粘結(jié)劑對鎳基復合粉末及涂層性能影響研究

李迎軍，郭丹，劉建明，劉通，王斌利，王長亮，王標

（1.中國航發(fā)動力股份有限公司，西安 710021；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；3.北京市工業(yè)部件表面強化與修復工程技術研究中心，北京 102206；4.特種涂層材料與技術北京市重點實驗室，北京 102206；5.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；6.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610599）

0 引言

可磨耗封嚴涂層材料和涂層技術，是提高航空發(fā)動機效率和性能的有效手段之一[1,2]?？赡ズ姆鈬劳繉油ǔＳ蓛煞N組分構(gòu)成[3-5]：金屬組分（如Cu、Ni、Al 及其合金），自潤滑非金屬組分（如石墨、六方氮化硼、有機聚合物、氟化鈣及其與陶瓷顆粒的混合物等）以及一定的孔隙。其中，金屬組分的作用主要是提供抗氧化性，抗沖蝕性以及保證涂層自身強度；自潤滑非金屬組分的作用主要是保證涂層的可磨耗性、抗粘著性，有助于減少涂層材料向葉片的轉(zhuǎn)移；孔隙一定程度上可以降低涂層的硬度，并且可作為初始的裂紋源，利于涂層內(nèi)部粘結(jié)的斷裂，從而減少涂層材料向葉片的轉(zhuǎn)移[6,7]。

由于可磨耗封嚴復合粉末中各組分材料的比重、粒度等存在特性差異，容易使復合粉末的成分分布不均，流速變差，嚴重影響后續(xù)的噴涂工藝，導致生產(chǎn)率下降，影響涂層組織的均一性[8]。在機械包覆制粉過程中加入粘結(jié)劑，將一種組分包覆在其他組分表面制備“核-殼”結(jié)構(gòu)粉末，可有效防止內(nèi)核粉末氧化、分解等，具有一定的保護作用。對于“核-殼”顆粒結(jié)構(gòu)的粉末，其包覆層的粘附性和穩(wěn)定性是決定材料質(zhì)量的關鍵之一，以保障材料在運輸、儲存、送粉和噴涂火焰中的顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進而獲得組織結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定的涂層[9,10]。

本文針對典型的機械包覆型鎳鉻鐵鋁氮化硼混合粉末存在表面包覆不完整，批次不穩(wěn)定等問題，選取了A1，A2，A3，A4 四種不同類型的粘結(jié)劑制備鎳鉻鐵鋁氮化硼復合粉末，對比研究粘結(jié)劑對鎳鉻鐵鋁氮化硼復合粉末性能及封嚴涂層組織和性能的影響。

1 試驗

1.1 復合粉末的制備

本試驗選取主粒徑區(qū)間在45～90 μm 的鎳鉻鐵合金粉為包覆核心材料，主粒度＜10 μm 的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合粉末。其中鎳鉻鐵合金粉為水霧化制備。試驗中選擇了A1，A2，A3，A4 四種粘結(jié)劑用于鎳鉻鐵鋁氮化硼復合粉末的制備，對比四種粉末的性能，研究粘結(jié)劑對涂層性能的影響，四種粘結(jié)劑的基本特性如表1 所示。采用機械包覆工藝制備復合粉末。

表1 粘結(jié)劑基本特性Table 1 Basic characteristics of binders

1.2 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面層，其中底層材料選用鎳鋁復合粉末（礦冶科技集團有限公司，KF-6），面層材料為本文不同粘結(jié)劑制備的鎳鉻鐵鋁氮化硼復合粉末。分別采用表2 和表3 所示噴涂參數(shù)噴涂底層和面層，噴涂后對所制備涂層的微觀組織形貌、硬度、結(jié)合強度以及抗鹽浴性能進行測試。在噴涂前試樣經(jīng)噴砂和除油處理。

表2 大氣等離子底層噴涂參數(shù)Table 2 Air plasma spray process parameters of bond coating

表3 火焰噴涂可磨耗封嚴面層參數(shù)Table 3 Flame spraying process parameters of abradable coating

1.3 性能測試

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。采用霍爾流量計依照 GB/T1479-1984、GB/ T1482-1984 測試粉末的松裝密度、流動速度。采用標準篩依照 GB/T1480-1995測試粉末的粒度組成。涂層表面經(jīng)過粗磨后，依照 GB/T231.1-2000 采用MODEL600MRD-S 型洛氏硬度儀測量涂層表面硬度，標尺為HR15Y。涂層的結(jié)合強度采用粘結(jié)拉伸法檢測。將粗磨后的試樣與預噴砂的對接件采用美國生產(chǎn)的FM-1000高溫膠片粘結(jié)，190 ℃、保溫2 h 的條件下固化；在WDW-100A 型微機控制電子式萬能試驗機上進行測試。結(jié)合強度試樣涂層厚度在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，并對斷口進行宏觀觀察，確定涂層斷裂方式。為了保證實驗結(jié)果的可靠性，每組實驗均采取3 個試樣進行測試，取其平均值作為最終結(jié)果。

