高温可磨耗复合梯度涂层喷涂工艺研究
王斌利，周莉，黄宝庆
热 喷 涂 技 术2011年12月
摘 要：按照常压等离子喷涂工艺路线，选择合理的喷涂工艺参数和复合喷涂材料的配比，使用常压等离子喷涂设备在发动机结构件上制备出了高温可磨耗复合梯度封严涂层。对该涂层显微组织、EDS 微区成分、涂层组织抗氧化性和涂层氧化增重曲线的测试分析表明，涂层的结构和性能符合相关标准，制备的涂层达到了高温可磨耗封严涂层的使用要求，并已得到实际应用。
关键词：复合梯度涂层；高温可磨耗封严；常压等离子喷涂
发动机高压涡轮结构件部位对气隙封严有很高的要求，在其上喷涂高温可磨耗封严涂层以保证发动机的工作效率、降低油耗率，是近年来航空发动机采用的一项最新工艺。国外有采用高压粉末压制成型技术进行封严涂层的制备，其工艺为将 MCrAlY 粉末经高温高压直接制成可以使用的零件；国内则大多采用低压等离子喷涂 MCrAlY的工艺进行涂层制备，并成功获得了高温可磨耗封严涂层。低压等离子设备昂贵，不易维修，且加工效率较低。本课题探索采用常压等离子喷涂工艺方法，制备复合梯度高温可磨耗封严涂层，实现高压涡轮结构件的气隙封严涂层的制备，其具有很大的现实意义。
1 实验条件及方法
1.1 实验条件
1.1.1 实验制备
选用苏尔寿美科公司 UniCoat 常压等离子喷涂系统，喷枪为 F4- MB,采用 IRB2400 机械手自动控制。同时，通过在线检测设备，对涂层喷涂过程粒子速度进行了同步实时检测。
1.1.2 喷涂材料选择
热喷涂的材料种类有很多，但作为高温可磨耗封严的材料却寥寥无几，特别是要达到高温抗氧化性能就更是很少。其基本设计思想是利用具有较低导热系数和良好耐高温等性能的材料，使其以涂层形式和基体复合，来提高结构件的使用性能和寿命。结合现有材料体系，选用喷涂材料分别为MCrAlY 粉末、粘结材料、填充物等。
（1）合金铬铝钇材料:MCrAlY 合金粉末属多元合金（M一般为镍、镍钴合金），在镍铬、镍钴铬合金中加入铝可在高温下形成 Cr2O3与 Al203的复合氧化薄膜，这层薄膜十分致密，韧性好，附着牢固，熔点高，高温化学粉定性好，有优良的抗高温氧化性和抗热震性。在合金加入少量的钇，可喷涂制备800~1100℃抗高温氧化涂层和高温热障陶瓷涂层的粘接粘结层。
（2）粘结材料:由于 MCrAlY 在常压等离子喷涂过程中会形成氧化物，氧化物的存在对涂层性能会有一定的影响。为了减少氧化物对涂层结合强度的影响，在 MCrAlY 粉末中添加入一定量的粘结材料。
（3）填充物；填充物的加入会降低涂层硬度。得到合适的多孔结构合金涂层，同时会形成相对较厚的涂层结构件。
1.1.3 涂层结构设计
目前，热喷涂涂层的结构主要可分为单层结构、双层结构，多层结构和梯度结构 4 种结构形式。为提高涂层的抗氧化性能和力学性能，延长涂层使用寿命，提出了梯度涂层，使涂层的化学成分、组织结构及力学性能沿涂层厚度方向呈连续变化，实现涂层与母材的最佳性能匹配，提高其结合强度，并使涂层中热应力梯度得到缓解，防止涂层的剥落。
从图 1 零件设计结构显示，采用的是多层结构的涂层结构形式，粘结层、中间层和使用层，但对于三层涂层来说，每一层涂层都是复合型混合涂层，显微结构显示，其涂层结构实现了梯度功能变化。
因此，采用常压等离子喷涂方法制备合金金属梯度涂层。方法是将金属合金和其它粉末通过双送粉器或预先混合团聚，通过控制送粉盘的转数，实现不同粉末配比，粉末被分次先后送入高温等离子射流中，形成粘结层、中间层和使用层梯度功能材料涂层。它实现了两种或多种成分之间的连续变化。图2 是通过 Spray watch 在线检测，测得的等离子喷涂MCrAlY 粒子在喷涂过程中的温度和速度分布。
该复合梯度涂层的特点是，涂层间结构组织相对致密，粘结层和基体之间有良好的结合力，通过特种工艺造孔实施，达到降低涂层硬度的目的，获得最佳孔隙率及其分布，实现了封严功能。
1.2 涂层的性能实验方法
对等离子喷涂 MCrAlY 形成的梯度功能涂层式样进行了高温氧化动力学实验，测定涂层试样随氧化时间增加的拉伸结合强度；并采用高分辨扫描电镜和能谱仪，对涂层试样结构和高温氧化后的显微形貌进行分析，进一步研究喷涂工艺材料和喷涂材料对涂层结合强度和抗氧化性能的影响规律等。
2 实验结果与讨论
2.1 涂层的金相显微组织结果
按不同工艺方法喷涂合金铬铝钇粉末，是形成优良涂层重要步骤，图 3 为梯度涂层显微组织结构。图 3a 显示了等离子喷涂复合梯度涂层靠近基体断面形貌图，金属合金相中孔隙较小，未出过熔和严重氧化现象，氧化物为间断分散分布；一些较粗大的粒子显示，涂层中有半熔化的颗粒存在；不存在微观裂纹，其它合金相间熔化良好充分；涂层的片层状结构致密，结合紧密。图 3b 常压等离子喷涂的复合梯度涂层靠近外部的断面形貌图。表明MCrAlY 粉末经等离子射流加热熔融，高速喷射到基体上，急速冷却后，由于实现了连续梯度变化，涂层中形成一定的孔隙，孔隙间分布相对均匀，合金相间相对稳定。
