CrAlY粒度對復合電沉積Ni-CrAlY涂層復合量的影響研究

蔡穎輝，劉建明，黃凌峰，王帥，郭睿

CrAlY粒度對復合電沉積Ni-CrAlY涂層復合量的影響研究

蔡穎輝1，劉建明1,2，黃凌峰,2，王帥1,2，郭睿1,2

（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工程技術研究中心，北京 102206）

研究CrAlY粉末粒度對復合電沉積Ni-CrAlY涂層復合量的影響規(guī)律及機理，并探索利用圖像軟件精確測量涂層中CrAlY復合量的方法。以10種不同粒度CrAlY粉末為原材料，采用復合電沉積技術制備Ni-CrAlY涂層。利用掃描電鏡以及能譜儀等表征手段測量涂層中CrAlY顆粒的復合量，分析研究CrAlY激光粒度特征值與其復合量的關系。利用Adobe Photoshop軟件研究圖像處理方式對圖像法表征涂層中CrAlY復合量準確度的影響。CrAlY激光粒度(90)和(50)與其復合量有明顯關聯性，涂層中CrAlY的復合量隨CrAlY粉末(90)和(50)的增加，呈現先升高、后降低的趨勢，當CrAlY粉末(90)在12.90～ 22.40 μm，(50)在6.83～9.68 μm時，復合量較高，達到30.58%（質量分數）以上；當CrAlY粉末(90)小于12.90 μm或大于22.4 μm，(50)小于6.83 μm或大于9.68 μm時，CrAlY顆粒復合量出現了顯著性下降，最低為27.42%。選擇容差為33，消除圖形鋸齒，并進行灰度處理，可使用圖像法較準確地測量出涂層中CrAlY的復合量，其測量偏差小于4.1%（體積分數）。CrAlY粉末粒度對其在復合電沉積Ni-CrAlY涂層中的復合量有明顯影響，CrAlY粉末過細或過粗均不利于其復合量的提高，需控制CrAlY在合適的粒度區(qū)間才能獲得較高的復合量。顆粒最密嵌合機制、不同粒徑顆粒受鍍液沖擊作用的不同、顆粒間互相碰撞作用以及“微粒停泊”機制的尺寸限制作用，4種作用的協同影響是造成CrAlY顆粒粒度與復合量出現該規(guī)律的主要原因。通過控制容差選取、鋸齒處理、灰度處理等，可顯著提高圖像法測量CrAlY復合量的精度。

粒徑分布；復合量；電沉積；圖像法；微粒停泊

MCrAlY（M為Ni、Co或NiCo）材料在涂層領域被廣泛應用，在包覆涂層、熱障涂層粘結層以及可磨耗封嚴涂層等中充當關鍵材料?，F今行業(yè)常采用熱噴涂技術[1-4]以及物理氣相沉積技術[5-7]制備MCrAlY涂層，其中熱噴涂技術包括超音速火焰噴涂（HVOF）、真空等離子噴涂（VPS）、大氣等離子噴涂（APS）、低壓等離子噴涂（LPPS）等；物理氣相沉積技術包括電子束物理氣相沉積（EB-PVD）、磁控濺射（MS）以及多弧離子鍍（AIP）等。這些方法制備MCrAlY涂層時均存在著“視線效應”，對于復雜形狀工件涂覆完整均勻性的控制難度大。同時熱噴涂技術與物理氣相沉積技術相對于復合電沉積技術均具有“高能耗”的特點，現工業(yè)級整套熱噴涂設備的功率處于59～980 kW，工業(yè)級物理氣相沉積系統(tǒng)的核心設備功率皆在50 kW以上[8-15]。采用復合電沉積技術制備MCrAlY涂層時，具備“非視線效應”、“低能耗”、“不損傷基體”以及鍍層組織致密等特點。對浸入鍍液內的鍍件區(qū)域均可進行均勻鍍覆，設備成本低，整套工業(yè)級設備的功率不超過10 kW，鍍前鍍件無需吹砂等機械處理，且工藝溫度處于50～60 ℃，可以確保對鍍件無熱影響[16-22]。復合電沉積技術在低成本高質量制備MCrAlY涂層方向擁有巨大的發(fā)展前景。

CrAlY復合量是決定MCrAlY涂層抗高溫氧化性和抗熱腐蝕性優(yōu)劣的重要因素，這主要是由于Cr和Al元素能夠在涂層表面形成結構致密且連續(xù)的Cr2O3和Al2O3氧化膜（TGO）。因為MCrAlY涂層作為抗氧化涂層或封嚴涂層時，表面形成的氧化膜會因厚度增加、冷熱循環(huán)、沖蝕和刮削磨損等因素的影響而不斷地被破壞，所以涂層內需要充足的Cr、Al元素形成連續(xù)且致密的新氧化膜。湖南大學李美姮等[23-25]研究表明，MCrAlY粘結層表面TGO超過一定厚度時，會導致涂層內應力性質發(fā)生改變，造成層內裂紋萌生。中科院趙明雨等[26-29]研究表明，對于NiCrAl涂層，提高Al含量可以降低涂層TGO的生長速率。

