌特征。同時，能譜分析可以看出Ni 元素的衍射襯度大幅增強，Al 元素的衍射襯度則明顯減弱，形成以Ni 元素為主體的成分構(gòu)成，并且兩種元素的分布較為均勻。

圖6 火焰噴涂不同絲材的扁平粒子形貌與成分分布：(a) 405NS 絲材；(b) NiAl-SP 絲材；(c) NiAl-TP 絲材；(d) NiAl-SW 絲材Fig. 6 Morphologies and compositional distributions of the flatted particles obtained by flame sprayed different wires:(a) 405NS wire; (b) NiAl-SP wire; (c) NiAl-TP wire; (d) NiAl-SW wire

從扁平粒子成分對比結(jié)果可以分析得出，幾種絲材在氧乙炔火焰熱源加熱時的熔化程度有著較大差異。由于Al 熔點為660 ℃，Ni 熔點為1455 ℃，二者熔點相差較大，而火焰熱源溫度相對較低，因此，需在極為有限的加熱時間內(nèi)將熱量快速由絲材外皮傳遞至芯部，才能保證絲材充分熔化并發(fā)生合金化反應(yīng)。然而，軋制拉拔NiAl-SP 絲材內(nèi)部相對疏松的粉末堆積狀態(tài)阻礙了熱量的傳輸，導(dǎo)致大量熔點相對較高的Ni 粉來不及熔化便脫離熱源作用，無法與Al 發(fā)生合金化反應(yīng)，使得扁平粒子主要以Al 元素構(gòu)成。同時，飛行中的固態(tài)Ni 顆粒會對Al 液滴產(chǎn)生切割破碎作用[16]，造成扁平粒子不規(guī)則的形貌特征。這種Ni 和Al熔化狀態(tài)的差異，也是導(dǎo)致NiAl-SP 絲材噴涂工藝考核時焰流炬體窄、亮度低，且燃燒不穩(wěn)定的主要原因。盡管旋鍛制備的NiAl-TP 絲材在一定程度上改善了內(nèi)部粉體的堆積致密程度，有利于增強Ni 粉的熔化，反映在扁平粒子中Ni 元素的含量和分布均勻性有所提高。但絲材制備工藝和成分均勻性方面的不足，使得較多Ni 粉未充分熔化并參與反應(yīng)，因此，扁平粒子仍以Al 元素為主，對應(yīng)絲材噴涂工藝穩(wěn)定性也有待改善。

當(dāng)采用Ni 絲替換粉末作為內(nèi)部填充材料后，避免了粉末堆積界面和空隙等阻礙熱傳輸?shù)娜毕?，大幅增強了Ni 的熔化和合金化反應(yīng)，使得NiAl-SW 絲材噴涂形成的扁平粒子Ni 含量顯著提高，分布也更為均勻，這與其噴涂工藝考核過程中燃

燒充分、穩(wěn)定的焰流狀態(tài)是對應(yīng)一致的。盡管絲材結(jié)構(gòu)并不相同，但從噴涂工藝性和粒子成分分布等方面來看，NiAl-SW 絲材可以實現(xiàn)與商用405NS 絲材相當(dāng)?shù)膰娡啃Ч?/p>

2.4 涂層微結(jié)構(gòu)特征分析

圖7 為火焰噴涂不同絲材制備涂層的截面形貌特征?？梢钥闯觯m然四種涂層都具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，但從衍射襯度的變化反映出其組織均勻性方面相差較大。其中，NiAl-SP 絲材所制備的涂層中衍射襯度變化最為復(fù)雜，能譜分析表明涂層大部分區(qū)域呈現(xiàn)為Al 顆粒和Ni 顆粒獨立分布，只有少量區(qū)域的變形粒子中發(fā)生了合金化反應(yīng)，與該絲材噴涂工藝性和扁平粒子特征的研究結(jié)果一致。旋鍛NiAl-TP 絲材所制備的涂層中，Ni 與Al 元素的合金化程度得到了明顯改善，純Al 顆粒大幅減少，但合金化反應(yīng)的粒子中Al 含量普遍較高，仍有部分幾乎為純Ni 的顆粒殘留，驗證了絲材燃燒時反應(yīng)并不充分。

圖7 不同絲材噴涂涂層的截面形貌特征：(a) 405NS 絲材；(b) NiAl-SP 絲材；(c) NiAl-TP 絲材；(d) NiAl-SW 絲材Fig.7 Cross-sectional morphologies of the coatings by flame sprayed different wires:(a) 405NS wire; (b) NiAl-SP wire; (c) NiAl-TP wire; (d) NiAl-SW wire

對比可見，NiAl-SW 絲材所制備的涂層組織較為均勻，除了少量氧化相外，極少有衍射襯度反差較大的純Al 或Ni 顆粒存在，且大部分區(qū)域的元素成分分布接近于Ni-20Al 的設(shè)計成分。在組織均勻性和成分分布方面，NiAl-SW 絲材制備的涂層可以與405NS 絲材噴涂涂層達到相近似的結(jié)果。

