一种 CoNi 基雾化粉末制备及涂层性能
崔颖，田玉亮，刘海飞，杨晓剑，马江虹
热 喷 涂 技 术2012 年 9 月
摘 要： 本文主要研究了一种 CoNi 基合金粉末的制备工艺及喷涂后相关涂层的性能。 用 XRD、SEM、EDS 分别测定了合金、粉末、涂层的相组成和表面形貌。 结果表明合金组织为枝晶状，无明显的元素偏析；合金粉末呈类球形；涂层显微硬度 450HV0.3，涂层结合强度为 50MPa。
关键词： 雾化粉末；CoNi 基合金；涂层；热喷涂
Co 基合金由于具有优良的抗热腐蚀性能，在高温环境应用较广泛， 但 Co 作为一种战略资源[1]，在我国十分稀缺， 结构合金应用较少，其应用主要集中在高温喷涂粉末。 目前，国内外对该材料的研究多集中于涂层工艺及性能，而关于涂层一体化制备整体过程报道较少。 本文主要针对某种 CoNi 基合金材料粉末制备及涂层性能进行了研究。
1 实验材料及方法
实验用 CoNi 基合金包含 CrAlTaY 等元素，具体配料成分如下：Ni22%，Cr25%，Al7.5%，Ta10%，Y1.5%，Si0.5%，Co 余量，所研究合金部位截取自铸锭中心。 雾化粉末制备工艺采用真空熔炼铸锭，二次真空雾化。合金粉末制备技术参数：紧耦合喷嘴，雾化介质为高纯氩气，雾化压力为 2MPa，导流管直径为 8mm。
涂 层 制 备 采 用 HVOF 喷 涂 ， 基 体 材 料 为GH4169， 喷 涂 工 艺 参 数 ： 煤 油 26L/min； 氧 气900L/min；氧 / 燃比 1.04；燃烧室压力 8.72MPa；喷涂距离 360mm；送粉率 9.0plm。
采用 HITACHIS-3500 扫描电镜观察及随身携带的能谱测定合金、 雾化粉末以及涂层形貌和成分。利用 XRD 测定合金、粉末、涂层的相组成，运用电子万能拉伸实验机测试涂层的结合强度。
2 实验结果及分析
2.1 合金铸锭组织
如图 1 所示，CoNi 基合金呈现明显的枝晶结构，局部区域有明显的孔洞，上述缺陷主要是冶炼工艺及合金材料的组成造成的。
对 CoNi 基合金组织的分析显示其相组成为CoNi 基固容体、Ni3Al 以及少量 α-Cr，见图 2。与 Co 基合金相比，CoNi 基合金元素分布较均匀，无大块 Ta 状物存在（ 结果见图 3）[2]，但该 合金共晶组织中的 Ta 含量要高于基体（ 基体 Ta 元素含量仅为共晶部位含量的 70%），Ni 含量低于基体（ 共晶部位 Ni 元素含量仅为基体的 90%） 。
据文献[3]报道，真空感应熔炼能很好的保证合金的化学成分， 经检测熔炼后合金元素成分为：Ni23.18，Cr25.89，Al7.52，Y0.45，Si0.56。 除 Y 元 素有大量的损耗， 其它元素化学成分控制较精准，但组织内存在元素偏析。 CoNi 基合金整体元素的偏析程度要低于 Co 基合金，其元素分布见图 4。 可以看出 Cr、Al、Ni、Y 等元素分布相对均匀，但 Ta 有较重的偏析。 CoNi 基合金元素偏析原因是局部区域Ta 元素在快速冷凝过程，最后凝固区域 Ta 元素富集达到其饱和度，而以 CoN（i TaCr） 固容体的形式析出。
2.2 雾化粉末形貌
采用真空制备的合金粉末，表面光洁，卫星球较少，如图 5 所示。雾化合金粉末表面有明显的枝晶结构，将真空雾化粉测定物理性能：松比在 4.7 左右，流动性小于 15s/50g，远优于其它合金粉末，而且能满足喷涂使用要求；粉末化学成分分析结果表明，合金雾化 Al、Y 元素存在烧损，但 Y 的烧损还是较大，但总体都在成分范围内。 对合金剖面分析的结果表明， 与 Co 基含 Ta 合金粉末相比，CoNi 基合金粉末剖面内无 Ta 片析出， 具体机理仍需进一步研究，此外对粉末进行 EDS 分析，可以看出粉末元素分布较均匀，无多大的偏析。 分析结果如图 6 所示。
与合金铸锭组织不同，雾化粉末相较简单，大部分是 α-Cr，以及少量的 CoNi 基固容体，Ni3Al，XRD 图谱如图 7 所示。 雾化粉末呈现这种结构主要是合金液雾化过程中， 雾化媒介高纯氩气有极强的冷却能力， 使所雾化的粉末从高温瞬间到达常温态， 无足够的时效时间使大量的 Ni3Al 析出，从而保证了粉末所含相结构为原始铸态组织，粉末成分偏析少。
2.3 涂层形貌及性能
将雾化粉末烘干，采用 HVOF 工艺进行制备。涂层表面形貌及相组成如图 8 所示：涂层致密，孔隙较少。 涂层相组成为 CoNi 基固容体、Ni3Al 以及对涂层显微硬度的测定，在载荷为 50g，加载时间为 15s 的条件下，经过多次测量测得涂层显微硬度为 450HV50，远低于用 D-Gun 喷涂工艺喷涂的Co 基 MCrAlY（ 其显微硬度为 750HV300） 。 可能原因是涂层中 Ni 元素的引入，明显降低涂层的硬度，文献[4-6]也表明，Ni 基 MCrAlY 显微硬度要明显低于Co 基，而工艺的影响相对较小。 此外涂层的结合强度为 50MPa，此值不是太高，可能与喷涂参数有关，具体原因还需要进一步探究。
3 结论
（ 1） 合金组织为枝晶状，无明显的元素偏析；（ 2 ） 粉末呈类球型，卫星球较少；（ 3 ） 涂层显微硬 度 450HV0.3，涂层结合强度为50MPa。
参考文献略
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