底層粉末粒徑對碳化鉻-鎳鉻鋁釔涂層性能影響

何斐

中國航發常州蘭翔機械有限責任公司 江蘇常州 213022

1 序言

某航空發動機中間擴散機匣基體材料為K438高溫合金，其局部表面需噴涂碳化鉻-鎳鉻鋁釔涂層以提高耐磨性能。碳化鉻-鎳鉻鋁釔涂層是一種常用的高溫耐磨涂層，它不僅具有很強的耐磨性能，同時還有優良的抗熱腐蝕和抗氧化性能，最高工作溫度可達870℃，能夠滿足零件在高溫、劇烈振動等工作環境下的性能要求。爆炸噴涂是一種先進的致密涂層制備技術，其氣流溫度高（達3500~4000℃）、沖擊力大、粉末飛行速度快（達1200~1500m/s），制備的涂層具有片層狀、結構細小、結合力強及孔隙率低等優點[1-3]。

因此，在中間擴散機匣的正式工藝中，采用了爆炸噴涂方法對該零件進行碳化鉻-鎳鉻鋁釔涂層的制備， 并進行了多批次零件的生產加工。然而，在發動機研制前期試車過程中，部分中間擴散機匣碳化鉻-鎳鉻鋁釔涂層出現不同程度的開裂、剝落現象，失效分析發現涂層剝落處界面存在大尺寸鎳鉻鋁釔底層殘留，且底層局部存在較大未熔顆粒，初步結論為底層粉末粒徑過大所致。為此，開展了粉末粒徑對涂層性能影響的試驗。

2 試驗

制備兩種碳化鉻-鎳鉻鋁釔涂層，所選用的面層材料均為Mecto 5546NS噴涂粉末，而底層材料則選用粒徑尺寸不同的兩種NiCrAlY噴涂粉末，見表1。

表1 涂層原材料使用

使用爆炸噴涂設備（型號：CCDS 2000）并采用經固化穩定后的工藝對兩組試片進行涂層制備。針對兩種不同粒徑NiCrAlY底層粉末制備涂層性能進行表征分析，具體分析如下。

（1）涂層金相組織 采用掃描電子顯微鏡（FEI Quanta 600）對涂層金相組織進行觀察，在200倍下觀察涂層的孔隙率、未熔顆粒和界面污染物。

（2）涂層成分 采用掃描電子顯微鏡自帶的EDS能譜儀對涂層的成分組成進行分析。

（3）涂層厚度 采用掃描電子顯微鏡自帶的尺寸測量軟件對涂層厚度進行分析。

（4）涂層顯微硬度 按HB 5486—1991采用顯微硬度計對涂層的顯微硬度進行檢測，載荷300g（1kg=9.8N），保持時間15s。

（5）涂層結合強度 按HB 5476—1991采用電子拉伸試驗機對涂層的結合強度進行分析，加載速度1.27mm/min。

3 結果與討論

3.1 涂層金相組織

通過對不同涂層金相組織背散射照片（見圖1）觀察發現，兩種不同底層粉末制備的涂層均連續致密，無裂紋、界面分離等現象出現。

不同涂層金相組織的二次電子照片如圖2所示，表2為兩種涂層具體孔隙率、未熔顆粒和界面污染物數值對比。從中可以看出，兩種涂層的孔隙率、未熔顆粒及界面污染物差別不大，且均符合工藝要求值。相較而言，細粉制備的涂層未熔顆粒及界面污染物數值稍低。

圖1 不同涂層金相組織背散射照片

圖2 不同涂層金相組織二次電子照片

表2 不同涂層孔隙率、未熔顆粒和界面污染物數值（%）

3.2 涂層成分

圖3 為兩種涂層面層成分分析圖譜，從中可以看出所制備涂層主要成分為Cr、Ni、Al、Y，涂層為Cr3C2與NiCrAlY的混合組分，其中粗粉涂層成分分析區域由于存在較多淺灰色的NiCrAlY組分，Ni含量增加。

