航空发动机 Ni3Al 基合金多联体叶片超音速喷涂NiCrAlYSi 涂层工艺及性能研究
张佳平 邹卓 王璐 袁福河
第九届沈阳科学学术年会论文集（信息科学与工程技术分册）
摘要:本文采用超音速火焰喷涂工艺方法在航空发动机 Ni3Al 基合金多联体叶片表面制备 NiCrAlYSi 高温抗氧化涂层。通过大量超音速喷涂工艺试验以及涂层综合性能检测与评估，确定了超音速喷涂 NiCrAlYSi 涂层的工艺参数。采用确定的喷涂工艺参数制备的 NiCrAlYSi 涂层组织结构均匀、孔隙率小于 1％、结合强度大于 60MPa、热震 40 余次后涂层无剥落现象，涂层性能稳定，满足使用要求。本文针对多联体叶片开展模拟件工程化应用研究，采用叶片试验件进行喷涂工艺优化试验和涂层厚度均匀性检测及分析，确定了多联体叶片超音速喷涂 NiCrAlYSi 涂层的喷涂工艺方法，本文研制的多联体叶片超音速喷涂 NiCrAlYSi 涂层工艺，大大提升了涡轮叶片的抗氧化、耐腐蚀性能，延长了涡轮叶片的使用寿命，为高性能航空发动机的研制及批产奠定基础。
1 引言
Ni3Al基合金是新型导向叶片材料，具有良好的抗氧化、耐腐蚀性能，铸造性能突出，可作为航空发动机中一种新型1100℃高温环境用涡轮叶片合金材料[1]。合金本身具有良好的抗氧化性能，但其抗高温腐蚀性能差，需要涂层防护。NiCrAlYSi涂层是一种新型高温抗氧化耐腐蚀涂层，可以提高涡轮导向叶片的抗氧化、耐腐蚀性能，同时与合金基体的热膨胀系数相近，与基体具有良好的结合强度[2-3]，所以本文采用超音速喷涂工艺在Ni3Al基合金多联体叶片表面制备NiCrAlYSi高温抗氧化涂层，提高叶片性能，进而延长发动机使用寿命。
通常涡轮叶片表面上的NiCrAlYSi抗氧化涂层采用真空电弧镀等气相沉积方法制备，但是某新型航空发动机的涡轮叶片为Ni3Al基材料多联体结构，如果采用真空电弧镀制备涂层工艺，其尺寸较大，无法装入涂镀室，并且叶片间距较小，在涂镀叶片自转过程中会出现互相遮挡而导致涂层厚度不均。针对多联体叶片材料及结构特性，为满足高温抗氧化涂层制备的需要，本文采用超音速喷涂技术在Ni3Al基材料上制备NiCrAlYSi涂层并针对模拟件进行工艺验证，通过工艺试验及性能检测、分析，最终确定Ni3Al基多联体结构叶片超音速喷涂NiCrAlYSi涂层喷涂工艺参数，为某型号发动机的实际应用提供依据。
2 试验内容
2.1 试片材料及规格
试样材料： Ni3Al基合金及GH4169合金试样尺寸：金相试样及热震试样 20mm×40 mm×2 mm结合强度试样 Φ25.4×6mm。
2.2 喷涂粉末材料
超音速喷涂工艺要求喷涂粉末粒度小、流动性能良好，以保证在超音速喷涂工艺过程中喷涂流畅、不堵枪管。本文采用的NiCrAlYSi喷涂粉末由中科院金属研究所研制。喷涂粉末各项性能指标如表1所示。
2.3 试验设备及方法
采用TAFA JP-5000型超音速火焰喷涂设备在试样表面喷涂NiCrAlYSi涂层。在优化涂层喷涂工艺的基础上，测试涂层的拉伸结合强度、显微组织和热震性能以及涂层室温拉伸及高温持久性能，热震方法为水淬方式，持久试验条件为980℃，160MPa，涂层厚度150~200μm，各测试方法都按相应标准进行涂层性能检测。
3 试验结果与讨论
3.1 涂层工艺试验
涂层结构、性能与喷涂工艺密切相关。在使用煤油及氧气为燃料的超音速喷涂工艺中，量煤油、氧气流速是超音速喷涂过程最关键的参数，其流速大小及其比例都会极大地影响超音速火焰的温度、速率及其化学特性，进而决定了粒子撞击合金基体瞬间的动能、温度和粒子的扁平化程度，最终影响涂层的显微结构和性能，因此本研究固定喷涂距离、送粉速率等参数，调整氧气和煤油流速，进行喷涂工艺试验。根据前期工艺试验，选择确定喷涂距离为 330mm～370mm、送粉速率为 60g/min～70g/min。本文选择了四组调整氧气和煤油流速组合参数（a、b、c、d）进行工艺试验（见表 2），根据涂层组织观察结果确定最佳的喷涂工艺。
