用燒結(jié)型粉末噴涂的鎳鉻－碳化鉻耐磨涂層

　　用燒結(jié)型粉末噴涂的鎳鉻－碳化鉻耐磨涂層
　　肇國(guó)鋒，張佳平，岳 陽(yáng)等
　　熱 噴 涂 技 術(shù)2012年06月
　　摘 要：鎳鉻－碳化鉻涂層是航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用的高溫耐磨涂層之一。本研究通過(guò)優(yōu)化大氣等離子噴涂工藝，用燒結(jié)型粉末制備了鎳鉻 - 碳化鉻涂層。涂層顯微組織均勻，氧化物彌散分布、孔洞及未熔顆粒較小。Cr3C2- 30%NiCr 涂層的拉伸結(jié)合強(qiáng)度不小于40MPa，顯著高于 Metco 81 VF- NS 粉末噴涂的涂層，用兩種粉末噴涂涂層的表面洛氏硬度及耐砂粒沖蝕性能相近。Cr3C2- 30%NiCr 涂層性能符合設(shè)計(jì)要求，噴涂工藝現(xiàn)已被用于某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的前軸承機(jī)匣零部件的噴涂生產(chǎn)。
　　關(guān)鍵詞：大氣等離子噴涂；鎳鉻- 碳化鉻；耐磨涂層；熱噴涂；熱噴涂粉末
　　鎳鉻 - 碳化鉻（Cr3C2- NiCr）是為了滿足耐高溫磨損要求而研制的一種金屬陶瓷涂層粉末，其熔點(diǎn)大約為1400℃。用該熱噴涂粉末噴涂的涂層主要被用于540℃～815℃溫度范圍內(nèi)工作、且要求表面具有抗磨粒、高硬度、耐微動(dòng)磨損、耐沖蝕性能的零部件上，是一種極為耐磨和抗氧化的復(fù)合材料涂層，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、渦輪機(jī)葉片、渦輪機(jī)端面密封、渦輪機(jī)消聲擋板、排氣閥密封面、熱成型模輥?zhàn)蛹叭济哄仩t燃燒室內(nèi)的高溫磨損管件。鎳鉻 - 碳化鉻粉末噴涂主要有兩種，一種是分別用鎳和鉻包覆碳化鉻顆粒而制成的包覆型粉末[1]，另一種則是由鎳鉻合金粉和結(jié)晶碳化鉻粉混合而成的粉末，如美科公司生產(chǎn)的METCO81VF- NS（Cr3C2- 25%NiCr）復(fù)合粉末。
　　粉末中的兩個(gè)組元分別為鎳鉻合金相和碳化鉻陶瓷相。碳化鉻相可增加涂層的硬度，其在高溫下能生成致密的氧化鉻保護(hù)膜，故具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能，極好的耐蝕性，高溫硬度高，有優(yōu)異的高溫抗磨損性能。鎳鉻合金相則起粘結(jié)碳化鉻相的作用，其百分含量一般在 20％～25％之間，可以提高涂層的界面及涂層內(nèi)聚結(jié)合強(qiáng)度。涂層的熔點(diǎn)低，約為 1400℃，熱膨脹系數(shù)為 10.9×10- 6K- 1（150℃～980℃）。該熱膨脹系數(shù)值與高溫用耐熱合金基體的膨脹系數(shù)接近，因而在高溫下與耐熱合金基體有相當(dāng)好的熱膨脹性能匹配[2]。
　　當(dāng)粉末中鎳鉻合金含量為 25.0％時(shí)，噴涂的鎳鉻 - 碳化鉻涂層非常硬且脆，在等離子噴涂過(guò)程中由于受噴涂溫度、涂層厚度以及金屬基體與涂層材料熱膨脹系數(shù)差異的影響，在涂層內(nèi)極易產(chǎn)生縱向裂紋，因此本研究將噴涂粉末中的鎳鉻合金含量增加到30％，且該粉末用燒結(jié)法制備，并將燒結(jié)型 Cr3C2- 30%NiCr 粉末噴涂的涂層與從美國(guó)進(jìn)口 Metco 81 VF- NS 粉末噴涂的涂層進(jìn)行了性能比較。
　　1 實(shí)驗(yàn)材料及方法
　　涂層試樣的基體材料為一種中等強(qiáng)度的 α－β型TC4 兩相鈦合金。該合金是試驗(yàn)所用粉末為北京礦冶研究總院研制的燒結(jié)型Cr3C2- 30%NiCr粉末，其化學(xué)成分見(jiàn)表 1。粉末的相組成為 Cr3C2、Cr7C3以及鎳和鉻在590℃包析反應(yīng)生成的 Ni2Cr有序化合物相。粉末的物理性能為：粉末粒度主要在 15～75μm之間、松裝密度 2.06 g/cm3、流動(dòng)速度為40.4s/50g。
　　
　　圖 1 為掃描電鏡觀察燒結(jié)型 Cr3C2- 30%NiCr粉末顆粒的表面形貌。可見(jiàn)燒結(jié)型 Cr3C2- 30%NiCr復(fù)合粉末形狀不規(guī)則，但粒度比較均勻，大多數(shù)在30～50μm 之間。采用美國(guó) METCO 公司制造的 METCO 7M等離子噴涂控制設(shè)備和9MB 噴槍噴涂涂層。在噴涂過(guò)程中，為了避免產(chǎn)生裂紋，需要控制噴涂進(jìn)度和零件溫度。