Foster等[30-31]國外學者研究了CrAlY粉末粒徑對Ni-CrAl(Y)涂層復合量的影響，研究表明，精確控制CrAlY粉末粒徑分布在10～15 μm對獲得高CrAlY顆粒復合量的涂層至關重要，原因在于不同粒徑的顆粒之間會存在干擾。關于復合電沉積技術制備M-CrAlY涂層方面，國內學者劉光明等[32-35]開展了粉末濃度、溶液pH值、攪拌速率、鍍液溫度等參數的影響研究。目前國內外對于CrAlY粉末粒徑分布對其復合量的影響研究較少，認識深度不足。

目前主要有2種表征M-CrAlY涂層中CrAlY顆粒復合量的方式，分別為體積分數與質量分數。體積分數的測量是通過Image J、Matlab以及Photoshop等[36]圖像處理軟件計算涂層剖面的金相照片中CrAlY顆粒的面積比，以此作為體積分數。測量質量分數有2種方法：一種是對涂層進行熱處理，使得元素充分擴散均勻后，利用EDS進行測量；另一種是將涂層取下后，利用化學元素分析方法測量。體積分數法的優(yōu)點在于可以直接觀測到CrAlY顆粒在涂層組織中的鑲嵌方式，便于研究工作者分析其沉積過程機理，不足之處在于軟件測量存在較大偏差，偏差源自于測量方式、軟件參數及涂層相片像素等因素。質量分數法的優(yōu)點在于測量結果準確，缺點在于表征過程復雜。

本文較系統(tǒng)地研究了CrAlY粉末粒徑分布對Ni-CrAlY鍍層中CrAlY顆粒復合量的影響規(guī)律及機理，并對比研究了不同表征方法測得的CrAlY顆粒復合量及其偏差。

1 試驗

1.1 材料

本文采用由德國ALD公司真空惰氣霧化系統(tǒng)制備的CrAlY粉末，粉末名義成分（質量分數）為：Cr 66%，Al 31%，Y 3%。將CrAlY粉末進行篩分，獲得小于500目的粉末，并進一步通過氣流分級機獲得不同粒度分布的粉末，共計10組。采用Mastersizer 2000型激光粒度儀對10組CrAlY粉末進行粒度分析，結果見表1。

表1 CrAlY粉末粒度分布

Tab.1 CrAlY powder particle distribution μm

采用的CrAlY粉末的典型顯微形貌如圖1所示，顆粒呈近球狀。采用德國埃爾特生產的ELEMEN-TRAC ONH-P型氧氮氫分析儀測得各組粉末中的氧含量均低于0.5%。

圖1 CrAlY粉末顯微形貌照片

1.2 涂層制備

以GH4169高溫合金為基材，采用電火花工藝切割成2 mm×15 mm×51 mm的試樣。試樣經超聲清洗和除油處理后，采用硫酸鎳體系的鍍液進行涂層制備。不同粒度的CrAlY粉末均采用相同的電沉積工藝參數進行Ni-CrAlY涂層制備，主要工藝參數：CrAlY粉末質量濃度為30 g/L，試驗溫度為50 ℃，電沉積時間為4 h，間歇式攪拌，電流密度為2 A/dm3，陰陽極距離為40 mm，攪拌速率為650 r/min。將獲取的涂層試樣置于超高溫真空燒結爐中進行均勻擴散處理，擴散溫度為1 000 ℃，時間為2 h，真空度為1.0×10–2Pa，隨爐冷卻。

1.3 涂層中CrAlY復合量的表征方法

準確測量涂層中CrAlY復合量是涂層工藝研究和性能表征的基礎，當前主要的測量方法包括化學分析法、EDS法和圖像分析法?；瘜W分析法是利用酸或堿溶解基質金屬后測得嵌合顆粒的復合量，優(yōu)點是測量結果準確，缺點是樣品制備難度大。EDS法利用掃描電鏡附件進行測量，半定量分析的準確度與樣品的導電性、元素的原子序數及含量相關，優(yōu)點是制樣較簡單，大部分元素測量結果在工程上可接受，缺點是須將涂層進行真空擴散熱處理，樣品制備流程長，且會丟失一部分過程信息。圖像分析法是利用圖形軟件識別涂層組織照片中嵌合顆粒的面積占比，以此作為嵌合顆粒的體積分數，優(yōu)點是方便快捷，缺點是受圖像處理方式的影響，結果誤差比較大。

本文采用EDS法測定涂層中CrAlY復合量，具體方法為：將經過真空熱處理的涂層進行剖切，制備成剖面金相試樣，置于2000X型掃描電鏡中進行EDS元素含量分析。為了減小元素分布不均勻對測量結果的影響，針對每個樣品選取涂層剖面中等距的30個點位進行EDS元素面掃描，獲取Cr、Al、Y元素的質量分數，計算獲得CrAlY顆粒質量分數。