从图 3 可以看出，涂层与基体、涂层与涂层之间结合良好，氧化物较少，孔隙较均匀。
2.2 涂层 EDS 成分结果
由表 1 和表 2 可以看出，原始涂层不同部位涂层成分是有变化，靠近基体内侧涂层，由于添加了其它材料缘故，镍和铝元素含量相对比原始涂层靠近表层测涂层高，而外层元素在增加，说明涂层在发生变化，涂层梯度功能是实现的。
2.3 涂层的结合强度
按 GB8642- 88 用胶接拉伸法测涂层试样经1000℃ 不同氧化时间后结合强度 。 拉伸速度1mm/min，并分析胶接面断开的情况，得到涂层结合强度。
σb=F/A （1）
其中 A 为涂层与基体剥离处的实际面积；F 为涂层间的拉伸力。MCrAlY 梯度涂层 1000℃、（0~400）H 氧化实验不同阶段取样的结合强度测试，图 4 表示了原始试样和四种不同氧化时间的涂层试样结合强度变化情况。
由图 4 测得涂层试样经 1000℃不同氧化时间后的结合强度变化规律表明，随着氧化时间的增加，涂层与基体结合强度呈下降趋势，超过 300H后，结合强度几乎不再下降，趋于稳定。
2.4 MCrAlY 涂层抗氧化性能测试性能分析
由图 5 可看出，由常压等离子喷涂的原始状态（未经过高温氧化）组织主要含有 Ni、Cr、Al、O等元素。在高分辨线扫描成分分布可明显看出，喷涂态组织中，各元素分布较均匀，其中 Al 与 O峰吻合很好，表明喷涂过程中 Al 优先氧化，但氧化程度较轻；而涂层中 Ni 峰和 O 峰恰好是相勃的，说明大部分 Ni 没发生氧化，多以固溶体形式存在。
图 6 显示出 MCrAlY涂层经 400H 的高温氧化（1000℃）过程，从中可看出，Cr 的氧化程度明显增强，随着氧化时间的增加，显现出 Cr2O3峰数量增多，峰值增大，且由表面逐步向涂层内部扩展。而Al2O3的分布变化不大，说明在喷涂过程中，涂层中形成的 Al2O3是较稳定的。图中还可看出显示，由于 Al 和 Cr 的竞争性优先氧化，使涂层中 Ni 元素基本保持稳定。
2.5 MCrAlY 涂层 1000℃高温氧化（50~400）h 后SEM 断面形貌
图 7 的涂层 SEM断面形貌显示，梯度功能涂层中的均匀梯度分布的合金组元表与环境中向下扩展 02离子发生的氧化反应，耗散了 02离子扩散浓度，减缓了扩散速度，有效推迟了界面处 MCrAIY的氧化。随着氧化时间的增加，涂层中氧的含量也明显增加，氧化区域逐渐由表面向涂层内侧逐渐深入，至 400H 后，氧化区扩展至离界面尚有一定的距离，显然并未对界面的结合状态产生明显的影响，表明涂层系统仍然是稳定的。
2.6 试样断面热震裂纹演变分析
涂层的热震试验也称为冲击试验，用以检验涂层主要成分的耐高温腐蚀性能以及耐急冷急热的能力。热震涂层在交变温度下，涂层产生裂纹扩展情况。
所以，涂层的裂纹主要体现在表面，有垂直向涂层内部发展趋势。随热循环周次增加，裂纹扩展至较致密的金属梯度复合过渡层上方时，扩展明显受阻，说明梯度功能涂层中韧性较高的金属组元对裂纹扩展起到了很好的阻挡作用，金属的塑性变形释放裂纹扩展的驱动力，未出现裂纹横向扩展的现象。
2.7 氧化动力学试验
2.7.1 氧化动力学试验方法
将厚度约 0.5mm的 MCrAlY 涂层试样（与环境接触的表面面积约 8cm2） 用感量万分之一毫克的TG328A 分析天平中，通过箱式电阻炉在大气条件下加至 1000℃，共分 8 组试样（每组 3 片）分别经不同的保温时间后取出，称量每组试样的氧化增重（每组 3 个样本取平均值），并绘出试样的氧化动力学曲线。对获得的曲线形状、走势和斜率进行分析和计算，则有助于了解试样的氧化过程和抗氧化性，结合对涂层氧化形貌的分析，即可对涂层试样的氧化性能进行评价，图 8 是 MCrAlY 涂层 1000℃下，通过测量绘制的氧化动力学曲线。
2.7.2 氧化动力学试验结果
图 8 的氧化动力学曲线也可看出，MCrAlY 涂层 1000℃、400H 氧化动力学试验曲线有呈抛物线形态趋势，说明氧化过程逐渐趋于稳定。
3 试制结论
（1）MCrAlY 涂层经 1000℃、25H~ 400H 的高温氧化实验结果表明，该涂层系统有较好的高温稳定性。
（2）试验结果显示，涂层中各组元分布的均匀性，对涂层系统的高温稳定性、结合强度和内聚强度具有显著的影响。
（3）合金铬铝钇、粘结材料和填充料不同比例混合后形成的是复合梯度涂层，满足了某发动机结构件高温封严设计要求。
（4）涂层结构设计和材料体系选择，与该涂层的技术要求相符合，说明，采用常压等离子喷涂能够满足设计需求，涂层性能高于相关规定标准要求。
参考文献略
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