等離子噴涂銅鋁涂層工藝研究

李俊辰，羅奎林，劉瑞，陳明旭，孫若涵

（成都航利實(shí)業(yè)有限公司，成都 611936）

0 引言

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件，其作用是將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能，輸出高溫高壓的氣體。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役過(guò)程中壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在激振力的作用下其榫頭與壓氣機(jī)盤(pán)的榫槽會(huì)產(chǎn)生摩擦磨損。由于榫頭與榫槽發(fā)生極小幅度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其位移幅度為微米量級(jí)，所以榫頭部位產(chǎn)生的磨損為微動(dòng)磨損。微動(dòng)磨損的出現(xiàn)會(huì)降低壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片榫頭部位的疲勞極限，從而導(dǎo)致壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片失效，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)飛行安全[1-3]。

為了提高壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片榫頭部位的抗微動(dòng)磨損能力，其表面一般涂覆有抗微振磨損涂層，如銅鎳銦涂層、鍍銀層等。銅鋁涂層因其硬度低、塑性好，能較好地吸收榫頭與榫槽微小相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的塑性能，是一種較為優(yōu)異的抗微振磨損材料。目前，針對(duì)銅鋁涂層的研究大都集中在涂層冷噴涂制備工藝或銅鋁基自潤(rùn)滑涂層性能方面，而對(duì)等離子噴涂銅鋁涂層的工藝研究較少[4-6]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件對(duì)等離子噴涂銅鋁涂層過(guò)程中涂層硬度與等離子噴涂參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究，建立了涂層硬度與各參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)排列組合優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)，再對(duì)篩選出的工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，從而為該類(lèi)涂層的制備提供方法參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

噴涂粉末采用礦冶科技集團(tuán)提供的銅鋁粉末，粉末形貌如圖1所示，可以看出銅鋁粉末呈規(guī)則的球性。硬度試樣、金相試樣、結(jié)合強(qiáng)度試樣、彎曲試樣采用鈦合金進(jìn)行制備，試樣尺寸及涂層厚度分別按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制備。

圖1 銅鋁粉末形貌

1.2 涂層制備

采用Unicoat-Pro等離子熱噴涂系統(tǒng)及F4MB等離子噴槍進(jìn)行涂層制備，先利用Minitab實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行4因素2水平的硬度實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出符合工藝要求的參數(shù)后，再分別在優(yōu)選的參數(shù)范圍內(nèi)制備硬度試樣、金相試樣、結(jié)合強(qiáng)度試樣、彎曲試樣進(jìn)行分析。

1.3 檢測(cè)設(shè)備及方法

涂層硬度測(cè)試采用HRS-45DM表面洛氏硬度計(jì)，硬度測(cè)試標(biāo)尺為HR15T，測(cè)試5個(gè)點(diǎn)的硬度值，以其平均值作為最終硬度值。涂層金相分析采用Olympus GX71倒置式金相顯微鏡進(jìn)行分析。采用粘膠法制備涂層結(jié)合強(qiáng)度試樣，結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試在三思萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。涂層彎曲性能測(cè)試在專(zhuān)用彎曲工裝上進(jìn)行，彎曲角度為170°，彎曲后檢查涂層脫落或開(kāi)裂情況。

2 結(jié)果及分析

2.1 建立硬度與噴涂工藝參數(shù)關(guān)系模型

為了減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，將送粉速率固定在30 g/min，采用Mintab軟件設(shè)計(jì)氬氣流量、氫氣流量、電流、噴涂距離的2水平1/2因子正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)表，如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

按照表1設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，噴涂了涂層硬度試樣，硬度試樣磨光后涂層厚度為0.50～0.60 mm，涂層硬度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 涂層硬度測(cè)試結(jié)果HR15T

利用上述硬度測(cè)試結(jié)果，通過(guò)Mintab軟件進(jìn)行因子分析，得出涂層硬度與電流、氬氣流量、氫氣流量、噴涂距離的關(guān)系式如下：

硬度=62.93+0.328×氬氣流量+0.18×氫氣流量+0.02377×電流+0.0141×噴涂距離+0.0006×氬氣流量×氫氣流量-0.00008×氬氣流量×電流-0.00148×氬氣流量×噴涂距離。

涂層硬度的主效應(yīng)圖如圖2所示，可以看出在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)涂層硬度與氬氣流量、氫氣流量、電流成正比，與噴涂距離成反比。

圖2 硬度主效應(yīng)圖

2.2 優(yōu)選工藝參數(shù)

利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件建立起涂層硬度與等離子噴涂參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系后，輸入相應(yīng)的噴涂參數(shù)值就可以對(duì)硬度值進(jìn)行預(yù)測(cè)，但通過(guò)單組參數(shù)輸入很難優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)，為此本研究利用Excel排列組合公式，按表3所示規(guī)律，求出氬氣流量、氫氣流量、電流、噴涂距離的所有排列組合共計(jì)5441組，再將硬度值公式導(dǎo)入上述排列組合之中，得出硬度和化學(xué)成分含量的預(yù)測(cè)值。

表3 參數(shù)排列組合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[8]，適宜于發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的涂層硬度范圍為≥84 HR15T。為此本研究從各預(yù)測(cè)值中篩選出硬度值滿(mǎn)足指標(biāo)要求且具備一定工藝窗口的參數(shù)，如表4所示。