當前圖像分析法主要解決的問題在于調整軟件參數使測量偏差減小。本文以EDS法測量結果為參照，研究容差、鋸齒邊部識別、灰度處理對測量結果的影響。利用Adobe Photoshop 2020軟件的A、B、C三種模式，并選取熱處理前涂層組織區(qū)域中灰度最高的像素點，對涂層CrAlY顆粒的體積分數進行測量。A模式參數：取樣大小為取樣點，容差為33，消除鋸齒；B模式參數：取樣大小為取樣點，容差為33，不消除鋸齒；C模式參數：取樣大小為取樣點，容差為20，消除鋸齒。隨后，對涂層組織照片進行灰度處理，使得圖像噪點降至最低，獲得體積分數信息。最后，將EDS法測得的質量分數根據理論公式轉換為理論體積分數，與圖像法測得的體積分數進行對比研究。

EDS法測量的質量分數結果按以下方法轉換為可與圖像法進行對比的體積百分數形式。令A、B分別代表涂層中基體金屬鎳以及CrAlY顆粒，復合涂層體積為，質量為，則基相金屬和CrAlY顆粒體積分別為A、B，質量分別為A、B。質量分數w和體積分數v的計算見式（1）—（4）。

=A+B(2)

=A+B(4)

令、A、B分別代表涂層密度、基相金屬鎳密度及CrAlY密度，則：

由式（2）可得：

=AA+BB(6)

將式（7）代入式（5）可得：

2 結果與分析

2.1 涂層組織形貌

采用10組不同粒度的CrAlY粉末為原料制備而成的Ni-CrAlY涂層在熱處理前的剖面掃描電鏡照片如圖2所示，編號與表1中CrAlY編號相對應。圖2中，呈灰褐色的斑點為CrAlY顆粒，淺色區(qū)域為鎳基相，可見CrAlY顆粒在Ni基相中分布較為均勻，涂層組織致密，未見孔隙及裂紋等缺陷。紅色箭頭所指為CrAlY顆粒在嵌合過程中被鍍液沖刷掉之后留下的痕跡，黃色箭頭所指為涂層組織中粒徑較大的CrAlY顆粒，藍色箭頭所指為涂層組織中未嵌合CrAlY顆粒的區(qū)域。

真空熱處理后，涂層剖面組織的微觀形貌如圖3所示。由圖3可見，涂層中CrAlY顆粒已與鎳基相充分擴散。第1—9組涂層組織的孔隙率低，與基體結合緊密，而第10組中涂層與基體的界面處出現了較多孔隙缺陷。

真空熱處理后，涂層元素面掃描的典型照片如圖4所示。由圖4可見，涂層中Ni、Cr、Al、Y各元素分布較為均勻，在該狀態(tài)下進行EDS元素含量分析可獲得較為準確的結果。

2.2 CrAlY粒度分布對復合量的影響

利用EDS元素分析法測得涂層組織中CrAlY顆粒的質量分數見表2。

CrAlY粉末(90)、(50)及(10)與CrAlY顆粒質量分數的關系如圖5所示。從圖5中可見，CrAlY顆粒的質量分數隨著CrAlY粉末(90)和(50)大小的增加，呈現先升后降的趨勢，而CrAlY顆粒質量分數與CrAlY粉末(10)大小無明顯規(guī)律性關系。當CrAlY粉末(90)處于12.90～22.4 μm，(50)處于6.83～9.68 μm時，復合量為30.58%～31.39%；當CrAlY粉末(90)小于12.90 μm或大于22.4 μm，(50)小于6.83 μm或大于9.68 μm時，CrAlY顆粒復合量出現了顯著性下降。

本文分析該規(guī)律的原因來源于以下幾個方面。

1）鍍液中的CrAlY顆粒形成了雙電層結構，表面吸附基質金屬Ni2+的CrAlY顆粒向陰極移動，完成電沉積過程，具有相同雙電子層結構的CrAlY顆粒相互之間存在靜電斥力。由此，本文建立了理想狀態(tài)下僅受庫侖力的CrAlY顆粒最密嵌合狀態(tài)的模型，如圖6所示。

圖2 10組Ni-CrAlY涂層熱處理前微觀形貌

圖3 10組Ni-CrAlY涂層熱處理后微觀形貌

圖4 Ni-CrAlY涂層熱處理后典型元素分布

表2 EDS法測得涂層中CrAlY的質量分數

Tab.2 CrAlY percentage of mass in the coatings measured by EDS wt.%

圖5 D(90)、D(50)及D(10)與復合量之間的關系

圖6 CrAlY顆粒最密嵌合模型

此時，CrAlY顆粒復合量的計算見式（9）—（12）。

將式（9）、（10）和（11）代入式（12）可得：

當CrAlY顆粒的半徑越小時，比表面積越大，吸附的電荷密度越大，顆粒間靜電斥力越強，顆粒間距越大。由此，根據式（13）可知，涂層CrAlY顆粒的復合量越低。涂層CrAlY顆粒復合量大小與

