等離子噴涂CoMoCrSi涂層性能及其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

艾鵬，劉軍和，孫穎，鄒卓，張眸睿

1.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 遼寧沈陽(yáng) 110043

2.中國(guó)人民解放軍空軍裝備部駐沈陽(yáng)第二軍代表室 遼寧沈陽(yáng) 110043

1 序言

CoMoCrSi涂層是一種含高Co、Mo、Cr的合金涂層，具有優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損性能。其中，Co作為基體保證了涂層的韌性，Mo、Cr的加入形成了均勻分布的Lves相，可獲得發(fā)揮高硬度、高熔點(diǎn)涂層（涂層使用溫度高達(dá)800℃）[1-4]。該涂層作用于零件表面，可有效提升零件的力學(xué)性能及使用壽命，多作為表面強(qiáng)化或尺寸修復(fù)用，在機(jī)械、石油、化工及航空航天等領(lǐng)域備受青睞[5，6]。CoMoCrSi涂層的制備方式有多種，如超音速噴涂、爆炸噴涂、等離子噴涂、堆焊和激光熔覆等。在眾多涂層制備方式中，等離子噴涂在保證涂層高性能的同時(shí)，兼具生產(chǎn)成本低、制備效率高的優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用更為廣泛[7-9]。

本文以Co-28Mo-17Cr-3Si粉末為例，采用瑞士美科公司生產(chǎn)的Multicoat型等離子噴涂設(shè)備進(jìn)行了涂層制備，并對(duì)涂層性能進(jìn)行了表征，最后在航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件上進(jìn)行了工程化應(yīng)用。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試片基體材料選用GH4169高溫合金鋼。用于檢測(cè)涂層顯微組織的試片尺寸為40mm×20mm×2mm，檢測(cè)涂層結(jié)合強(qiáng)度的試片尺寸為φ25mm×2mm，檢測(cè)涂層硬度的試片尺寸為50mm×30mm×3.5mm。

試驗(yàn)采用的原材料粉末為北京礦治集團(tuán)生產(chǎn)，粉末化學(xué)成分見(jiàn)表1。粉末中含有很高的Co、Mo、Si元素，使其能在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)保持良好的耐磨、耐蝕和抗擦傷性能。掃描電鏡下Co-28Mo-17Cr-3Si粉末形貌如圖1所示。從圖1可看出，粉未為均勻的球形或近球形顆粒。

圖1 Co-28Mo-17Cr-3Si粉末形貌（200×）

表1 粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 涂層制備

分別在各種試片上進(jìn)行等離子噴涂Co-28Mo-17Cr-3Si涂層。噴涂前，采用丙酮對(duì)試片逐一進(jìn)行清洗除油，然后用60目白剛玉對(duì)試片表面進(jìn)行吹砂粗化，風(fēng)壓為0.4MPa，角度為75°。吹砂后采用壓縮空氣將試片表面浮灰及殘留砂礫吹除徹底。最后進(jìn)行噴涂，采用Multicoat型等離子噴涂設(shè)備，F(xiàn)4MB90-XL型噴槍，噴嘴直徑6mm。等離子噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 等離子噴涂工藝參數(shù)

3 涂層性能測(cè)試及結(jié)果

3.1 外觀與顯微組織

制備好的涂層外觀如圖2所示。涂層呈均勻的灰色，無(wú)裂紋、剝落、分層和邊緣翹起等缺陷。將試片切割、打磨、拋光后置于光學(xué)顯微鏡下觀察涂層截面顯微組織，其典型視場(chǎng)如圖3所示。涂層組織均勻，由金屬相及細(xì)微的氧化物組成，無(wú)未熔顆粒。根據(jù)HB 20195—2014《熱噴涂涂層金相檢驗(yàn)》規(guī)定，采用對(duì)比法對(duì)涂層中孔隙率進(jìn)行分析，孔隙率≤2%。在光學(xué)顯微鏡下測(cè)量，涂層孔隙最大尺寸≤15μm，氧化物分散且細(xì)小，分布有少量團(tuán)狀氧化物，最大尺寸≤50μm。