涂層的抗鹽浴性能測試方法為，首先將試樣無涂層區(qū)域表面用防護膠帶進行防護，再對涂層表面進行粗磨至平整；然后將試樣浸入濃度為5%的氯化鈉水溶液中，保持環(huán)境溫度為35±2 ℃，浸泡時間為21 天，每7 天取出一次，吸去表面多余水分，用數(shù)碼相機拍攝試樣外觀照片。

2 結(jié)果及分析

2.1 復合粉末形貌及性能

采用不同粘結(jié)劑通過機械包覆工藝制備的鎳鉻鐵鋁氮化硼復合粉末外觀形貌如圖1 所示，可以看出，復合粉末呈不規(guī)則形貌，粉末結(jié)構(gòu)為較細氮化硼和鋁粉通過粘結(jié)劑包覆在鎳鉻鐵合金粉表面。四種不同類型粘結(jié)劑所制備的復合粉末粒度分布、松裝密度和流動性分別如圖2及表4所示。

表4 復合粉末物理性能Table 4 Physical properties of composite powder

其中A1 粘結(jié)劑制備的復合粉末中散落的片狀氮化硼顆粒較多。說明該粘結(jié)劑的固化性能與機械包覆工藝匹配性較差，導致形成的包覆膠膜脆性較大，或者膠膜的連續(xù)性較低，出現(xiàn)復合粉末包覆不完整、粉末粒度控制較差等現(xiàn)象。結(jié)合表2 數(shù)據(jù)和圖2 中的激光粒度分布也可以看出，A1 粘結(jié)劑包覆粉末中未包覆的細小顆粒占據(jù)了較大的比例，導致粉末松裝密度較低，流動性較差。

圖2 采用不同粘結(jié)劑制備的復合粉末激光粒度：(a) A1; (b) A2; (c) A3; (d) A4Fig.2 Laser particle size of composite powders prepared by different binders: (a) A1; (b) A2; (c) A3; (d) A4

A2～A4 粘結(jié)劑制備的復合粉末中散落細小顆粒較少，表明該粘結(jié)劑在初始固化過程中可將鋁粉和氮化硼包覆在鎳鉻鐵表面，包覆較為完整。但A2 粘結(jié)劑制備的復合粉末表面包覆較為松散，可能是由于粘結(jié)劑在固化完成后形成的膠膜尚存在一定粘性，在后續(xù)的機械包覆擠壓過程中，顆粒間的粘性膠膜產(chǎn)生相互作用力，造成包覆顆粒表面起皮的現(xiàn)象，因此粉末的松裝密度相對較低，且粉末缺乏流動性。

A3 和A4 粘結(jié)劑的表面包覆均較為密實，且粉末具備良好的流動性能，更適宜用于火焰噴涂，其中A4 粘結(jié)劑包覆粉末出現(xiàn)少量氮化硼團聚現(xiàn)象，分析認為該粘結(jié)劑的表面基團與氮化硼粉末間更易產(chǎn)生較大的作用力，而相較而言，A3 粘結(jié)劑包覆的復合粉末具有更高的包覆完整性。

2.2 涂層形貌及基本性能

采用不同粘結(jié)劑制備的四種鎳鉻鐵鋁氮化硼復合粉末經(jīng)火焰噴涂獲得的相應涂層截面組織形貌如圖3 所示，圖4 和圖5 分別為上述四種涂層的硬度和結(jié)合強度測試結(jié)果。從中可以看到，粘結(jié)劑種類對涂層的金相組織結(jié)構(gòu)和性能有顯著影響。

圖3 采用不同粘結(jié)劑制備的復合粉末噴涂涂層截面的微觀組織形貌：(a1), (a2) A1; (b1), (b2) A2; (c1), (c2) A3; (d1), (d2) A4Fig.3 Cross-section morphology of coatings sprayed by composite powder prepared with different binders:(a1), (a2) A1; (b1), (b2) A2; (c1), (c2) A3; (d1), (d2) A4

圖4 不同粘結(jié)劑制備粉末噴涂涂層硬度Fig.4 Hardness of coatings sprayed by composite powder prepared with different binders