CrAlY顆粒半徑大小呈正相關關系，這便是粒徑過小時涂層復合量出現下降現象的機理。

2）在CrAlY顆粒電沉積過程中，不斷沉積的基質金屬對吸附在陰極表面的CrAlY顆粒進行包覆，期間鍍液沖擊導致部分嵌合不牢的顆粒從涂層中脫落。在Ni-CrAlY涂層熱處理前的表面微觀形貌中，發(fā)現了CrAlY顆粒脫落留下的凹坑，如圖7所示。

圖7 CrAlY顆粒脫落留下的凹坑

本文根據CrAlY顆粒被鍍液沖擊脫落的難易程度，以及CrAlY顆粒脫落留下的凹坑大小，將顆粒的嵌合過程分為未嵌合狀態(tài)、弱嵌合狀態(tài)、強嵌合狀態(tài)及完全嵌合狀態(tài)4個狀態(tài)，如圖8所示。顆粒的脫落主要發(fā)生在未嵌合狀態(tài)和弱嵌合狀態(tài)，強嵌合狀態(tài)顆粒不易脫落，完全嵌合的顆粒則不會脫落。

第二相顆粒的粒徑越大，形成強嵌合所需要的時間越長，被鍍液沖刷掉的幾率更大，留下的凹坑形成未嵌合區(qū)。在圖2中，10組涂層組織中均發(fā)現了嵌合過程中的CrAlY顆粒被沖刷掉之后留下的痕跡（紅色箭頭所指區(qū)域），證實了電沉積過程中鍍液對CrAlY顆粒沖擊作用的存在。本文以第10組試驗結

果為例來說明嵌合過程中鍍液對不同粒徑顆粒的沖擊效果的差異性。試驗采用磁力攪拌35 s停止40 s的間歇式攪拌，鍍覆4 h獲得的涂層厚度為147 μm，鍍覆過程中涂層以勻速進行生長。由此，完全嵌合25 μm的CrAlY顆粒需要2 449 s，承受液流1 142 s的沖擊；完全嵌合10 μm的CrAlY顆粒需要979 s，承受液流456 s的沖擊。因此，顆粒粒徑較大時，完全被嵌合需要的時間長，更容易被鍍液沖刷掉，留下未嵌合區(qū)。這便解釋了當CrAlY粉末(90)大于 22.4 μm、(50)大于9.68 μm時，CrAlY顆粒的復合量呈現顯著性下降趨勢的原因。

3）不同粒徑CrAlY顆粒之間會發(fā)生碰撞，對CrAlY顆粒的沉積會產生不利影響。從圖2中可見，第1、2組涂層組織中存在一些13 μm左右的較大CrAlY顆粒（黃色箭頭所指區(qū)域），這些較大的CrAlY顆粒與周圍粒徑較小的CrAlY顆粒發(fā)生碰撞，阻礙了沉積過程的進行。這可能是當CrAlY粉末(90)小于12.90 μm，(50)小于6.83 μm時CrAlY顆粒復合量呈現下降趨勢的一方面原因。

4）在電沉積過程中，CrAlY顆粒沉積在涂層表面上，被基質金屬包覆后，形成了類圓形凸起，如圖9所示。涂層凸起區(qū)域的場強相對更大，吸引靠近凸起區(qū)域的CrAlY顆粒優(yōu)先附著沉積，從而使得凸起區(qū)域擴大，涂層最終形成了三維溝壑狀形貌，如圖10所示。

先嵌合的顆粒使得涂層形成了三維溝壑狀的空間區(qū)域，對后續(xù)嵌合的顆粒具有一定的尺寸限制，當顆粒不滿足溝壑間尺寸限制時，溝壑內無法及時被CrAlY顆粒填充，從而形成未嵌合區(qū)域，該現象稱為“微粒停泊”現象。粉末粒度分布決定了是否有合適大小的微粒滿足“微粒停泊”機制的尺寸限制來進行沉積過程。圖2中10組涂層組織中均存在大量的未嵌合CrAlY顆粒的區(qū)域（藍色箭頭所指區(qū)域），這說明了電沉積過程中CrAlY顆粒的粒度分布對涂層的復合量具有重要的影響作用。粒徑大小與粒徑分布的協同作用可能是造成CrAlY顆粒質量分數隨著CrAlY粉末(90)和(50)大小的增加而呈現先升后降趨勢的根本原因。

圖8 顆粒嵌合過程中的不同狀態(tài)

圖9 CrAlY顆粒完全嵌合后形成的凸起

圖10 Ni-CrAlY三維溝壑狀形貌

2.3 圖像識別法的應用

純鎳的密度為8.908 g/cm3，CrAlY合金顆粒的密度為4.688 g/cm3，將表2中的數據分別代入式（8），可獲得理論CrAlY顆粒體積分數，見表3。利用Adobe Photoshop 2020軟件的A、B、C三種模式測得涂層CrAlY顆粒體積分數見表4。