　　為了減少涂層孔隙和氧化物，提高結(jié)合強(qiáng)度和涂層質(zhì)量，噴涂角度應(yīng)盡量接近 90（°）。在上述工藝過(guò)程控制的基礎(chǔ)上，先根據(jù)設(shè)備情況和涂層指標(biāo)要求大致確定噴涂過(guò)程的送粉速率，然后再通過(guò)涂層的噴涂工藝試驗(yàn)確定氬氣、氫氣流量和等離子體電流強(qiáng)度，以保證粉末顆粒的鎳鉻合金組元在噴涂焰流中剛好被熔融，且其飛行速率達(dá)到最大值。選擇的噴涂距離則應(yīng)保證粉末顆粒在達(dá)到噴涂表面時(shí)處于最佳的熔融和動(dòng)能狀態(tài)。表 2 給出了噴涂Cr3C2- 30%NiCr 涂層及其相應(yīng) Ni- Al 底層的優(yōu)化工藝參數(shù)。
　　
　　
　　為了評(píng)定涂層的耐尖銳、硬質(zhì)顆粒沖刷引起的磨損性能，采用自制的吹砂沖蝕設(shè)備對(duì)涂層進(jìn)行耐沖蝕磨損性能試驗(yàn)。涂層試樣尺寸為 50mm×25mm×2mm，所用沖蝕磨料為剛玉砂。表 2 和表 3 分別給出了剛玉砂的粒度分布范圍和沖蝕試驗(yàn)的條件。完成沖蝕試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)前后的試樣重量差計(jì)算試樣單位面積的沖蝕失重值。
　　
　　2試驗(yàn)結(jié)果與討論
　　2.1 涂層組織
　　噴涂態(tài) Cr3C2- 30%NiCr涂層的表面光潔度在 6微米左右,其表面均勻、平整，沒(méi)有裂紋、翹起、剝落和鼓泡等現(xiàn)象。涂層顏色一致，沒(méi)有過(guò)熱變色現(xiàn)象。
　　圖2 為等離子噴涂 Cr3C2- 30%NiCr 的截面形貌�？梢钥闯�，燒結(jié)型鎳鉻 - 碳化鉻涂層內(nèi)沒(méi)有裂紋，組織均勻，各相均勻分布，氧化物彌散分布，沒(méi)有團(tuán)狀和連續(xù)塊狀氧化物出現(xiàn)、孔洞和未熔物都小于20μm，沒(méi)有分層且界面污染不超過(guò) 20％。
　　
　　2.2 涂層性能
　　涂層主要性能包括拉伸結(jié)合強(qiáng)度和表面洛氏硬度。兩組噴涂涂層試樣的拉伸結(jié)合強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表 5。該結(jié)果表明，Cr3C2- 30%NiCr涂層的結(jié)合強(qiáng)度平均值皆明顯大于美國(guó)進(jìn)口Metco 81 VF- NS 粉末噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度。這說(shuō)明涂層中的粘結(jié)相NiCr 合金含量增加，有利于提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。肉眼觀察拉斷涂層試樣的斷裂表面發(fā)現(xiàn)，試樣斷裂的位置皆在涂層內(nèi)部，說(shuō)明涂層界面的結(jié)合強(qiáng)度大于其內(nèi)聚強(qiáng)度。
　　
　　鎳鉻－碳化鉻涂層的表面洛氏硬度 HR15N 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。可見(jiàn)兩種粉末噴涂的涂層表面硬度測(cè)量結(jié)果比較接近，另外不同位置的硬度測(cè)量值變化不大，這說(shuō)明噴涂工藝穩(wěn)定，涂層組織比較均勻，與圖2的涂層顯微組織觀察結(jié)果一致。Cr3C2- 30%NiCr 涂層的上述機(jī)械性能皆符合設(shè)計(jì)要求，因此噴涂工藝現(xiàn)已被用于某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的前軸承機(jī)匣零部件的噴涂生產(chǎn)。
　　
　　表 7 為國(guó)產(chǎn)燒結(jié)型鎳鉻 - 碳化鉻粉末噴涂的涂層與進(jìn)口Metco 81 VF- NS粉末噴涂涂層耐沖蝕性能試驗(yàn)結(jié)果的比較。
　　為了更好地進(jìn)行比較，根據(jù)試樣尺寸對(duì)沖蝕試樣的重量差進(jìn)行了單位面積失重的歸一化處理。從兩種粉末噴涂涂層的試樣失重平均值可以看出，國(guó)產(chǎn)粉末噴涂涂層的試樣失重為3.68 mg/cm- 2，略大于進(jìn)口粉末噴涂涂層的試樣失重值（3.56 mg/cm- 2），說(shuō)明兩種粉末噴涂涂層的耐沖蝕性能基本上接近。
　　由于沖蝕角度較小，涂層的沖蝕機(jī)制以微切削為主，并發(fā)生涂層剝落[3]。
　　
　　3結(jié)論
　　（1）以燒結(jié)型 Cr3C2- 30%NiCr 粉末作為噴涂材料，采用大氣等離子噴涂工藝制備的鎳鉻－碳化鉻耐磨涂層顯微組織均勻，氧化物彌散分布、孔洞及未熔顆粒較小。
　�。�2）Cr3C2- 30%NiCr 涂層的拉伸結(jié)合強(qiáng)度不小于 40MPa，顯著高于用 Metco 81 VF- NS 粉末噴涂的涂層。兩種粉末的涂層表面洛氏硬度及耐砂粒沖蝕性能相近。