CoNiCrAlY粒徑對制備CoNiCrAlY-Al₂O₃核殼結構粉末包覆率的影響

谷籽旺 郭文敏 張弘鱗 李文娟

摘 要：本文采用球磨法制備CoNiCrAlY-Al2O3核殼結構粉末，著重研究CoNiCrAlY粒徑對制備CoNiCrAlY-Al2O3核殼結構粉末的影響，旨在通過選擇CoNiCrAlY粒徑范圍制備包覆率較好的CoNiCrAlY-Al2O3核殼結構粉末。為提高球磨法制備核殼結構粉末包覆率提供經驗依據。結果表明粒徑越大的核殼結構粉體包覆效果越好，其中20～45μm粒徑范圍的NiCrCoAlY-Al2O3核殼結構粉體的平均包覆率可達62.8%。

關鍵詞：核殼結構;CoNiCrAlY涂層;球磨

CoNiCrAlY涂層具有黏附性良好、強度大以及優異的抗高溫氧化性等優點，作為黏結涂層廣泛應用于熱障涂層中，延長發動機的使用壽命并提高發動機效率[1，2]。近年來，由于效率的提高，發動機的運行溫度有所提高。需要進一步提高CoNiCrAlY涂層的性能以適應更高溫的環境。目前通常在涂層中添加氧化物彌散強化材料中增加抗氧化性[3]。但存在添加氧化物增強相在涂層內部分布不均勻、涂層性能不穩定。

研究表明，制備核殼結構粉體材料是一種有效的解決方案。核殼結構復合材料由芯核材料與外殼材料組成。通過表面改性技術在粉體表面制備一層厚度較薄的抗氧化層，可輕易實現易氧化或易分解材料在飛行過程中與氧氣有效隔離。采用球磨法制備核殼結構粉體有成本低、產量高等優點。王記中等[4]采用濕磨法，以形狀不規則、多棱角、顆粒大小不一、球形度差的TiB2粉末和呈球形或橢球形NiCrCoAlY粉末為原料制備了納米混合粉體。歐陽卓等[5]采用濕磨工藝直接將CoNiCrAlY合金粉末和MoSi2陶瓷粉末球磨復合。蔡龍龍[6]使用球磨法用Al2O3粉末和Ni60A合金粉末為原料制成Ni60A-Al2O3復合粉末。劉王強等[7]使用球磨法制備了Ni包Al包覆Fe基非晶合金復合粉末。Hatami等[8]使用球磨法將CoNiCrAlY合金粉末和氧化釔穩定的氧化鋯（YSZ）粉末球磨復合，由于制備的核殼結構復合粉末球形度差所制備的涂層抗氧化性能降低。綜上所述，熱噴涂涂層的組織結構與性能與核殼結構粉體的成型工藝密切相關。所報道的核殼復合粉體普遍存在包覆效果不好，球形度差等問題，影響涂層的抗氧化性能等。現有研究較少討論核殼復合粉體的粒徑與包覆效果的關系。本文利用粉體的核殼結構設計，使用高能球磨法讓優異抗氧化性能的Al2O3粉體包覆于CoNiCrAlY粉體原料，研究制備核殼結構粉體平均包覆率較優的粉體粒徑范圍。

1 實驗材料與方法

本實驗使用兩種粉末材料，一種為商用納米Al2O3粉末（長沙天久金屬材料有限公司，牌號：Titd-Al2O3，Al2O3含量≥99.7%），粒徑50～200nm，一種為商用CoNiCrAlY粉末（AMDRY 9951;Sulzer Metco），粒徑15～45μm，其化學成分如表1所示。CoNiCrAlY粉末與Al2O3粉末的SEM形貌如圖1所示，優選Al2O3粉末的加入量為10wt.%。

將NiCoCrAlY球形粉末以及Al2O3粉末在干燥箱中進行干燥，將干燥好的NiCrCoAlY粉末以及Al2O3粉末按比例與磨球放入球磨機中，按照表2所示工藝參數進行球磨，得到NiCrCoAlY-Al2O3核殼復合粉末。球磨處理采用的磨球為直徑15mm、直徑8mm和直徑5mm的316不銹鋼球，大中小球的數量比為1∶2∶4。用掃描電鏡（荷蘭Phenom proX掃描電子顯微鏡）進行觀察球磨后的包覆率與球形度，每個參數下的樣品隨機選取位置拍攝10張以上的圖像，通過Image pro plus圖像處理軟件計算每個復合粉末的粒徑與包覆率。

2 不同球磨條件下的核殼結構粉體粒徑對核殼結構粉體平均包覆率的影響規律

在球磨過程中，粉末被磨球強烈的撞擊、碾壓、揉搓后，產生了過量的塑性變形，形成了強烈晶格畸變、含有大量位錯的球磨顆粒，硬度大的小粒徑Al2O3粉末被擠壓入大粒徑NiCrCoAlY粉末，形成核殼結構粉體，因此NiCrCoAlY粉末的粒徑范圍對核殼結構的包覆效果也是有影響的，一般情況下Al2O3粉末顆粒與NiCrCoAlY粉末的粒徑相差越大越容易形成包覆完全的核殼結構粉體，超音速火焰噴涂粉末原料粒徑要求約為15～45μm。本實驗幾組實驗參數給出不同球磨條件下粒徑與平均包覆率的關系，參考本研究結果更易制備包覆率好的核殼結構粉體，粒度分布均勻、粒形圓潤、流動性好，適用于熱噴涂涂層制備。