在圖像法3種模式下獲取的CrAlY顆粒體積分數的數據與理論體積分數進行對比，如圖11所示。相較于B、C測量模式，A模式各組復合量最接近理論體積分數，A模式中復合量大小隨CrAlY顆粒粒徑變化的趨勢也最為接近理論體積分數的趨勢，偏差范圍為1.90%～12.93%。

表3 CrAlY理論體積分數

Tab.3 Theoretical volume percentage of the CrAlY vol.%

表4 圖像法CrAlY體積分數

Tab.4 CrAlY volume percentage by the image method vol.%

圖11 CrAlY理論體積分數

在A模式下，對不同涂層組織照片進行灰度處理修正，使得圖像識別軟件噪點降低，能夠準確地識別出CrAlY顆粒區(qū)域，灰度處理后的修正結果見表5。

表5 CrAlY體積分數灰度處理后修正值

Tab.5 Revised values of CrAlY volume percentage after gray scale treatment vol.%

不同參數試驗組的CrAlY顆粒復合量如圖12所示。由圖12可見，灰度處理修正值與理論體積分數的偏差范圍為0.10%～4.05%，數值大小非常接近，能有效地反應各試驗組的真實復合量大小。這表明利用Adobe Photoshop 2020軟件測量Ni-CrAlY涂層的CrAlY顆粒復合量時，選擇合適的容差大小，消除圖形鋸齒，并進行灰度處理，使得涂層噪點降至最低，就可以較為準確地測量出涂層組織的復合量大小，偏差大小在4.1%以內。

圖12 CrAlY修正體積百分數

3 結論

1）利用復合電沉積技術制備Ni-CrAlY涂層時，CrAlY顆粒質量分數隨著CrAlY粉末(90)和(50)大小的增加呈現先升后降的趨勢，而CrAlY顆粒質量分數與CrAlY粉末(10)大小無明顯規(guī)律性關系。當CrAlY粉末(90)處于12.90～22.4 μm，(50)處于6.83～9.68 μm時，復合量為30.58%～31.39%；當CrAlY粉末(90)小于12.90 μm或大于22.4 μm，(50)小于6.83 μm或大于9.68 μm時，CrAlY顆粒復合量出現了顯著性下降。

2）CrAlY粉末粒度對復合電沉積Ni-CrAlY涂層的復合量有明顯影響，CrAlY粉末過細或過粗均不利于其復合量的提高，需控制CrAlY在合適的粒度區(qū)間才能獲得較高的復合量。顆粒最密嵌合機制、不同粒徑顆粒受鍍液沖擊作用的不同、顆粒間互相碰撞作用以及“微粒停泊”機制的尺寸限制作用，4種作用的協同影響是造成CrAlY顆粒粒度與復合量出現該規(guī)律的主要原因。

3）利用Adobe Photoshop 2020軟件測量Ni- CrAlY涂層的CrAlY顆粒復合量時，通過控制容差選取、鋸齒處理、灰度處理等，可顯著提高圖像法測量CrAlY復合量的精度，偏差大小在4.1%以內。

[1] LI Chun-yan, WANG Hai-bo, DING Juan-qiang, et al. Effects of Heat Treatment on HVOF-Sprayed Fe-Based Amorphous Coatings[J]. Surface Engineering, 2021, 37(5): 590-598.

[2] ILLéS B, GéCZY A, MEDGYES B, et al. Vapour Phase Soldering (VPS) Technology: A Review[J]. Soldering & Surface Mount Technology, 2019, 31(3): 146-456.

[3] 董權. 大氣等離子噴涂制備FeCrMoBC非晶涂層的組織和性能研究[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2020.

DONG Quan. Microstructure and Properties of FeCrMoBC Amorphous Coating Prepared by Air Plasma Spraying[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2020.

[4] 沈凱月. 熱處理和噴涂參數對低壓等離子噴涂Ti6Al4V涂層組織和性能的影響[D]. 大連: 大連海事大學, 2020.

SHEN Kai-yue. Effect of Heat Treatment and Spray Parameters on Properties of the Ti-6Al-4V Coating by Low Pressure Plasma Spraying[D]. Dalian: Dalian Mari-time University, 2020.

[5] ZHANG B C, CHEN Kui-ying, BADDOUR N, et al. Failure and Life Evaluation of EB-PVD Thermal Barrier Coatings Using Temperature-Process-Dependent Model Parameters[J]. Corrosion Science, 2019, 156: 1-9.

[6] 余東海, 王成勇, 成曉玲, 等. 磁控濺射鍍膜技術的發(fā)展[J]. 真空, 2009, 46(2): 19-25.

YU Dong-hai, WANG Cheng-yong, CHENG Xiao-ling, et al. Recent Development of Magnetron Sputtering Proc-esses[J]. Vacuum, 2009, 46(2): 19-25.

[7] 廖依敏, 豐敏, 陳明輝, 等. TiAl合金表面搪瓷基復合涂層與多弧離子鍍NiCrAlY涂層的抗熱腐蝕行為對比研究[J]. 金屬學報, 2019, 55(2): 229-237.

