火焰喷涂镍铝合金柔性线材及涂层性能的研究
方波，田晔，王璐，杨树林，宋玺玉，魏明霞
热 喷 涂 技 术2009 年 12 月
摘 要：以镍铝合金粉末为主要原料，硅橡胶及相应的催化剂为粘接剂，采用挤压成型的方法制备了热障涂层底层用柔性线材；采用火焰喷涂方法制备了热障涂层，并对喷涂后涂层的硬度、结合强度、抗热震、以及高温抗氧化性能、涂层的微观结构等进行研究。试验表明，柔性线材具有很好的物理、化学性能，且喷涂后的涂层各项性能良好，均能满足热障涂层的使用要求。
关键词：镍铝合金粉末；挤压成型；硬度；结合强度；热冲击；微观结构；热喷涂
热障涂层技术主要应用于发动机热端部件上，不仅可以提高部件的抗热腐蚀能力，还可以进一步提高涡轮发动机的入口温度 TIT（Turbine InletTemperature），延长热端部件的使用寿命。研究表明，入口温度提高 100 ℃时，核心发动机的功率可以提高 20％，而且采用热障涂层可以减少近 4％的燃料损耗[1-5]。因其具有上述优良的抗高温氧化和抗热腐蚀性能，可以有效降低基体服役温度，对基体起到保护作用，从而得到越来越广泛的应用。
热障涂层的底层具有承上启下的作用，当涂层中含有适量的铝时，在喷涂过程中由于发生铝燃烧及含铝金属间化合物合成反应而在瞬间放出大量的热，从而有益于涂层内部颗粒间及颗粒与基体间的融合，提高涂层的结合力。本文主要介绍一种使用温度约为 850 ℃的镍铝合金底层用柔性材料的制备以及相应涂层的硬度、结合强度以及高温抗氧等性能的分析。
镍铝合金柔性线材具有防腐、抗高温、抗氧化等性能，与粉末喷涂材料相比，克服了组分容易产生成分偏析，所造成涂层微区成分的不均匀和性能的不稳定的现象，进而保证了涂层的性能。
1 试验过程与方法
1.1 原材料的选择
本文选用的热障涂层底层用材料的主要成份是北京矿冶研究总院采用高压气雾气冷工艺生产的镍铝合金粉末，此外还包括粘结作用的硅橡胶以及相应的催化剂等原料。镍铝合金粉末的形貌如图 1 所示。
图 1 显示，原材料镍铝合金粉末属于球形度较好的雾化颗粒。粉末的粒度分布如图 2 所示。从图 2 中可以看到，原料粉末的粒度呈正态分布。
本文选用的硅橡胶为无色、无味、粘稠状液体，具有优异的耐寒、耐热和电性能，加入一定量的催化剂硫化后能长期使用。
1.2 镍基柔性线材的制备
选择上述镍铝合金粉末材料，调整硅橡胶至适合粘度并加入相应的催化剂，通过挤压成型的方法制备热障涂层用镍基柔性底层用材料，对制备后的柔性底层材料进行化物理、化学等分析测试。
1.3 热障涂层的制备及喷涂后涂层性能试验
将上述方法制备的镍基柔性线材作为底层材料，采用火焰喷涂方法制备热障涂层，对喷涂后底层涂层的硬度、结合强度以及抗热震性能、高温抗氧化性能、微观组织形貌等进行测试研究。
1.4 检测方法
涂层采用显微硬度（HV0.2）表征硬度值；涂层的结合强度采用粘结拉伸法检测。试样与预喷砂的对接件采用树脂胶片粘结，190 ℃、保温2 h 的条件下固化；涂层的热冲击性能测试方法。首先将涂层样品在 850 ℃的箱式电阻炉中保温 10 min，放入冷水淬冷，观察涂层表面状态；采用金相显微镜观察喷涂后涂层的组织形貌。
2 试验结果与分析
2.1 柔性线材的形貌
通过在镍铝合金粉末原料中加入一定量的硅橡胶、催化剂，采用挤压成型方法制备的柔性线材的宏观照片及线材的断面照片如图 3 所示。
从图 3 宏观照片可以看出，线材表面光滑，没有气泡且直径分布均匀；从柔性线材断面照片看到，线材中粉末的填充量较高且填充均匀。上述特点均有利于线材的火焰喷涂。
2.2 热障涂层底层的制备
采用火焰喷涂方法制备几组以镍基柔性线材为底层材料的热障涂层。通过调整送丝速度、氧气、乙炔压力等确定最佳工艺参数如表 1 所示。
2.3 涂层性能检测
2.3.1 涂层的微观形貌
上述方法制备的热障涂层微观形貌如图 4所示。图 4 显示，柔性线材喷涂的底层各元素熔化状态较好，成分分布较均匀。
2.3.2 涂层的力学性能
采用拉伸法测定涂层的结合强度，结果如表 2所示。
从表 2 中可以看出，柔性线材涂层的结合强度均满足涂层的使用要求。底层柔性线材涂层的显微硬度分别为 360HV0.2、315 HV0.2 和 360 HV0.2，平均值为 345HV0.2，均在涂层使用范围内；采用 75（°）的弯曲角度为对上述涂层进行弯曲试验，发现涂层表面及断面均没有裂纹产生；同时在 850 ℃，保温10 min 进行涂层的抗热震性能检测，经过 20 次条件试验，涂层没有出现脱落、裂纹等现象，表明该涂层的热冲击性能良好；850 ℃条件下涂层的氧化增重曲线如图 5 所示。
从图 5 中看到，涂层在 850 ℃下增重不大，说明涂层的高温抗氧化性能良好。
3 结论
1．采用北京矿冶研究总院生产的镍铝合金粉末为主要原料，添加一定量的硅橡胶及相应的催化剂制备的热障涂层底层用柔性线材，成分分布均匀，线材中粉末填充量较高，线材直径均匀，没有气泡产生，有利于火焰喷涂。
2．上述方法制备的柔性底层材料，经火焰喷涂后，涂层的硬度、结合强度、热冲击、弯曲、高温抗氧化性能等性能均表现为良好；从涂层的微观结构观察，涂层各组分分布均匀。
参考文献略
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