進一步對涂層的相結(jié)構(gòu)進行表征，結(jié)果如圖8 所示。NiAl-SP 絲材和NiAl-TP 絲材所制備涂層對應(yīng)的XRD 圖譜中，有明顯的單質(zhì)Al 衍射峰，且強度較高，驗證了涂層中存在較高含量的Al顆粒，合金化反應(yīng)不充分。相比之下，NiAl-SW絲材所制備涂層的XRD 圖譜中并未有單質(zhì)Al 衍射峰出現(xiàn)，Al 元素部分固溶于γ-Ni 基體相中，另一部分則主要生成Ni3Al 型金屬間化合物。涂層整體物相結(jié)構(gòu)更為簡單，表明噴涂過程中元素合金化反應(yīng)較為充分，與涂層組織研究所反映出的結(jié)果相一致。

圖8 不同絲材噴涂涂層的XRD 圖譜：(a) 405NS 絲材；(b) NiAl-SP 絲材；(c) NiAl-TP 絲材；(d) NiAl-SW 絲材Fig.8 XRD patterns of the coatings by flame sprayed different wires: (a) 405NS wire; (b) NiAl-SP wire;(c) NiAl-TP wire; (d) NiAl-SW wire

2.5 涂層性能分析

鑒于Ni-20Al 涂層主要作為粘結(jié)層的用途，對火焰噴涂幾種絲材制備涂層的硬度和結(jié)合強度進行了測試，以初步評價所開發(fā)絲材的適用能力，結(jié)果如圖9 所示。其中，NiAl-SP 絲材和NiAl-TP絲材所制備的涂層硬度值較為接近，平均值分別為187.1 HV0.05和199.4 HV0.05。兩種涂層相對較低的硬度主要受火焰噴涂時絲材熔化不充分所致，涂層中大量軟質(zhì)Al 相的殘留使得涂層硬度遠(yuǎn)低于預(yù)期值。而NiAl-SW 絲材所制備涂層的平均硬度值約為348.3 HV0.05，與405NS 絲材所制備涂層的345.8 HV0.05硬度值十分接近，結(jié)果與二者相似的微結(jié)構(gòu)特征保持一致。由于噴涂時絲材熔化和合金化反應(yīng)較為充分，減少了軟質(zhì)Al 相的殘留，一部分Al 元素固溶至Ni 基體中產(chǎn)生固溶強化，另一部分形成金屬間化合物起到第二相強化效果，協(xié)同作用下使得整體涂層硬度保持在合理水平。

圖9 不同絲材噴涂涂層的顯微硬度與結(jié)合強度Fig. 9 Microhardness and bonding strength of the coatings by flame sprayed different wires

對于粘結(jié)層最為關(guān)注的結(jié)合強度指標(biāo)，考慮到NiAl-SP 絲材和NiAl-TP 絲材所制備的涂層在微觀組織結(jié)構(gòu)和硬度等方面，均已大幅度偏離應(yīng)用涂層的相關(guān)參數(shù)，故未進行結(jié)合強度測試。在此，主要對比了NiAl-SW 絲材和405NS 絲材所制備涂層的結(jié)合強度，涂層厚度為250～300 μm 時其結(jié)合強度平均值分別為62 MPa 和59 MPa，基本處于同一水平，這也與涂層相似的微結(jié)構(gòu)特征和硬度值結(jié)果是對應(yīng)一致的。因此，盡管絲材設(shè)計結(jié)構(gòu)不同，但從噴涂工藝性、涂層微結(jié)構(gòu)特征及相關(guān)基本性能等方面，所開發(fā)的NiAl-SW 絲材已初步達到了技術(shù)要求，具備較好的應(yīng)用潛力。

3 結(jié)論

(1) 軋制拉拔包粉技術(shù)制備的NiAl-SP 絲材，可以達到Ni-20Al 絲材成分及絲徑規(guī)格要求，但內(nèi)部粉體相對疏松的堆積結(jié)構(gòu)，降低了熱傳輸效率，導(dǎo)致絲材熔化和合金化反應(yīng)不充分，涂層中有大量Al 顆粒和Ni 顆粒獨立分布，組織均勻性較差。

(2) 旋鍛包粉技術(shù)制備的NiAl-TP 絲材，與商用405NS 絲材具有相似的結(jié)構(gòu)特征，但內(nèi)部粉體堆積致密度和成分均勻性有所不足，使得絲材同樣無法充分熔化并實現(xiàn)良好的冶金化反應(yīng)，涂層組織不均，性能不能達到粘結(jié)層指標(biāo)要求。

(3) 軋制拉拔包絲技術(shù)制備的NiAl-SW 絲材，有效解決了絲材在火焰熱源中的充分熔化難題，實現(xiàn)了較好的合金化反應(yīng)，涂層組織均勻，平均硬度和結(jié)合強度分別可達348.3 HV0.05、62 MPa，與商用涂層性能基本一致，具備了較好的應(yīng)用潛力。