LIAO Yi-min, FENG Min, CHEN Ming-hui, et al. Comparative Study of Hot Corrosion Behavior of the Enamel Based Composite Coatings and the Arc Ion Plating NiCrAlY on TiAl Alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2019, 55(2): 229-237.

[8] 宋桂榮. 激光重熔超音速火焰噴涂鐵基合金涂層的組織和性能研究[D]. 天津: 天津大學, 2010.

SONG Gui-rong. Study on Microstructure and Property of Laser Remelted Fe-Based Coating Deposited by HVOF[D]. Tianjin: Tianjin University, 2010.

[9] 黃文, 薛召露, 劉俠, 等. 噴涂功率對YSZ涂層的力學性能和抗鋁硅熔體腐蝕性能的影響[J]. 過程工程學報, 2020, 20(12): 1463-1471.

HUANG Wen, XUE Zhao-lu, LIU Xia, et al. Influence of Spraying Power on Mechanical and Resistance to Aluminum–Silicon Melt Corrosion Properties of YSZ Coating[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2020, 20(12): 1463-1471.

[10] 唐榮榮. 等離子噴涂8YSZ熱障涂層的性能及工藝參數研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇大學, 2019.

TANG Rong-rong. Research on Properties and Process Parameters of Plasma Sprayed 8YSZ Thermal Barrier Coating[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2019.

[11] 孫友貝, 周春根. 噴涂功率對納米熱障涂層組織及性能的影響[J]. 北京航空航天大學學報, 2013, 39(9): 1275-1278.

SUN You-bei, ZHOU Chun-gen. Effect of Spraying Power on Microstructure and Property of Nanostructured Thermal Barrier Coatings[J]. Journal of Beijing Unive-rsity of Aeronautics and Astronautics, 2013, 39(9): 1275-1278.

[12] 馬伯樂, 馬文, 黃威, 等. 大氣等離子噴涂SrZrO3熱障涂層工藝與性能的研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2019, 16(1): 17-23.

MA Bo-le, MA Wen, HUANG Wei, et al. Process and Properties of SrZrO3 Thermal Barrier Coating Prepared by Atmospheric Plasma Spray[J]. Equipment Environ-mental Engineering, 2019, 16(1): 17-23.

[13] 劉章. 等離子噴涂鑄鐵粒子在軟質金屬基體上的沉積行為研究[D]. 西安: 長安大學, 2018.

LIU Zhang. The Deposition Behavior of Plasma Sprayed Cast Iron Splat on Soft Metal Substrates[D]. Xi'an: Changan University, 2018.

[14] 李太江, 楊二娟, 李巍, 等. 制備參數對等離子噴涂熱障涂層高溫沖蝕性能的影響[J]. 材料保護, 2017, 50(10): 44-47.

LI Tai-jiang, YANG Er-juan, LI Wei, et al. Effects of Preparation Parameters on High Temperature Erosion Properties of Plasma Sprayed Thermal Barrier Coat-ings[J]. Materials Protection, 2017, 50(10): 44-47.

[15] 劉偉. GH586等離子噴涂與激光重熔制備熱障涂層的組織及性能研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇大學, 2016.

LIU Wei. The Study of Performance of Thermal Barrier Coatings Prepared on the Surface of GH586 by Plasma Spraying and Laser Remelting[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2016.

[16] 甄會娟. 高性能MCrAlY涂層的電沉積制備及其防護機制[D]. 合肥: 中國科學技術大學, 2019.

ZHEN Hui-juan. Development and oxidation mechanisms of MCrAl coatings by electrodeposition[D]. Hefei: Unive-rsity of Science and Technology of China, 2019.

[17] APELT S, ZHANG Y, ZHU J H, et al. Electrodeposition of Co-Mn3O4Composite Coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2015, 280: 208-215.

[18] YANG X, PENG X, XU C, WANG F. Electrochemical assembly of NixCryAl Nanocomposites with Excellent High-Temperature Oxidation Resistance[J]. Electroche-mical Society, 2009, 156(5): 167-175.

[19] LAKRA S, MAHARANA H S, BASU A. Synthesis and Characterization of Cr-ZrO2 Composite Coating Formed by DC and Pulse Electrodeposition[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2016, 31(11): 1447-1453.

[20] MANZANO C V, CABALLERO-CALERO O, TRANC-HANT M, et al. Thermal Conductivity Reduction by Nanostructuration in Electrodeposited CuNi Alloys[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2021, 9(10): 3447- 3454.

[21] WITMAN J C, ZHANG Y. Effect of Electro-Code-pos-ition Parameters on Particle Incorporation in Ni-CrAlY(Ta)Coatings[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2021, 36(2): 209-214.

[22] BATES B L, ZHANG L Z, ZHANG Y. Electrodeposition of Ni Matrix Composite Coatings with Embedded CrAlY Particles[J]. Surface Engineering, 2015, 31(3): 202-208.

[23] 李美姮, 胡望宇, 孫曉峰, 等. EB-PVD熱障涂層的彈性模量和斷裂韌性研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2006, 35(4): 577-580.

