拉瓦尔喷嘴与直喷嘴对等离子喷涂NiCrAlY涂层组织及性能的影响
王枫，曾威，陈志坤
材 料 研 究 与 应 用
序言：拉瓦尔喷嘴与直喷嘴对等离子喷涂NiCrAlY涂层组织及性能有怎样的影响？其最后涂层组织和性能有什么变化？皆在文中有所介绍。
摘 要：分别用拉瓦尔喷嘴和直喷嘴，采用等离子喷涂方法制备NiCrAlY 涂层，并测试了不同喷嘴所制备的涂层的性能及组织的差异．试验结果表明：所制备的NiCrAlY 涂层均具有明显的层状组织，涂层颗粒界线明显；直喷嘴制备的NiCrAlY 涂层中有明显的未熔颗粒；拉瓦尔喷嘴制备的涂层与直喷嘴的相比，涂层显微硬度和结合强度更高.
关键词：等离子喷涂；NiCrAlY；拉瓦尔喷嘴；直喷嘴；未熔颗粒
随着航空工业的不断发展，航空企业对于提高航空发动机前进口温度、增加推重比、提升发动机部件在腐蚀及氧化等恶劣条件下的热效率等方面提出了更高的要求．由于航空发动机燃起温度超过1650℃[1-2]，已超出了一般材料的使用极限，须采用热障涂层对基体金属进行有效保护．等离子喷涂技术是目前应用成熟、广泛的热障涂层制备工艺．NiCrAlY 热障涂层具有良好的耐高温、耐腐蚀及耐磨性能，被应用于航空发动机涡轮叶片、隔热屏、燃烧室等部件上.
等离子喷涂的喷枪喷嘴对NiCrAlY 涂层性能影响较大，不少研究学者对喷嘴结构、喷嘴孔径进行了研究[3-4]．本文用拉瓦尔喷嘴和直喷嘴喷涂制备NiCrAlY 涂层，通过对两种喷嘴喷涂时颗粒温度与颗粒速度的实时监测，以及对涂层物相组织的分析，研究了两种喷嘴对喷涂涂层性能的影响因素.
1 试验部分
试样为304 不锈钢，规格为50mm×50mm×10mm．首先对试样进行喷砂处理，喷砂为粒径0.35mm的棕刚玉，喷砂压力为0.4 MPa．大气等离子喷涂采用MF-P-1500型高能等离子喷涂设备，喷枪为F6 直喷嘴和拉瓦尔喷嘴，拉瓦尔喷嘴内孔径为12mm，直喷嘴内孔径为6 mm，拉瓦尔喷嘴和直喷嘴形貌如图1 所示．喷涂热喷涂粉末为NiCrAlY 热喷涂粉末，该热喷涂粉末细小均匀，粒度为45~75μm，其成分及形貌分别见表1 和图2，等离子喷涂工艺参数列于表2.
在用拉瓦尔喷嘴和直喷嘴喷涂过程中，采用Spraywatch 3i 系统对粒子温度和粒子速度进行实时检测．用Leica DMIRM金相显微镜及 JSM 5910SEM扫描电子显微镜，对试样横截面进行显微组织形貌观察和分析．用MH- 5D 数字显微维氏硬度计测量涂层显微硬度，载荷为50g、加载时间为15s．用D/MAX-RC型X 射线衍射仪器分析涂层的物相组成. 用JDL-50KN 电子式拉力试验机测试涂层的结合强度.
2 结果与分析
2.1 等离子喷涂测温测速分析
在喷涂过程中，高速等离子焰流对热喷涂粉末粒子进行加热和加速，并使之撞击工件表面．粒子的温度及速度除与等离子弧功率、工作气体种类和流量、送粉气流量等工艺参数有关外，还和喷嘴形状及通径有关[5]．
用拉瓦尔喷嘴进行喷涂时，粒子的平均速度为67.8 m/s，粒子的平均温度为2627℃；用直喷嘴进行喷涂时，粒子的平均速度为151.9 m/s，粒子的平均温度为2688℃．由此可知，用两种喷嘴喷涂时粒子的温度相差不大，但用直喷嘴喷涂时粒子速度约为拉瓦尔喷嘴的2.5 倍．表明，用拉瓦尔喷嘴进行喷涂时，NiCrAlY 粒子被加热的时间长，熔化充分.
