热喷涂：超细 25%NiCr-Cr3C2粉末制备及HVOF 涂层性能研究
李振铎，曾克里，于月光
热 喷 涂 技 术
摘 要：本文采用超细碳化铬粉末通过团聚烧结工艺制备球形 25%NiCr-Cr3C2复合粉末，使用超音速火焰喷涂工艺制备耐高温磨损涂层，分析了超细 25%NiCr-Cr3C2复合粉末的化学成分和表面形貌，通过涂层的结合强度和显微硬度与常规粉末的对比实验，研究超细 Cr3C2颗粒对超音速火焰喷涂涂层的性能影响。
关键词：超细 25%NiCr-Cr3C2复合粉末；超音速火焰喷涂；团聚烧结
25%NiCr-Cr3C2复合粉末作为热喷涂常用的金属陶瓷粉末已经得到广泛的应用，常用于喷涂炉辊、锅炉四管，叶片该类粉末的制备技术日益成熟，以碳化铬颗粒作为主要硬化相的粉末主要用于抗高温磨损涂层[1-2]。制备技术目前有混合法、烧结破碎法和团聚烧结法等，主要目的是为了达到镍铬合金包覆碳化铬，以减少热喷涂过程的氧化和脱碳现象。目前市场大部分 25%NiCr-Cr3C2复合粉末中的碳化铬颗粒粒度在 2～6 μm，有些粉末的颗粒度甚至大到 10～16 μm，这些颗粒的粒度大小可以直接影响到涂层的致密度和硬质相的分布均匀性。从理论上来讲细的粉末可以形成致密化耐磨损的涂层，He Jianhong，Enrique J.L.采用高能搅拌球磨方式制备了纳米结构的 25%NiCr-Cr3C2复合粉末，其显微组织为镍铬合金组织中分布碳化铬相硬质点，超音速喷涂研究表明纳米涂层的耐磨损性能比常规粉末涂层提高 20%[3]。李长久等研究了烧结破碎法和团聚烧结法制备的 25%NiCr-Cr3C2复合粉末的显微硬度和耐磨损性能，结果也验证了 Cr3C2相粒度更细小均匀的团聚烧结粉末涂层，比硬质相粒度较大的烧结破碎粉末性能要好[4]。
超音速火焰喷涂（HVOF/AF）技术以其粒子飞行速度快、涂层致密度高、碳化物脱碳氧化度低等优点已广泛用于 25%NiCr-Cr3C2粉末喷涂。该技术需要的送粉粉末粒度多为团聚烧结制粒的球形粉末，粉末粒度范围在-45～10μm 之间。由于超音速喷涂速度快，粒子在焰流中的加热时间短，有些大颗粒的 25%NiCr-Cr3C2粉末熔化效果不好，扁平化不充分，在涂层中形成未熔颗粒，而这些颗粒是氧化物夹杂、显微裂纹和孔隙的主要源头，因此有些超音速喷涂设备的粉末要求更细的粒度范围。本文研究了一种 Cr3C2硬质相更加细小的 25%NiCr-Cr3C2粉末，并对其涂层性能加以研究。
1 实验
实验所用原料为镍铬（Ni80Cr20）合金粉末和碳化铬（Cr3C2）粉末，粉末的原始化学成分见表 1。先将成分配比为 25%的 NiCr 合金粉和 75% 的Cr3C2粉末在球磨混料机内混合 12～24 h。采用喷雾干燥制粒设备将含有粘合剂的原料料浆雾化成粒度为 28～74 μm 的球形颗粒。粉末经过烧结破碎工艺处理后，用44 μm和28 μm筛网进行粒度筛分。
同时，喷雾干燥后的粉末也采用等离子球化处理的方法替代热处理的烧结过程，所得的粉末用于与热处理过程的对比研究。用 Scott 漏斗法检测粉末的流动性和松装密度。
超音速火焰喷涂基体采用 45#钢，试样尺寸为40 mm×30 mm×5mm，表面用氧/乙炔火焰除油后，用铸造钢球喷砂。喷涂设备采用 GTV 氧/煤油超音速火焰喷涂系统，喷涂工艺参数为：氧气流量27 L/min，煤油流量 8 L/min，送粉量 40～60 g/min，送粉气流量 6 L/min，喷涂距离为 350 mm。喷涂样片采用线切割制成 10 mm×10 mm×5mm，试样剖面经襄样、剖光和腐蚀后用于金相观察和显微硬度测量。涂层显微组织用日立 HITACHI S-3500N 型扫描电子显微镜分析，维氏显微硬度仪用于测量涂层硬度。
2 结果与讨论