图1为按照四组氧气和煤油流速参数进行超音速火焰喷涂NiCrAlYSi涂层显微结构。对比图1中前两组涂层截面形貌可以看出，低氧气流速（1＃喷涂参数）使粒子速率小，涂层内某些颗粒的扁平化程度低。在高的氧气流速下（2＃喷涂参数），粒子速度的增加会缩短粒子在焰流中的滞留时间而对粒子熔化产生不利影响，涂层组织中出现未熔颗粒，所以过高及过低的氧气流速都不能够获得熔化充分、组织均匀的涂层。图1中后两组图片是不同煤油流速条件下喷涂的涂层显微结构。由图可见煤油流速较高（4＃喷涂参数）会导致火焰温度过高，引起部分涂层粉末的烧蚀，会造成涂层结构不均匀、孔隙率较高。采用第三组工艺参数值喷涂的涂层，涂层孔隙率低，结构均匀致密，所以第三组参数为最佳工艺参数。
3.2 涂层拉伸结合强度
涂层结合强度包括涂层颗粒之间的内聚强度（涂层自身结合强度）和涂层与基体之间的结合强度（附着力），它是检测涂层性能非常重要的一个指标。若结合强度过小，轻则会引起涂层寿命降低，产生早期失效，重则造成涂层局部起皮、剥落，不能发挥作用。新型航空发动机 Ni3Al 基叶片工作环境温度达到1100℃并且具有极高的转速，所以需要 NiCrAlYSi 涂层满足结合强度大于 60MPa。
涂层的结合强度与喷涂过程中粒子的熔化状态和飞行速率有关。本文中采用的第三组喷涂工艺参数，增加了煤油流速，以提高粒子的熔化温度及其扁平化程度，增加了涂层的结合强度。采用胶粘法测试涂层结合强度，结果如表 3 所示。超音速喷涂焰流速度快，粉末在焰流内熔化充分，因此 NiCrAlYSi 涂层结合强度都高于 60MPa。目视观察涂层结合强度试片断口，发现断裂主要发生在涂层与合金界面，因此涂层的聚合强度数值应高于检测值。
3.3 涂层热震性能
热震（热冲击）性能是将试样加热到使用温度保温一段时间，然后使用水淬或者空冷方法将其冷却到室温，以考察涂层在冷热交变条件下的涂层试样表面状态。高温抗氧化涂层要求在使用过程中的冷热循环条件下不能大片剥落，所以本文采用水淬法对喷涂 NiCrAlYSi 涂层的热震性能进行测试。热震测试过程中，由于 Ni3Al 基合金为铸造高温合金，材料韧性低，基体先于涂层开裂，因此采用 GH4169 合金试片进行测试，图 2 中左侧为 Ni3Al 基合金试样喷涂后状态，右侧为 GH4169 材料热震后状态，热震检测结果如表 4 所示，GH4169 材料涂层试片 45 次热震循环后，基体出现氧化变色，但涂层仍未出现裂纹，证明了涂层本身韧性良好，具有良好的热震性能。
3.4 高温持久性能
为了考察超音速喷涂涂层对 Ni3Al 基合金基体本身力学性能的影响，本文采用已确定的超音速喷涂工艺参数对室温拉伸及高温持久性能试棒表面进行喷涂。对 Ni3Al 基合金铸态及喷涂涂层后的试棒进行力学性能检测，结果如表 5 所示。结果表明，超音速喷涂 NiCrAlYSi 涂层的 Ni3Al 基合金试棒与 Ni3Al 基合金铸态试棒的力学性能无明显差异，涂层对基体力学性能无影响。
4 模拟件喷涂
采用超音速喷涂工艺在 Ni3Al 基合金表面制备 NiCrAlYSi 涂层，涂层与基体匹配良好、各项性能优异。为了进一步验证涂层的工程化应用能力，本文通过采用叶片模拟件进行工程化应用研究，优化工艺参数及过程控制参数，最终确定了适用于多联体叶片涂层制备的喷涂工艺参数。叶片涂层厚度要求为0.05mm~0.10mm，对喷涂后的叶片试验件进行解剖分析，涂层金相照片如图 3 所示，涂层显微组织致密，厚度均匀并且在厚度规定的范围内。由于多联体叶片为异形件，无法采用普通测量工具测量涂层的厚度，所以本文开展了涂层厚度金相检测研究，采用金相显微镜对喷涂后的多联体叶片涂层厚度进行检测。采用金相法检测的涂层厚度（如图 5 所示）与叶片各区域实际要求的厚度尺寸（如表 6 所示）一致，进一步验证了本文确定的 Ni3Al 基合金多联体叶片超音速喷涂 NiCrAlYSi 涂层工艺具备较高的稳定性及质量均匀性。
5 结论
1. 超音速喷涂 NiCrAlYSi 涂层的显微组织致密，结合强度、显微硬度及抗热震等基本性能优异。
2. 超音速喷涂NiCrAlYSi涂层对Ni3Al基合金基体的力学性能无不良影响，满足高性能发动机的设计要求。
3. 超音速喷涂Ni3Al基合金多联体叶片的NiCrAlYSi涂层厚度分布均匀，验证了超音速喷涂多联体叶片防护涂层技术的可行性。
6 参考文献略
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