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

（成都航利實業有限公司，成都 611936）

0 引言

壓氣機轉子葉片是航空發動機關鍵零部件，其作用是將輸入的機械能轉化為氣體內能，輸出高溫高壓的氣體。在航空發動機服役過程中壓氣機轉子葉片在激振力的作用下其榫頭與壓氣機盤的榫槽會產生摩擦磨損。由于榫頭與榫槽發生極小幅度的相對運動，其位移幅度為微米量級，所以榫頭部位產生的磨損為微動磨損。微動磨損的出現會降低壓氣機轉子葉片榫頭部位的疲勞極限，從而導致壓氣機轉子葉片失效，進而影響發動機飛行安全[1-3]。

為了提高壓氣機轉子葉片榫頭部位的抗微動磨損能力，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運動時的塑性能，是一種較為優異的抗微振磨損材料。目前，針對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滑涂層性能方面，而對等離子噴涂銅鋁涂層的工藝研究較少[4-6]。針對上述問題，本文通過正交實驗設計軟件對等離子噴涂銅鋁涂層過程中涂層硬度與等離子噴涂參數之間的響應關系進行了研究，建立了涂層硬度與各參數之間的響應關系，并通過排列組合優選出最佳工藝參數，再對篩選出的工藝參數進行驗證，從而為該類涂層的制備提供方法參考。

1 實驗

1.1 實驗材料

噴涂粉末采用礦冶科技集團提供的銅鋁粉末，粉末形貌如圖1所示，可以看出銅鋁粉末呈規則的球性。硬度試樣、金相試樣、結合強度試樣、彎曲試樣采用鈦合金進行制備，試樣尺寸及涂層厚度分別按照相關標準進行制備。

圖1 銅鋁粉末形貌

1.2 涂層制備

采用Unicoat-Pro等離子熱噴涂系統及F4MB等離子噴槍進行涂層制備，先利用Minitab實驗設計軟件，進行4因素2水平的硬度實驗，優選出符合工藝要求的參數后，再分別在優選的參數范圍內制備硬度試樣、金相試樣、結合強度試樣、彎曲試樣進行分析。

1.3 檢測設備及方法

涂層硬度測試采用HRS-45DM表面洛氏硬度計，硬度測試標尺為HR15T，測試5個點的硬度值，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行分析。采用粘膠法制備涂層結合強度試樣，結合強度測試在三思萬能拉伸試驗機上進行。涂層彎曲性能測試在專用彎曲工裝上進行，彎曲角度為170°，彎曲后檢查涂層脫落或開裂情況。

2 結果及分析

2.1 建立硬度與噴涂工藝參數關系模型

為了減少實驗次數，將送粉速率固定在30 g/min，采用Mintab軟件設計氬氣流量、氫氣流量、電流、噴涂距離的2水平1/2因子正交實驗參數表，如表1所示。

表1 正交實驗參數表

按照表1設計的實驗參數，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，涂層硬度測試結果如表2所示。

表2 涂層硬度測試結果HR15T

利用上述硬度測試結果，通過Mintab軟件進行因子分析，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。

涂層硬度的主效應圖如圖2所示，可以看出在實驗參數范圍內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 硬度主效應圖

2.2 優選工藝參數

利用正交實驗設計軟件建立起涂層硬度與等離子噴涂參數之間的響應關系后，輸入相應的噴涂參數值就可以對硬度值進行預測，但通過單組參數輸入很難優選出最佳工藝參數，為此本研究利用Excel排列組合公式，按表3所示規律，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5441組，再將硬度值公式導入上述排列組合之中，得出硬度和化學成分含量的預測值。

表3 參數排列組合設計準則

依據相關文獻可知[8]，適宜于發動機工況下的涂層硬度范圍為≥84 HR15T。為此本研究從各預測值中篩選出硬度值滿足指標要求且具備一定工藝窗口的參數，如表4所示。

表4 優選出的工藝參數

在表4所示的工藝參數范圍內，利用Mintab軟件進行正交實驗設計，并進行涂層硬度預測，得到的結果如表5所示。

表5 優選參數范圍內硬度預測值

2.3 涂層性能考核驗證

1）涂層硬度考核。按照表5設計的實驗參數，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，測試（測試5個點）的硬度平均值與預測值的比較如圖3所示。

圖3 涂層硬度測試平均值及預測值

可以看出，以中心參數（3號參數）為中心點，按一定公差范圍進行輻射后的涂層硬度值，仍然滿足≥84 HR15T的要求，說明篩選的工藝參數較為合適；同時，部分試樣預測硬度值與實測硬度值相差較大，這可能是由于測量誤差導致。對涂層硬度數據進行綜合分析可以發現：除4號試樣外，當氬氣流量較低時，其硬度也較低，說明氬氣流量是影響涂層硬度的主要因素，這與硬度主效應圖一致。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能增加，涂層變得更加致密，最終導致涂層硬度提高[9-12]。結合涂層硬度影響主效應圖可知：4號試樣在高氬氣流量下之所以出現較低的硬度，可能與其電流較低和噴涂距離較遠有關。

2）金相檢查結果。按照表5的實驗參數，制備了涂層金相試樣，檢查結果如圖4及表6所示，可以看出：涂層與基體界面的污染均在10%以內，涂層組織分布均勻、無裂紋，部分試樣涂層內部有精細和彌撒氧化物存在，但氧化物含量均小于5%；在試驗參數范圍內涂層內部空隙率均在3%以內，最大孔洞直徑小于10 μm，未熔顆粒百分數不超過3%，最大未熔顆粒直徑小于10 μm。結合涂層孔隙率、最大孔洞尺寸可以看出，與涂層硬度變化趨勢相對應，氬氣流量越大，涂層孔隙率越小，最大孔洞尺寸也越小。在所有實驗參數下，均未見明顯的未熔粒子，這是因為銅鋁合金的熔點較低，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果

圖4 涂層金相檢測結果（依次為：1#至9#）

3）結合強度測試結果。采用表5的試驗參數，噴涂了9組結合強度試樣，按照AMS C633對結合強度測試數據進行處理，得出涂層結合強度如圖5所示。

圖5 結合強度測試結果

由以上數據可以看出：涂層結合強度最低值為32.8 MPa，涂層結合強度也顯示出與組織相對應的變化趨勢，即氬氣流量越高，涂層組織越致密，對應的結合強度越高。

4）涂層彎曲性能測試。按照表5的試驗參數，噴涂了9組彎曲試樣（如圖6），按照標準要求，對涂層試樣進行170°彎曲測試，彎曲后涂層表面僅顯示出細微裂紋趨向，但未出現宏觀裂紋、起皮、剝落等缺陷，說明在實驗參數范圍內涂層結合性能優良。

圖6 噴涂的彎曲試樣及彎曲后

3 結論

1）通過正交實驗確定了等離子噴涂CuAl涂層過程中，涂層硬度與各噴涂參數之間的關系模型為：

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）利用正交實驗及排列組合相結合的方式，優選出了最優工藝參數，采用該最優工藝參數制備的涂層硬度預測結果與實測結果吻合性較好。

3）在最優工藝參數下涂層的平均結合強度均不小于23 MPa，滿足該涂層使用要求。

4）涂層孔隙率不超過3%，涂層最大孔洞尺寸約為8 μm，涂層未熔粒子百分數約為3%，最大未熔粒子尺寸約為8 μm；涂層彎曲170°后，未出現脫落起皮現象。