喷雾干燥制备的超细球形 25%NiCr- Cr3C2粉末形貌和剖面组织如图 1（a）、（b）所示，喷雾干燥粉末在未经热处理过程下表面由于粘合剂的存在较为光滑，大多数粉末呈球形，少量有“苹果状”形貌[5]。粉末的剖面组织为 NiCr 和 Cr3C2相在粘合剂作用下的机械混合状态，硬质相 Cr3C2相呈明显的棱角状结构，粉末心部存在较大的孔隙，为喷雾干燥粉末所特有的组织结构。经过烧结热处理后的25%NiCr-Cr3C2粉末形貌和剖面组织如图 1（c）（、d）所示，粉末表面为多孔的蜂窝状结构，呈面分布的NiCr 合金粘结相将细小的 Cr3C2相粘结在一起，同时 Cr3C2相自身也部分形成烧结颈构成粉末的骨架。粉末的剖面结构显示 NiCr 合金相润湿包裹Cr3C2相周围，同时由于烧结过程产生的液相收缩和粘结剂挥发，使得粉末内部存在连通状的孔隙，这种结构的存在有利于热喷涂过程中热量进入粉末内部，加速粉末的熔化过程，降低了涂层中未熔颗粒的存在风险。超细 25%NiCr- Cr3C2粉末经过等离子球化处理后的粉末形貌和剖面组织如图 1（e）、（f）所示，部分粉末表面可以看出 Cr3C2相被完全熔化的 NiCr 相所包裹，呈现“草莓状”结构，粉末由于完全收缩也变得不规则。另一部分粉末表面包括 Cr3C2相在内也完全熔化，快速冷却后呈致密化的球形组织。粉末剖面呈致密化的合金状态，内部的孔隙被合金相完全填补，达到了粉末冶金块体烧结的程度。
粉末的松装密度和流动性结果如表 2 所示，结果表明热处理过程和等离子球化过程能明显提高粉末的松装密度和流动性值，烧结过程使得粉末的致密化程度提高，硬质相和合金相由喷雾干燥状态的机械结合状态转变为烧结过程的半冶金结合状态，等离子球化处理使得粉末接近完全冶金结合状态。相对于热处理烧结过程，等离子球化处理过程制备的粉末具有最高的松装密度和最好的流动性能。
超音速火焰喷涂超细 25%NiCr- Cr3C2粉末涂层剖面显微组织如图 2 所示，金相组织表明粉末在超音速焰流中融化充分，涂层与基体的结合较为致密，涂层与基体的界面处没有明显的孔隙和显微裂纹等缺陷存在，部分结合面达到冶金结合状态。涂层显微组织是由NiCr合金粘结相包覆Cr3C2硬质相构成的层流状组织，银白色的为 NiCr 合金相，灰色块状的 Cr3C2相被合金相润湿包裹。涂层中未发现连通的孔隙结构，仅有少量的单独封闭状态的孔隙存在。由放大的扫描电镜照片可以看到，涂层中做为硬质相的 Cr3C2相颗粒形貌基本保持了粉末中的状态，在 NiCr 合金相的包覆下，喷涂过程中没有发生氧化或脱碳现象，涂层中也未发现明显的氧化物存在，说明超细 25%NiCr- Cr3C2粉末 HVOF喷涂性能较好。
超细25%NiCr-Cr3C2粉末HVOF涂层孔隙率经图像处理软件检测为 0.8%，远低于常规粉末喷涂层的孔隙率。显微硬度测量平均值为 HV0.3=1254，说明超细 Cr3C2相在涂层中分布均匀，较多细小硬质 Cr3C2相的存在起到第二相粒子弥散强化作用，大大提高了 HVOF 涂层的显微硬度。
3 结论
（1）超细 Cr3C2相颗粒与 NiCr 合金经喷雾干燥 制 粒 和 热 处 理 后 得 到 球 形 度 较 好 的25%NiCr-Cr3C2粉末，粉末流动性为 26.0 s /50 g，松装密度为 2.5 g/cm3，而经过等离子球化处理的粉末流动性和松装密度均为最高水平。
（2）超细 25%NiCr-Cr3C2粉末表面为多孔的球形表面，细小均匀的 Cr3C2颗粒在 NiCr 合金粘结下构成粉末的骨架。
（3）超音速火焰喷涂的 25%NiCr-Cr3C2涂层显微组织均匀致密，与基体的结合紧密，涂层孔隙率为 0.8%，涂层显微硬度为 HV0.3：1254。说明超细 Cr3C2颗粒在涂层中起到弥散强化作用，提高了涂层的机械性能。
参考文献略
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