圖2 制備態(tài)涂層外觀

圖3 涂層顯微組織典型視場(chǎng)（200×）

3.2 硬度

用220#砂紙將制備好的涂層試樣（涂層厚度為0.39mm）表面打磨光滑，并置于洛氏硬度計(jì)下，按HB 5168—1996《金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》規(guī)定，選取5個(gè)不同位置點(diǎn)進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。涂層硬度平均值為83.6HR15N。

表3 涂層不同位置硬度 （HR15N）

3.3 結(jié)合強(qiáng)度

3個(gè)結(jié)合強(qiáng)度試樣的涂層厚度分別為0.36mm、0.35mm、0.37mm。按照HB 5476—1991《熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)方法》執(zhí)行，采用FM1000膠將試樣與拉伸試棒進(jìn)行粘結(jié)，加熱固化后安裝于萬(wàn)能拉伸機(jī)上。以1mm/min的恒定速率施加載荷對(duì)試樣進(jìn)行拉伸，直到涂層發(fā)生斷裂。涂層拉斷面形貌如圖4所示，斷裂位置均發(fā)生在涂層內(nèi)部，3次測(cè)試結(jié)果均有效。涂層拉伸測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，經(jīng)計(jì)算，涂層結(jié)合強(qiáng)度平均值為40.5MPa。

圖4 涂層拉斷面形貌

表4 涂層拉伸試驗(yàn)結(jié)果 （MPa）

3.4 彎曲性能

彎曲試樣涂層厚度為0.15mm，將試樣以10°/s的速度繞直徑12.7mm的芯棒彎曲90°并保持10s。彎曲后涂層表面狀態(tài)如圖5所示。從圖5可看出，3組試片在彎曲應(yīng)變集中區(qū)域均出現(xiàn)了局部細(xì)小裂紋，無(wú)涂層剝落現(xiàn)象。這是由于涂層硬度高、塑性差特性導(dǎo)致的，但由于涂層與基體結(jié)合良好，因此并未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

圖5 彎曲后涂層表面狀態(tài)

4 零件噴涂

基于以上試驗(yàn)結(jié)果，在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)定位桿上進(jìn)行了等離子噴涂CoMoCrSi涂層工程化應(yīng)用。噴涂前對(duì)零件非噴涂區(qū)域采用耐高溫壓敏膠帶進(jìn)行了保護(hù)，由于噴涂時(shí)焰流溫度較高，為了防止零件過(guò)熱及壓敏膠帶燒損，在零件周圍加設(shè)了冷卻風(fēng)。采用ABB機(jī)械手持槍對(duì)零件進(jìn)行了自動(dòng)化噴涂，噴涂及機(jī)加工后零件涂層局部形貌如圖6所示。

圖6 噴涂及機(jī)加工后零件涂層局部形貌

由此可見(jiàn)，噴涂后零件上涂層狀態(tài)良好，厚度均勻，無(wú)裂紋、剝落、分層和邊緣翹起等缺陷，涂層磨加工后未出現(xiàn)開(kāi)裂、剝落等現(xiàn)象，符合使用要求。CoMoCrSi作為耐磨涂層，可用在800℃以下工作的多種類型零件上，如盤(pán)、軸、桿、機(jī)匣等，能有效抵抗零件工作時(shí)發(fā)生的各種摩擦磨損，使零件使用壽命大大提高。此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的使用后返修時(shí)，只需將零件上涂層去除再重新制備即可使用，相較于替換新零件，可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)修理成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

等離子噴涂的CoMoCrSi涂層結(jié)合強(qiáng)度好、硬度高，且涂層孔隙率小，團(tuán)狀氧化物少。作為耐磨涂層，可廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)易磨損部位，能有效保護(hù)零件，提高零件的使用壽命，并降低發(fā)動(dòng)機(jī)修理成本。