LI Mei-heng, HU Wang-yu, SUN Xiao-feng, et al. Study on Elastic Modulus and Fracture Toughness of an EB- PVD Thermal Barrier Coatings[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2006, 35(4): 577-580.

[24] 潘敏亮. 考慮界面形貌的熱障涂層氧化失效及其可靠性分析[D]. 湘潭: 湘潭大學, 2016.

PAN Min-liang. Oxidation Failure with Its Reliability Analysis of TBCS in Consideration of Interface Morp-hology[D]. Xiangtan: Xiangtan University, 2016.

[25] GUO Dun, YU Qing-min, CEN Lv. Effect of CMAS on Interfacial Crack and Residual Stress of Thermal Barrier Coatings[J]. 稀有金屬材料與工程, 2020, 49(9): 2937- 2947.

GUO Dun, YU Qing-min, CEN Lv. Effect of CMAS on Interfacial Crack and Residual Stress of Thermal Barrier Coatings[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(9): 2937-2947.

[26] 趙明雨, 甄會娟, 董志宏, 等. 新型耐磨耐高溫氧化NiCrAlSiC復合涂層的制備及性能研究[J]. 金屬學報, 2019, 55(7): 902-910.

ZHAO Ming-yu, ZHEN Hui-juan, DONG Zhi-hong, et al. Preparation and Performance of a Novel Wear-Resistant and High Temperature Oxidation-Resistant NiCrAlSiC Composite Coating[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2019, 55(7): 902-910.

[27] 甄會娟, 田禮熙, 董志宏, 等. 高(Cr, Al)含量NiCrAl(Y)涂層電沉積制備及抗高溫氧化性能[J]. 航空材料學報, 2018, 38(2): 52-58.

ZHEN Hui-juan, TIAN Li-xi, DONG Zhi-hong, et al. Electrodeposition of NiCrAl(Y) Coatings with High Contents of Cr and Al and Their Oxidation Resistance[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2018, 38(2): 52-58.

[28] 楊洪志, 鄒儉鵬, 石倩, 等. MCrAlY高溫防護涂層界面擴散行為研究進展[J]. 稀有金屬材料與工程, 2020, 49(7): 2240-2249.

YANG Hong-zhi, ZOU Jian-peng, SHI Qian, et al. Recent Advances for Interface Diffusion Behavior in MCrAlY Coatings at Elevated Temperature Oxidation[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(7): 2240- 2249.

[29] 張幫彥. MCrAlY粘結層抗氧化性能的預處理強化方法研究[D]. 西安: 西安交通大學, 2017.

ZHANG Bang-yan. Pre-Treatment Methods of Enhancing Oxidation Resistance of MCrAlY Bond Coat[D]. Xi'an: Xi'an Jiaotong University, 2017.

[30] ZHANG L Z, BATES B L, ZHANG Y. Effect of Post- Deposition Heat Treatment on Electrodeposited NiCoCrAlY Coatings[J]. Surface Engineering, 2017, 33(2): 136-141.

[31] FOSTER J, CAMERON B P, CAREW J A. The Produ-ction of Multi-Component Alloy Coatings by Particle Code-position[J]. Transactions of the IMF, 1985, 63(1): 115-119.

[32] 劉光明, 劉德強, 汪元奎, 等. T91鋼表面復合電沉積Ni/CrAl鍍層的工藝研究[J]. 表面技術, 2012, 41(1): 61-63.

LIU Guang-ming, LIU De-qiang, WANG Yuan-kui, et al. Preparation of Ni/CrAl Coatings on T91 Steel by Com-posite Electrodeposition[J]. Surface Technology, 2012, 41(1): 61-63.

[33] 劉德強. 復合電鍍Ni/CrAl高溫涂層的制備[D]. 南昌: 南昌航空大學, 2012.

LIU De-qiang. Ni/CrAl Composite Coatings Produced by Particle Electro-Codeposition[D]. Nanchang: Nanchang Hangkong University, 2012.

[34] 賈衛(wèi)平, 吳蒙華, 楊帆. 復合電沉積工藝參數對鎳晶微鑄件表面性能的影響[J]. 表面技術, 2014, 43(5): 55-60.

JIA Wei-ping, WU Meng-hua, YANG Fan. Effect of Com-bined Electro-Deposition Parameters on Surface Perfor-mances of Nickel Micro Electroforming Parts[J]. Surface Technology, 2014, 43(5): 55-60.

[35] 紀仁杰, 劉勝貴, 劉永紅, 等. 復合電沉積初始階段預吸附的惰性顆粒對金屬離子沉積的影響研究[J]. 機械工程學報, 2021, 57(5): 177-184.

JI Ren-jie, LIU Sheng-gui, LIU Yong-hong, et al. Effects of Pre-Adsorbed Inert Particles on Deposition of Metal Ions at the Initial Stage of Composite Electrodeposi-tion[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(5): 177-184.