2.2 涂层组织与物相分析
图3 为等离子喷涂NiCrAlY 涂层的形貌图．从图3 可以看出，由直喷嘴和拉瓦尔喷嘴制备的NiCrAlY 涂层组织均具有明显的层片状结构，涂层中喷涂颗粒界限清晰，并可见颗粒界限位置有气孔.直喷嘴所制备的NiCrAlY 涂层中有部分未熔颗粒（图3（b）），同时对直喷嘴所制备的涂层进行分析发现，涂层中有不同大小及数量的未熔颗粒存在，其中每0.1 mm2宽的视场中未熔颗粒数量约为7 个，未熔颗粒粒径介于20~60μm．而拉瓦尔喷嘴所制备的NiCrAlY 涂层中未发现有未熔颗粒存在（图3（a）），且涂层致密性更高，层状组织更明显.
图4 为NiCrAlY 热喷涂粉末及涂层的XRD图谱．从图4 可以看出，NiCrAlY 热喷涂粉末主要是由Cr2Ni3 和AlNi3相组成，而NiCrAlY 涂层主要是由Cr2Ni3 相组成.
2.3 涂层性能分析
图5 至图7 分别为不同条件下各试样的孔隙率、显微硬度及拉伸性能的测试结果．从图5 可见，用拉瓦尔喷嘴所制备的NiCrAlY 涂层的孔隙率明显低于直喷嘴的．这是由于用直喷嘴制备涂层时，颗粒熔化效果不好，虽然颗粒拥有较大的速度、较大的动能，但未能完全熔化的颗粒表面张力较大，其需要更多的能量来克服表面张力的作用，从而降低了涂层的延展性，使涂层孔隙率较高．用拉瓦尔
喷嘴喷涂制备NICrAlY 涂层时，颗粒熔化效果较好，虽然粒子的速度较直喷嘴的慢，但熔融粒子表面张力较小，使粒子具有很好的延展性，因此涂层孔隙率较低.
从图6 可见，用拉瓦尔喷嘴喷涂制备的NiCrAlY 涂层的平均显微硬度值为267Hv，而用直喷嘴喷涂制备的NiCrAlY 涂层的平均显微硬度值为261Hv．
由于涂层中未熔颗粒能使涂层内部组织疏松，从而导致涂层的结合强度降低．从图7 可见：用拉瓦尔喷嘴喷涂所制备的涂层的拉伸强度均高于63MPa，其中2 号试样拉伸性能最好，平均拉力达到78MPa；而直喷嘴所制备的涂层的拉伸强度介于50~55MPa．
用直喷嘴喷涂制备的NiCrAlY 涂层与用拉瓦尔喷嘴的相比，其所制备的涂层孔隙率较高、结合强度较低，这主要是与喷涂过程中粒子温度及速度有关．用直喷嘴喷涂时，虽然粒子速度较快且容易使涂层与基体紧密结合，但是加热时间短，部分NiCrAlY 粒子熔化不完全，在涂层中残留有NiCrAlY 未熔颗粒，从而影响了涂层的致密性及结合强度．用拉瓦尔喷嘴喷涂时，虽然NiCrAlY 粒子速度较低，但是粒子在焰流中加热时间长，能够更好的熔化，涂层中没有未熔颗粒，从而改善了涂层致密性及结合性能.
3 结论
等离子喷涂NiCrAlY 涂层具有明显的层状结构，颗粒界限明显．拉瓦尔喷嘴和直喷嘴对NiCrAlY粒子温度及粒子速度影响很大．用拉瓦尔喷嘴喷涂制备NiCrAlY 涂层时，虽然粒子速度较低，但NiCrAlY 颗粒熔化充分，涂层中无未熔颗粒，涂层显微硬度较高、拉伸性能较好．用直喷嘴制备涂层时，虽然热喷涂粉末粒子速度快，但加热时间短，涂层中有未熔颗粒出现，使涂层的致密性及结合性能降低，涂层孔隙率增大.
图略
参考文献略
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