等離子噴涂制備Co基TiC金屬陶瓷涂層的微觀形貌及耐高溫腐蝕性能

曹將棟,劉 偉

(1. 南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,南通 226010； 2. 中國(guó)航發(fā)湖南南方宇航高精傳動(dòng)有限公司，株洲 412002)

等離子噴涂制備Co基TiC金屬陶瓷涂層的微觀形貌及耐高溫腐蝕性能

曹將棟1,劉 偉2

(1. 南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,南通 226010； 2. 中國(guó)航發(fā)湖南南方宇航高精傳動(dòng)有限公司，株洲 412002)

采用等離子噴涂技術(shù)在GH586合金表面制備了一層Co基TiC金屬陶瓷涂層。研究了TiC含量對(duì)Co基TiC金屬陶瓷涂層顯微組織及耐高溫腐蝕性能的影響。結(jié)果表明：TiC陶瓷顆粒與Co基粉體有良好的潤(rùn)濕性，呈現(xiàn)相互包裹的結(jié)構(gòu)，涂層結(jié)合緊密無(wú)缺陷；TiC的加入，提高了Co基TiC金屬陶瓷涂層的耐磨性，但當(dāng)TiC含量過(guò)高時(shí)，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致涂層的耐高溫腐蝕性能降低；TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，TiC顆粒在涂層中分布較為均勻，此時(shí)涂層的耐高溫腐蝕性能和耐磨性都較優(yōu)。

等離子噴涂；金屬陶瓷涂層；TiC；耐高溫腐蝕性能

GH586合金具有良好的高溫力學(xué)性能，主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，但是GH586合金的耐高溫腐蝕性能較差[1]，很難滿足服役環(huán)境要求，所以需要在GH586合金表面制備一層高溫防護(hù)涂層。目前幾乎所有的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片都用到了高溫防護(hù)涂層[2]。TiC具有高硬度(3 200 HV)、高熔點(diǎn)(3 150 ℃)、熱穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)，且工業(yè)制造方便，工業(yè)成本較低[3]。

含有TiC的金屬陶瓷涂層具有良好的抗高溫腐蝕性能及耐磨性[4]，主要用于刀具及各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件[5]，但TiC與Co、Ni等金屬不能完全潤(rùn)濕。研究表明，在TiC中加入10% Mo(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，TiC能完全與Co、Ni等金屬潤(rùn)濕[6-10]。本工作采用等離子噴涂技術(shù)，在GH586合金表面制備了Co基TiC金屬陶瓷涂層，研究了TiC含量對(duì)涂層顯微組織和耐高溫腐蝕性能的影響,望能為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片等關(guān)鍵部件涂層設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)

采用大氣等離子噴涂技術(shù)在GH586合金表面制備Co基TiC金屬陶瓷涂層(以下簡(jiǎn)稱涂層)。噴涂工藝參數(shù)：主氣流量為60 L/min；輔氣流量為25 L/min；送粉率為2 r/min；載氣流量為7 L/min；噴涂距離為100 mm。基體材料為GH586合金，噴涂前采用0.30～0.71 mm粒度的鋼砂，在0.8 MPa的氣壓下對(duì)基體進(jìn)行噴砂處理，噴砂后用高壓氣體清除基體表面灰塵。涂層原料為MCoNiCrAl粉體(即Co基粉體)和TiC粉體。MCoNiCrAl粉體的化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):20% Cr，8% Ni，10% Al，8% W，8% Fe，10% Mo，余量為Co，其粒度小于45 μm；TiC粉體粒徑為2～4 μm。噴涂前對(duì)粉體進(jìn)行烘干處理(80 ℃下保溫10 h)以提高粉體的流動(dòng)性。粉體中TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，10%，20%，30%。

將等離子噴涂后的GH586合金線切割成10 mm×10 mm的試樣，將試樣鑲嵌并拋光，分別用金相顯微鏡和掃描電鏡(SEM)觀察試樣的表面和截面形貌，并用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)測(cè)涂層中微區(qū)化學(xué)成分；用顯微硬度儀測(cè)量涂層的顯微硬度，取5個(gè)點(diǎn)測(cè)試，測(cè)試載荷為1.961 N；采用涂鹽法對(duì)涂層進(jìn)行900 ℃高溫腐蝕試驗(yàn)，鹽的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為75% Na2SO4+25% NaCl，試驗(yàn)溫度為900 ℃，試驗(yàn)后用掃描電鏡觀察涂層的腐蝕形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的微觀形貌及相組成