[36] 赫放, 孫杰, 楊景偉, 等. 用圖形軟件分析封嚴涂層金相照片計算孔隙率的方法[J]. 電鍍與涂飾, 2017, 36(22): 1230-1233.

HE Fang, SUN Jie, YANG Jing-wei, et al. A Method for Calculating Porosity of Seal Coating by Analyzing Its Metallograph Using Graphic Software[J]. Electroplating & Finishing, 2017, 36(22): 1230-1233.

Effect of CrAlY Granularity on the Composite Amount of Composite Electrodeposited Ni-CrAlY Coating

1,1,2,1,2,1,2,1,2

(1. BGERIMM Technology Group, Beijing 100160, China; 2. Beijing Engineering Technology Research Center of Surface Strengthening and Repairing of Industry Parts, Beijing 102206, China)

Composite electrodeposition technology with non-line-of-sight and low energy consumption is promising in preparing Ni-CrAlY coatings. The composite amount of CrAlY particles is one of the most important parameters that determine the coating performance. This experiment studied the influence law and mechanism of CrAlY powder granularity on the composite amount of composite electrodeposited Ni-CrAlY coating, and explored the method to accurately measure the composite amount of CrAlY in the coating using image software.

CrAlY powder prepared by vacuum inert gas atomizer (VIGA-16) with nominal composition (weight percentage): Cr, 66wt.%; Al, 31wt.%; Y, 3wt.%. CrAlY powder was screened to obtain a powder less than 500 mesh, and powder of different particle sizes was further obtained by airflow grading machine (LHB). Ten types of CrAlY powder were analyzed using a laser particle size analyzer (Mastersizer 2000). The oxygen content was measured at less than 0.5% by using an oxygen and nitrogen hydrogen analyzer (ONH-P). GH4169 nickel-based superalloy as substrate was made into samples of size 2mm×15mm×51mm by electrospark machine. Samples were prepared after ultrasonic cleaning with plating solution of nickel sulfate system. The particle distribution micro-morphology of the coating structure was observed using a scanning electron microscope (2000X). The obtained coating samples were placed in ultra-high temperature vacuum sintering furnace with uniform diffusion temperature of 1000 ℃, time of 2 h, vacuum degree of 1.0×10–2Pa and cooled with the furnace. The 30 areas of the coating for each sample element were scanned by EDS to obtain the element mass percentage of Cr, Al and Y, and the CrAlY particle mass percentage was calculated. At the same time, the effect of image processing method on the accuracy of image-based characterization of CrAlY composite content in coatings was also studied by using Adobe Photoshop software.

CrAlY laser granularity(90) and(50) were significantly associated with the composite amount of CrAlY, and the size of the CrAlY composite in the coating increased first and then decreased with the increase of the CrAlY powders(90) and(50). When the CrAlY powder(90) was at 12.90～22.40μm and(50) was at 6.83～9.68 μm, the composite amount was higher, reaching 30.58wt.% above; when the CrAlY powder(90) is less than 12.90 μm or greater than 22.4μm and(50) is less than 6.83 μm or greater than 9.68 μm, the composite amount of CrAlY particles decreased significantly, and the minimum value was 27.42wt.%. By selecting the tolerance size of 33, eliminating the aliasing of the graphics and performing grayscale processing allows the image method to accurately measure the composite amount of CrAlY in the coating, with a measurement deviation of less than 4.1vol.%.

CrAlY powder granularity has obvious effect on its composite amount in composite electrodeposited Ni-CrAlY coating. Too fine or too thick CrAlY powder is not conducive to improve its composite amount. It is necessary to control CrAlY in the appropriate granularity range to obtain higher composite amount. The synergistic effect of the mechanism of the closest fitting of the particles, the different impact of particles with different particle sizes on the impact of the plating solution, the collision between particles and the size limitation of the "particle docking" mechanism is the main reason for the regularity between particle size and composite amount of CrAlY. By controlling tolerance selection, sawtooth processing and gray scale processing, etc., the accuracy of measuring CrAlY composite amount by image method can be significantly improve.

particle size distribution; composite amount; electrodeposition; image method; particle parking

2021-09-03；

2022-01-05

CAI Ying-hui (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: composite electrodeposition theory and technology.

劉建明（1983—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為封嚴涂層技術。

LIU Jian-ming (1983-), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: seal coating technology.

蔡穎輝, 劉建明, 黃凌峰, 等. CrAlY粒度對復合電沉積Ni-CrAlY涂層復合量的影響研究[J]. 表面技術, 2022, 51(9): 206-216.

TG174.4

A

1001-3660(2022)09-0206-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–09–03；

2022–01–05

國家重點研發(fā)計劃資助（2018YFB2002000）

Fund：National Key R & D Program of China (2018YFB2002000)

蔡穎輝（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向為復合電沉積理論及工藝。

CAI Ying-hui, LIU Jian-ming, HUANG Ling-feng, et al. Effect of CrAlY Granularity on the Composite Amount of Composite Electrodeposited Ni-CrAlY Coating[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 206-216.

責任編輯：劉世忠