兩種涂層底層成分分析圖譜如圖4所示。分析結果表明，兩種粒徑NiCrAlY粉末制備的底層成分基本一致，均符合粉末組成成分驗收要求。

3.3 涂層厚度

從粗粉底層制備的涂層厚度分析（見圖5）可以看出，粗粉底層厚度均勻性較差，底層某些部位厚度達0.122mm，超出了工藝要求值范圍（0.01~0.08mm）。

由細粉底層制備的涂層厚度分析（見圖6）結果得出，細粉底層厚度均勻性較好，均在工藝要求值范圍內（0.01~0.08mm）。

通過分析不同涂層底層厚度均值及偏差（見圖7）可以看出，采用細粉噴涂底層的厚度均值及偏差均得到了顯著改善。

3.4 涂層顯微硬度

鑒于涂層經高溫使用后的硬度變化，除對兩種涂層進行硬度檢測對比外，增加了一組經800℃保持5h高溫處理的粗粉涂層試樣。表3及表4分別為兩種底層、面層顯微硬度檢測值，表5為高溫處理前后粗粉涂層顯微硬度檢測值。

從表3、表4中看出，兩種粒徑粉末制備的底層及面層顯微硬度較為接近，差異不明顯，細粉涂層硬度稍高。

圖3 兩種涂層面層成分分析

圖4 兩種涂層底層成分分析

圖5 粗粉涂層厚度

圖6 細粉涂層厚度

圖7 兩種涂層底層厚度均值及偏差

表3 兩種涂層底層顯微硬度 （HV）

表4 兩種涂層面層顯微硬度 （HV）

表5 高溫處理前后粗粉涂層顯微硬度 （HV）

由表5和圖8可以看出，經熱處理后無論是底層還是面層顯微硬度均顯著增加。

3.5 涂層結合強度

不同粒徑粉末制備涂層的結合強度見表6、如圖9所示，從中可以看出，兩種涂層的結合強度均滿足≥35MPa的技術指標要求，但底層采用細粉噴涂制備涂層的結合強度達58.7MPa，顯著高于底層粗粉制備涂層結合強度（39.7MPa）。

圖8 熱處理前后涂層硬度對比

表6 不同底層粉末制備涂層結合強度 （MPa）

圖9 底層粗、細粉制備涂層結合強度

3.6 分析討論

在該零件中，對于涂層底層的厚度要求為10~80μm，實際噴涂加工過程中選用的NiCrAlY底層粉末牌號為Amdry962，其粒徑為53~106μm，該粉末粒徑較大且粒徑分布范圍較寬，單個粉末顆粒尺寸即可達到噴涂涂層厚度尺寸，而粒徑大于106μm的粉末占到1.0%。在噴涂過程中，大于80μm粒徑的粉末顆粒經噴涂后容易形成局部凸起形貌（見圖1、圖2中的底層凸起），而不規則的底層凸起形貌在后續噴面層時容易產生遮擋效應（見圖10），從而成為底層/面層界面處的薄弱點和裂紋源，導致在工作過程中涂層剝落。

圖10 底層凸起與面層之間連接

4 結束語

1）兩種粒徑底層粉末制備的涂層顯微組織（孔隙率、未熔顆粒及界面污染物）、組成成分及顯微硬度差別不大，均符合工藝要求值。相較而言，細粉制備的涂層未熔顆粒及界面污染物指標稍低，且顯微硬度略高。

2）細粉底層的厚度均勻性顯著優于粗粉制備底層的厚度均勻性。

3）底層采用細粉制備的涂層結合強度可達58.7M P a，顯著高于粗粉制備涂層結合強度（39.7MPa）。

4）在零件后續噴涂加工中采用細粉制備涂層，零件涂層經試車后未再出現開裂、剝落問題，涂層質量穩定性顯著提高。