圖5 不同粘結(jié)劑制備粉末噴涂涂層結(jié)合強度Fig.5 Bonding strength of coatings sprayed by composite powder prepared with different binders

采用A1 作粘結(jié)劑時最終獲得的涂層組織金屬相成分明顯偏高，非金屬及孔隙率占比僅為36%，對應于粉末制備過程中復合粉末的包覆缺陷，造成粉末均勻性較差、噴涂上粉前的氮化硼及氧化鋁顆粒散落，使得涂層的硬度較高，超出了封嚴涂層的適宜硬度范圍45～70 HR15Y，同時其結(jié)合強度偏低，使用性能較差。因此，從粉末和涂層性能上來看，A1 粘結(jié)劑均不宜用于機械包覆制備鎳鉻鐵鋁氮化硼復合粉末。

采用A2 作粘結(jié)劑制備的粉末因缺乏流動性，在噴涂過程中的上粉速率較低，容易出現(xiàn)堵槍現(xiàn)象，獲得的涂層組織均勻性較差，金屬相與非金屬相及孔隙的分布不均勻，在涂層服役過程中會嚴重損傷對磨轉(zhuǎn)子葉尖，涂層的結(jié)合強度僅為3 MPa 左右，表明其抗沖蝕性能較差，預計服役性能不佳。

采用A3、A4 粘結(jié)劑制備的復合粉末噴涂涂層非金屬相及孔隙占比分別為49%和44%，涂層組織均勻性較前兩種涂層有所提升，相較之下，采用A3 粘結(jié)劑制備的粉末噴涂涂層顆粒熔化效果較好，鎳鉻鐵金屬骨架和氮化硼軟相均勻夾雜，制備的涂層硬度為62 HR15Y，結(jié)合強度為7.99 MPa，符合封嚴涂層的使用范圍。而采用A4 粘結(jié)劑制備的粉末在噴涂過程中熔化不完全，尚有一定量的未熔顆粒存在，這可能與粘結(jié)劑的高溫熱穩(wěn)定性能有關，在涂層溫度降低過程中，粘結(jié)劑產(chǎn)生劇烈收縮效應，導致涂層內(nèi)部金屬相與非金屬相間撕裂產(chǎn)生微小孔隙，進而導致涂層的結(jié)合強度降低。

2.3 涂層鹽浴試驗結(jié)果分析

根據(jù)復合粉末性能及噴涂涂層組織性能分析，分別選取A3、A4 粘結(jié)劑制備的復合粉末噴涂涂層進行鹽浴試驗。鹽溶液浸泡后的涂層表觀形貌如圖6 和圖7 所示?？梢钥闯?，隨著時間的推移，采用A4 粘結(jié)劑制備的復合粉末涂層表面出現(xiàn)明顯的黃色腐蝕銹跡，而采用A3 粘結(jié)劑制備的復合粉末涂層表面形貌完好，即A3 粘結(jié)劑制備的粉末噴涂涂層耐鹽浴腐蝕性能較好。

圖6 涂層鹽浴試驗宏觀形貌照片(A3)：(a) 初始；(b) 7 天；(c) 14 天；(d) 21 天Fig.6 Macro morphology photos of coating salt bath test(A3): (a) 0 days; (b) 7 days; (c) 14 days; (d) 21 days

圖7 涂層鹽浴試驗宏觀形貌照片(A4)：(a) 初始；(b) 7 天；(c) 14 天；(d) 21 天Fig.7 Macro morphology photos of coating salt bath test(A4): (a) 0 days; (b) 7 days; (c) 14 days; (d) 21 days

3 結(jié)論

(1) 粘結(jié)劑種類對機械包覆制備鎳鉻鐵鋁氮化硼復合粉末的表面形貌影響較大，應選取固化性能與粉末制備參數(shù)相匹配的粘結(jié)劑。以A3 為粘結(jié)劑制備的復合粉末材料粒度控制較好，松裝密度最高，表面包覆完整，粉末性能優(yōu)異。

(2) 采用不同粘結(jié)劑制備的鎳鉻鐵鋁氮化硼復合粉末材料經(jīng)等火焰噴涂制備的可磨耗封嚴涂層，微觀組織結(jié)構(gòu)和性能差別較大。以A3 為粘結(jié)劑制備的復合粉末材料，在噴涂過程中顆粒高溫熔化效果較好，制備的涂層組織均勻性好，涂層硬度為62 HR15Y，結(jié)合強度為7.99 MPa，耐鹽浴腐蝕性能最優(yōu)。