真空雾化法制备MCrAITaY合金热喷涂粉末
陈美英，胡敦元，孙建刚，王虎年
热喷涂技术
序：MCrAITaY合金热喷涂粉末在热喷涂行业应用一直很广泛，那这种热喷涂粉末的制备技术的提高对热喷涂制备涂层十分重要，本文介绍了真空雾化法制备MCrAITaY合金热喷涂粉末。
摘要：为了满足现代航空发动机高推比的要求，用真空雾化法制备了MCrAITaY合金热喷涂粉末，同时对合金热喷涂粉末的相貌、微观组织和合金元素的作用进行了分析。研究结果表明：用该技术生产的热喷涂粉末球形度高，微观组织均匀，第二相的析出细小，保证了满足涂层的使用性能。
关键词：热喷涂；热喷涂粉末；真空雾化；MCrAlTaY合金
现代航空发动机中的涡轮叶片几乎完全是用高温合金来制造的，高温合金的使用，可使得涡轮进气口温度提高。而对于发动机来说，提高涡轮前端温度是提高发动机的单位推力、推重比的最有效的手段，而工作温度的提高，对热端部件提出了高温抗氧化、磨损等性能。除了改善叶片材料外，目前普遍采用的方法是：以高温、高强度的耐热合金作为基体，在表面涂覆一层抗高温氧化和耐磨蚀性能优异的涂层材料。显而易见涂层材料的性能是影响被喷涂热端部件乃至整个发动机性能的重要因素。这就要求涂层必须同时满足以下两个基本要求：(1)．保证涂层与基体的可靠结合；(2)要求涂层在高温下满足抗氧化磨损等要求。因此，我们在原有的MCrAJY高温合金的基础上研制开发了一种新型的高温合金热喷涂粉末一MCrAITaY来满足其要求。
为了使喷涂后涂层组织均匀、结合好，要求研制的MCrAITaY高温合金热喷涂粉末的氧、杂质含量低，只有在全系统的真空雾化装置中生产才能达到这些指标。
l 实验
1．1实验主要设备
本实验主要设备由以下六部分组成：a熔炼系统；b真空系统；c雾化系统；d供气系统；e冷却
水循环系统；f热喷涂粉末收集系统。
1．2工艺流程
雾化制粉是将原料在坩埚中加热熔化，熔化坩埚在雾化室的上方，熔化过程中用N2或其他惰性气体保护。液体金属从坩埚的底部导流管流出，进入雾化室，液流的直径与导流管的直径相同。高压高速的惰性气体经雾化喷嘴冲击熔融合金液流，将液流雾化成弥散细小的液态颗粒，待这些液态小颗粒冷却凝固后，就得到金属热喷涂粉末。其流程为：热喷涂粉末材料成分设计—冶炼—雾化—筛分—检验—包装。
1．3实验方法
按一定的原则装料(包括金属M、金属铬块、钽片、电解铝、金属钇块、硅块和碳粉)，由于难熔金属钽的熔点高达2960℃，可先在坩埚底部加入少量的金属M形成初期熔池，然后将金属钽置于坩埚中下部。如果金属钽置于中上部时，在熔化初期由于感应电流的集肤效应，炉料逐层熔化，这种逐层熔化的过程对于去除气体和去除非金属夹杂物是非常有利的。但也正是由于这种熔化过程，出于底部的组份先熔化导致上部炉料下沉，而难熔金属钽的熔点过高，在金属钽还没有熔化时下部熔料已经下沉，导致熔池与钽片脱离解除，钽片容易形成“架桥”现象，延长熔炼时间。稀土元素钇的蒸汽压较高，属于容易挥发的元素，所以应该后加料，再加上考虑真空雾化炉的具体结构，应该对金属钇采用加料斗加料方式进行。关炉盖后先开机械泵粗抽真空，再开真空泵抽真空，达到5×l0-3Pa后停止抽真空，开始升温，待炉内温度达到900℃(即此时炉内压力稍高于金属cr在该温度的平衡蒸气压)左右时再反充惰性气体保护避免一些金属元素的蒸发。等到炉料熔清时，降低功率。通过中间加料斗加入金属钇和铝，然后高功率熔炼使得炉料均匀，并保持一定功率来保证熔融金属液体的温度开始通气体雾化。待冷却完毕后收集热喷涂粉末，筛分取样。
2真空雾化法制备的MCrAITaY的形貌及
显微组织在自制的雾化喷嘴下，经过选择合理的冶炼雾化工艺参数，获得了理想粒度范围内的热喷涂粉末，如图1所示。
由图l可以看出，热喷涂粉末中颗粒的形貌为球形，且球形度很好，这就大大地提高了合金热喷涂粉末的流动性及松装密度。流动性好保证了在喷涂过程中喷枪的送粉畅通，以获得质量高的涂层。松装密度是热喷涂粉末体的一个综合性能，受材料的种类和成分、热喷涂粉末的形状、粒度和粒度分布、热喷涂粉末内含气体的量及热喷涂粉末表面干燥程度等表面状态诸因素的影响。由于该热喷涂粉末是在全系统的真空设备下制备的，材料的真密度大，热喷涂粉末的球形好，则松装密度大，喷涂时热喷涂粉末的沉积速率高。
在SEM上作能谱分析。图2为该合金在显微镜下的能谱分析。
由图1及图2可知：稀土元素Y和稀有元素Ta在合金中形成细小的化合物，起弥散强化、细化晶粒的作用。Al的加入，是为了使MCrAlYTa涂层在高温及氧化的条件下形成保护性的A1203膜，保护基体，防止其被氧化；加入Cr不仅可改善涂层抗热腐蚀性能，而且能促进A1203膜的形成：Ta的加入是为了提高涂层的使用温度，另外Ta可以起到氧的“俘获”者作用，增加Al的活度促进表面A1203的生成。Ta是固溶于基体相中的硬质相，来不及析出，在涂层中起固溶强化的作用，颜色较浅相为Ta及Ta和Y的固溶体；Y的加入起活性元素效应，可以提高合金的抗氧化能力。其作用机理为：1)形成的富Y相对A1203膜起钉扎作用，将A1203膜与涂层基体紧紧“锚住”；2)富Y相的弥散分布，防止了交变空位聚集于A1203膜与涂层基体界面；3)通过Y在界面的优先偏析，增加了膜与基体间的黏附力；4)富Y相缩短了膜的形成过程。由此可知，由MCrAITaY热喷涂粉末喷涂后形成的涂层具有很好的性能。
3结语
1．利用真空雾化技术可以制备高温合金热喷涂粉末MCrAlTaY：
2．真空雾化技术制备的MCrAITaY合金热喷涂粉末的球形度高，微观组织细小均匀，其性能能满足现代航空发动机的需求。
参考文献略
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