由圖1可以看出：涂層與基體為機(jī)械咬合，涂層呈典型的等離子噴涂片層狀結(jié)構(gòu)，圖中黑色顆粒狀物質(zhì)為T(mén)iC顆粒。TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，TiC顆粒在涂層中分布較為均勻，呈彌散分布狀態(tài)；當(dāng)TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，TiC出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，主要集中分布于涂層中部；而當(dāng)TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，團(tuán)聚更加明顯，分布也更集中。

(a) 0% TiC (b) 10% TiC (c) 20% TiC (d) 30% TiC圖1 Co基TiC金屬陶瓷涂層的截面形貌Fig. 1 Cross-section morphology of Co-based TiC cermet coatings

由圖2可以看到，涂層組織間結(jié)合緊密，有少量氣孔但沒(méi)有微裂紋等缺陷，深色區(qū)域?yàn)門(mén)iC(如圖中C區(qū)域)，淺色區(qū)域?yàn)镸CoNiCrAl(如圖中A區(qū)域)。采用能譜儀對(duì)涂層的微區(qū)化學(xué)成分進(jìn)行分析(圖略)。在A處檢測(cè)到了C和Ti，而MCoNiCrAl粉體中不含有這兩種元素。這說(shuō)明TiC在噴涂時(shí)發(fā)生了分解和原位析出。TiC熔解于MCoNiCrAl中，冷卻時(shí)過(guò)飽和的C和TiC來(lái)不及全部析出。涂層中出現(xiàn)了很多MCoCrNiAl和TiC相互包覆的結(jié)構(gòu)，即MCoCrNiAl包裹TiC，而TiC又包覆著MCoCrNiAl，如B區(qū)域所示。這表明TiC陶瓷顆粒與MCoCrNiAl具有良好的潤(rùn)濕性。以這種形態(tài)存在的TiC是完全熔化的TiC。這種結(jié)構(gòu)保證了陶瓷相和粘結(jié)相的結(jié)合強(qiáng)度，也說(shuō)明熔融的MCoCrNiAl與TiC有良好的潤(rùn)濕性。C處的TiC為近圓形，沒(méi)有形成雙層包覆結(jié)構(gòu)。以這種形態(tài)存在的TiC是沒(méi)有完全熔化的TiC。這是由于TiC的熔點(diǎn)較高，且在等離子弧中停留的時(shí)間極短，TiC來(lái)不及全部熔解，僅表面的TiC熔解，從而使TiC呈近圓形。涂層中還出現(xiàn)了一些大顆粒的TiC，這可能是由于熔融的TiC在沖擊到基體表面時(shí)，動(dòng)能很大，產(chǎn)生變形，與臨近的TiC相互連接在一起，導(dǎo)致顆粒尺寸較大。且涂層中分布有一些白色顆粒狀物質(zhì)，如圖中D區(qū)域，經(jīng)EDS分析(圖略)可知這些白色顆粒狀物質(zhì)為含Cr的氧化物，說(shuō)明涂層在噴涂時(shí)發(fā)生了一定程度的氧化。

圖2 Co基TiC金屬陶瓷涂層的表面形貌(20% TiC)Fig. 2 Surface morphology of Co-based TiC cermet coating with 20% TiC

2.2 涂層的顯微硬度

由圖3可以看出：涂層的顯微硬度分布不均勻，主要原因是涂層呈片層狀分布，片層接合處硬度較低，TiC處硬度較大；加入TiC后，涂層的硬度都有所提高，這表明TiC的加入可提高涂層的耐磨性，且隨著TiC含量的增加，涂層的顯微硬度呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)20%時(shí)，涂層的顯微硬度得到了明顯的提高。

圖3 Co基TiC金屬陶瓷涂層的顯微硬度Fig. 3 Microhardness of Co-based TiC cermet coatings

2.3 耐高溫腐蝕性能

由圖4可以看出：在高溫腐蝕過(guò)程中，GH586合金發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕；TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，10%，20%的涂層腐蝕不嚴(yán)重，所以其質(zhì)量損失很少；TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的涂層發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，這是由于涂層中陶瓷材料過(guò)多且團(tuán)聚在一起，導(dǎo)致高溫腐蝕過(guò)程中熱應(yīng)力較大引起的。