表4 優(yōu)選出的工藝參數(shù)

在表4所示的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，利用Mintab軟件進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行涂層硬度預(yù)測(cè)，得到的結(jié)果如表5所示。

表5 優(yōu)選參數(shù)范圍內(nèi)硬度預(yù)測(cè)值

2.3 涂層性能考核驗(yàn)證

1）涂層硬度考核。按照表5設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，噴涂了銅鋁涂層硬度試樣，硬度試樣磨光后涂層厚度為0.55～0.60 mm，測(cè)試（測(cè)試5個(gè)點(diǎn)）的硬度平均值與預(yù)測(cè)值的比較如圖3所示。

圖3 涂層硬度測(cè)試平均值及預(yù)測(cè)值

可以看出，以中心參數(shù)（3號(hào)參數(shù)）為中心點(diǎn)，按一定公差范圍進(jìn)行輻射后的涂層硬度值，仍然滿(mǎn)足≥84 HR15T的要求，說(shuō)明篩選的工藝參數(shù)較為合適；同時(shí)，部分試樣預(yù)測(cè)硬度值與實(shí)測(cè)硬度值相差較大，這可能是由于測(cè)量誤差導(dǎo)致。對(duì)涂層硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析可以發(fā)現(xiàn)：除4號(hào)試樣外，當(dāng)氬氣流量較低時(shí)，其硬度也較低，說(shuō)明氬氣流量是影響涂層硬度的主要因素，這與硬度主效應(yīng)圖一致。隨著氬氣流量的增加，熔融的粉末粒子在焰流中的速度增加，粉末粒子撞擊基體的動(dòng)能增加，涂層變得更加致密，最終導(dǎo)致涂層硬度提高[9-12]。結(jié)合涂層硬度影響主效應(yīng)圖可知：4號(hào)試樣在高氬氣流量下之所以出現(xiàn)較低的硬度，可能與其電流較低和噴涂距離較遠(yuǎn)有關(guān)。

2）金相檢查結(jié)果。按照表5的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，制備了涂層金相試樣，檢查結(jié)果如圖4及表6所示，可以看出：涂層與基體界面的污染均在10%以?xún)?nèi)，涂層組織分布均勻、無(wú)裂紋，部分試樣涂層內(nèi)部有精細(xì)和彌撒氧化物存在，但氧化物含量均小于5%；在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)涂層內(nèi)部空隙率均在3%以?xún)?nèi)，最大孔洞直徑小于10 μm，未熔顆粒百分?jǐn)?shù)不超過(guò)3%，最大未熔顆粒直徑小于10 μm。結(jié)合涂層孔隙率、最大孔洞尺寸可以看出，與涂層硬度變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，氬氣流量越大，涂層孔隙率越小，最大孔洞尺寸也越小。在所有實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，均未見(jiàn)明顯的未熔粒子，這是因?yàn)殂~鋁合金的熔點(diǎn)較低，僅需較小的功率就能使其熔化所致[13-16]。

表6 涂層金相組織檢查結(jié)果

圖4 涂層金相檢測(cè)結(jié)果（依次為：1#至9#）

3）結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。采用表5的試驗(yàn)參數(shù)，噴涂了9組結(jié)合強(qiáng)度試樣，按照AMS C633對(duì)結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出涂層結(jié)合強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由以上數(shù)據(jù)可以看出：涂層結(jié)合強(qiáng)度最低值為32.8 MPa，涂層結(jié)合強(qiáng)度也顯示出與組織相對(duì)應(yīng)的變化趨勢(shì)，即氬氣流量越高，涂層組織越致密，對(duì)應(yīng)的結(jié)合強(qiáng)度越高。

4）涂層彎曲性能測(cè)試。按照表5的試驗(yàn)參數(shù)，噴涂了9組彎曲試樣（如圖6），按照標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)涂層試樣進(jìn)行170°彎曲測(cè)試，彎曲后涂層表面僅顯示出細(xì)微裂紋趨向，但未出現(xiàn)宏觀裂紋、起皮、剝落等缺陷，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)涂層結(jié)合性能優(yōu)良。

圖6 噴涂的彎曲試樣及彎曲后

3 結(jié)論

1）通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定了等離子噴涂CuAl涂層過(guò)程中，涂層硬度與各噴涂參數(shù)之間的關(guān)系模型為：

硬度=62.93+0.328×氬氣流量+0.18×氫氣流量+0.02377×電流+0.0141×噴涂距離+0.0006×氬氣流量×氫氣流量-0.00008×氬氣流量×電流-0.00148×氬氣流量×噴涂距離。

2）利用正交實(shí)驗(yàn)及排列組合相結(jié)合的方式，優(yōu)選出了最優(yōu)工藝參數(shù)，采用該最優(yōu)工藝參數(shù)制備的涂層硬度預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合性較好。

3）在最優(yōu)工藝參數(shù)下涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度均不小于23 MPa，滿(mǎn)足該涂層使用要求。

4）涂層孔隙率不超過(guò)3%，涂層最大孔洞尺寸約為8 μm，涂層未熔粒子百分?jǐn)?shù)約為3%，最大未熔粒子尺寸約為8 μm；涂層彎曲170°后，未出現(xiàn)脫落起皮現(xiàn)象。