在各個粒徑范圍內平均包覆率也最優，在20～45μm粒徑范圍平均包覆率高達85.4%。圖2是正交實驗核殼結構平均包覆率與粒徑的關系圖。可以發現，NiCrCoAlY-Al2O3核殼結構粉末平均包覆率隨著粒徑增大而增加。5～10μm粒徑范圍平均包覆率為13%，這一粒徑范圍較難形成包覆率好的核殼結構粉體，在球磨過程中也較先塑性變形。NiCrCoAlY-Al2O3粉末在10～20μm粒徑范圍平均包覆率有所提升，這一粒徑范圍的平均包覆率為34.2%。NiCrCoAlY粉末在20～30μm粒徑范圍平均包覆率為51.35%。NiCrCoAlY粉末在30～45μm粒徑范圍平均包覆率為74.22%。在20～45μm粒徑范圍的NiCrCoAlY-Al2O3粉末粉末平均包覆率達62.8%。因此在20～45μm粒徑范圍的NiCrCoAlY粉末更易制備包覆率好的NiCrCoAlY-Al2O3核殼結構粉體。

圖3是不同球磨轉速下粒徑與平均包覆率柱狀圖。可以看到球磨轉速從120r/min增加到180r/min，各個粒徑范圍的包覆率都有較大提升。5～10μm粒徑范圍平均包覆率從4.4%增加到5%。10～20μm粒徑范圍平均包覆率13.7%增加到42.6%。20～30μm粒徑范圍平均包覆率從25%增加到72.2%。大于等于30μm粒徑范圍平均包覆率從74%到75%。由正交分析可知，球磨轉速對于平均包覆率影響是較大，適當增加球磨轉速可提高核殼結構粉末的制備效率和包覆效果。

圖4是不同球料比下粒徑與平均包覆率柱狀圖。可以看到球料比從2∶1增加到5∶1，各個粒徑范圍的包覆率都有較大提升。5～10μm粒徑范圍平均包覆率從15.3%到5%。10～20μm粒徑范圍平均包覆率27.6%增加到42.6%。20～30μm粒徑范圍平均包覆率從61.5%增加到72.2%。大于等于30μm粒徑范圍平均包覆率從82.4%到75%。增加球磨時間有利于制備核殼結構復合粉末。

圖5是不同球磨時間下粒徑與平均包覆率柱狀圖。可以看到球料比從4h增加到6h，各個粒徑范圍的包覆率都有較大提升。5～10μm粒徑范圍平均包覆率從5%到41.6%。10～20μm粒徑范圍平均包覆率35.5%增加到67%。20～30μm粒徑范圍平均包覆率從57.5%增加到79.4%。大于等于30μm粒徑范圍平均包覆率從73%到91.4%。增加球料比有利于制備核殼結構復合粉末。

3 結論

初始粉末粒徑越大CoNiCrAlY粉體制備的核殼結構粉體包覆效果越好，用20～45μm粒徑范圍的NiCrCoAlY粉末更易制備包覆率好的NiCrCoAlY-Al2O3核殼結構粉體。5～10μm粒徑范圍平均包覆率為13%，NiCrCoAlY-Al2O3粉末在10～20μm粒徑范圍平均包覆率為34.2%。NiCrCoAlY粉末在20～30μm粒徑范圍平均包覆率為51.35%。NiCrCoAlY粉末在30～45μm粒徑范圍平均包覆率為74.22%。

參考文獻：

[1]Wen W，Jackson G A，Li H，et al.An experimental and numerical study of a CoNiCrAlY coating using miniature specimen testing techniques[J].International Journal of Mechanical Sciences，2019，157：348-356.

[2]VENKADESAN G，MUTHUSAMY J.Experimental investigation of Al2O3/8YSZ and CeO2/8YSZ plasma sprayed thermal barrier coating on diesel engine[J].Ceramics International，2019，45（3）：3166-3176.

[3]Vorkotter C，Hagen S P，Pintsuk G，et al.Oxide Dispersion Strengthened Bond Coats with Higher Alumina Content：Oxidation Resistance and Influence on Thermal Barrier Coating Lifetime[J].Oxidation of Metals，2019，92（3-4）：167-194.

[4]王記中.超音速火焰噴涂納米NiCrCoAlY-TiB2復合涂層粉體的制備與性能研究[D].華南理工大學，2017.

[5]歐陽卓.GH4169合金等離子噴涂（MoSi2-CoNiCrAlY）復合涂層及其高溫氧化性能研究[D].華南理工大學，2015.

[6]蔡龍龍.Al2O3顆粒增強Ni60A復合涂層組織與耐磨性能研究[D].蘭州理工大學，2016.

[7]劉王強.Ni包Al包覆調控Fe基非晶涂層結構及性能的研究[D].長安大學，2018.

[8]Hatami M，Naeimi F，Shamanian M，et al.High-Temperature Oxidation Behavior of Nano-structured CoNiCrAlY-YSZ Coatings Produced by HVOF Thermal Spray Technique[J].Oxidation of Metals，2018，90（1-2）：153-167.

基金項目：2018年湖南省自然科學基金青年基金（2018 JJ3477）;2017年湖南省教育廳優秀青年基金（17B237）;2019年湖南省研究生科研創新項目（CX20190969）

作者簡介：谷籽旺（1995— ），男，漢族，湖南郴州人，研究方向：材料加工技術。