圖4 Co基TiC金屬陶瓷涂層和GH586合金的高溫腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線(900 ℃)Fig. 4 High-temperature corrosion kinetics curves of Co-based TiC cermet coatings and GH586 alloy at 900 ℃

由圖5可以看出： TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的涂層在高溫腐蝕1 h后，其腐蝕產(chǎn)物主要為針狀的θ-Al2O3，其間夾雜少量顆粒狀的α-Al2O3，而腐蝕5 h后，其腐蝕產(chǎn)物幾乎全部變?yōu)橹旅艿念w粒狀和長(zhǎng)條狀的α-Al2O3；隨高溫腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的涂層的腐蝕產(chǎn)物同樣發(fā)生了由針狀θ-Al2O3向顆粒狀和條狀α-Al2O3的轉(zhuǎn)變，但高溫腐蝕5 h后，轉(zhuǎn)變尚未完全，腐蝕產(chǎn)物中仍有針狀的θ-Al2O3；TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的涂層經(jīng)高溫腐蝕5 h后，局部區(qū)域發(fā)生過(guò)了脫落；TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的涂層經(jīng)高溫腐蝕5 h后，發(fā)生了較嚴(yán)重的脫落。

(a) 0% TiC，1 h (b) 0% TiC，5 h (c) 10% TiC，1 h (d) 10% TiC，5 h

(e) 20% TiC，1 h (f) 20% TiC，5 h (g) 30% TiC，1 h (h) 30% TiC，5 h圖5 900 ℃高溫腐蝕不同時(shí)間后Co基TiC金屬陶瓷涂層表面的SEM形貌Fig. 5 SEM morphology of surface of Co-based TiC cermet coatings corroded for different times at high temperature of 900 ℃

由圖6可以看到：高溫腐蝕后的涂層表面沒(méi)有檢測(cè)到Ti，Co，Ni等元素，但有少量Cr2O3。這說(shuō)明在高溫腐蝕過(guò)程中，Al優(yōu)先氧化生成了一層致密的Al2O3膜，該Al2O3膜阻止了其余元素的繼續(xù)氧化。

(a) 0% TiC

(b) 10% TiC圖6 900 ℃高溫腐蝕1 h后Co基TiC金屬陶瓷涂層的EDS譜Fig. 6 EDS spectra of Co-based TiC cermet coatings corroded for 1 h at high temperature of 900 ℃

3 結(jié)論

(1) TiC陶瓷顆粒與Co基粉體有良好的潤(rùn)濕性，呈現(xiàn)相互包裹的結(jié)構(gòu)，涂層結(jié)合緊密無(wú)缺陷。

(2) TiC的加入，提高了Co基TiC金屬陶瓷涂層的耐磨性，但TiC含量過(guò)高時(shí)，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致涂層的耐高溫腐蝕性能降低。TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，TiC顆粒在涂層中分布較為均勻，此時(shí)涂層的耐高溫腐蝕性能和耐磨性都較優(yōu)。

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Microstructure and High-Temperature Corrosion Resistance of Co-based TiC Cermet Coating Prepared by Plasma Spraying

CAO Jiangdong1, LIU Wei2

(1. School of Electromechanics, Nantong Shipping College, Nantong 226010, China； 2. NFAIC High Precision Transmission Co., Ltd., Zhuzhou 412002, China)

A Co-based TiC cermet coating on the sarface of GH586 alloy was prepared by plasma spray. The influence of TiC content on the microstructure and high-temperature corrosion resistance of the coating was investigated. The results showe that TiC ceramic particles had good wettability with Co powder. A microstructure of TiC particles and Co powder wrapping with each other formed and the coating was tightly bound to the substrate without defects. Addition of TiC in the Co-based alloy powder improved the abrasion resistance of the coating. However, the agglomeration became serious when the content of TiC was overhigh, which reduced the high-temperature corrosion resistance of the coating. The coating with 10% (mass) TiC showed excellent high-temperature corrosion resistance and abrasion resistance because TiC particles were evenly distributed in the coating.

plasma spraying; cermet coating; TiC; high-temperature corrosion resistance

10.11973/fsyfh-201706002

2015-11-24

江蘇省高校自然科學(xué)基金(16KJB430035); 南通市科技項(xiàng)目(GY12015032)

曹將棟(1979-)，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)楦邷睾辖鸬姆雷o(hù)，0513-85965530，caojd@ntsc.edu.cn

TG174

A

1005-748X(2017)06-0416-04