王東生，田宗軍，沈理達(dá)，黃因慧

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016；2.銅陵學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，銅陵244000）

0 引 言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)研制、發(fā)展、使用中的重要環(huán)節(jié)。為了降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗，提高推力質(zhì)量比和使用壽命，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度越來越高，如我國某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度為1 750℃，而下一代推力質(zhì)量比為10的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度將提高到1 850℃左右。由于推力質(zhì)量比的提高，許多密度低、室溫韌性好、高溫強(qiáng)度高的先進(jìn)材料將被大量使用，此外為適應(yīng)更高的溫度，各種高溫防護(hù)涂層也得到了廣泛應(yīng)用［1］。

高溫防護(hù)涂層的發(fā)展主要經(jīng)歷了單一鋁化物涂層、改性鋁化物涂層、包覆涂層（又稱MCrAlY涂層）和熱障涂層（TBCs）四個(gè)階段［1］。其中 MCrAlY（M為鎳和／或鈷）涂層可作為單獨(dú)使用的耐熱涂層或熱障涂層的連接層，相對于其它涂層，MCrAlY涂層可以根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的涂層成分，成分選擇更加靈活。另外，它還具有相當(dāng)優(yōu)異的韌性和抗熱疲勞強(qiáng)度，因此已廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)部件。

MCrAlY涂層發(fā)展至今已有40多a的歷史，其制備工藝也在不斷地改進(jìn)和發(fā)展中。目前，已成熟的制備MCrAlY涂層技術(shù)主要有等離子噴涂技術(shù)（PS）［2］和電子束物理氣相沉積技術(shù)（EB－PVD）［3］。等離子噴涂技術(shù)具有成本低、生產(chǎn)效率高、涂層厚度可調(diào)以及成分易控制等優(yōu)點(diǎn)，但該涂層呈典型的層狀結(jié)構(gòu)，且得到的涂層氣孔多、抗熱沖擊性能差，涂層與基體為機(jī)械結(jié)合，耐應(yīng)變能力差。而EB－PVD技術(shù)制備的涂層為垂直于基體表面的柱狀晶結(jié)構(gòu)，孔隙少，涂層與基體具有較高的結(jié)合力，抗熱沖擊和剝落能力強(qiáng)，但EB－PVD技術(shù)的沉積速率較低，設(shè)備昂貴，受元素蒸氣壓影響涂層的成分較難控制，基體零件需要加熱且試樣尺寸不能太大。因此這兩種制備技術(shù)都有明顯的不足，從而限制了其應(yīng)用范圍。隨著表面工程技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型的MCrAlY涂層制備技術(shù)，其中最具代表性的技術(shù)有激光熔覆技術(shù)（LC）、超音速火焰噴涂技術(shù)、爆炸噴涂技術(shù)、多弧離子鍍［4］、磁控濺射［5］和電火花沉積等。

激光熔覆技術(shù)是一種通過在基材表面添加熔覆材料，利用高功率密度的激光束使之與基材表面一起熔凝，在基材表面形成冶金結(jié)合的添料熔覆層，從而顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等特性的表面改性技術(shù)。由于高能量密度產(chǎn)生極快的加熱速度、功率輸出精確可控和熔覆表面區(qū)域的可選擇性，激光熔覆技術(shù)已引起了廣泛的關(guān)注和重視，并已廣泛用于MCrAlY涂層的制備。目前激光熔覆材料通常采用預(yù)置和送粉兩種方式將粉末引入激光熔池。其中，送粉多為同軸送粉，而常用的粉末預(yù)置方法主要有等離子噴涂法、化學(xué)粘結(jié)法以及壓片法等。與等離子噴涂和EB－PVD等工藝相比，激光熔覆技術(shù)制備的涂層具有稀釋度小、組織致密、結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，另外熔覆材料選擇廣泛，因此應(yīng)用前景廣闊。

為了給激光熔覆MCrAlY涂層的相關(guān)研究人員提供參考，作者綜述了國內(nèi)、外激光熔覆制備MCrAlY涂層的研究進(jìn)展，并對其存在的問題及發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。

1 激光熔覆常規(guī)MCrAlY涂層

在20世紀(jì)80年代，開始出現(xiàn)對激光熔覆MCrAlY涂層的探索性研究，如Sivakumar等［6］采用CO2激光對NiCoCrAlY等離子噴涂層進(jìn)行激光熔覆封孔處理；進(jìn)入90年代后，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向激光工藝參數(shù)的優(yōu)化，如Mahank等［7］分析了激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)對涂層熔化寬度、深度的影響，并研究了激光熔覆的最優(yōu)參數(shù)；而近幾年來大部分研究主要集中在激光熔覆對MCrAlY涂層的影響，并認(rèn)為激光熔覆可提高涂層的抗高溫氧化及耐熱腐蝕等性能［8－12］。

作者采用等離子噴涂工藝制備了MCrAlY涂層［11］，并用激光熔覆工藝對涂層進(jìn)行處理，研究了激光熔覆對涂層微觀組織及抗氧化性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過激光重熔處理后，涂層的片層狀組織得以消失，致密性提高，消除了原涂層的大部分孔洞、夾雜等缺陷，同時(shí)使鋁元素在涂層表面重新分布，形成了鋁的富集區(qū)；經(jīng)過激光熔覆后原涂層的抗高溫氧化性能顯著提高。激光熔覆MCrAlY涂層具有較高抗高溫氧化性能的主要原因有：激光熔覆使涂層表面形成了鋁的富集區(qū)，氧化過程中形成了保護(hù)性的Al2O3膜；激光熔覆使涂層致密性提高，從而減少了高溫氧化過程中氧化擴(kuò)散通道；此外，激光熔覆的快速冷卻使涂層晶粒細(xì)化，有利于氧化初期鋁的選擇性氧化，使氧化速率降低。

最近作者又利用高頻感應(yīng)輔助激光熔覆技術(shù)制備了MCrAlY涂層［12］，并與激光直接熔覆制備的MCrAlY涂層進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明，在高頻感應(yīng)輔助作用下，涂層的溫度場發(fā)生了改變，溫度梯度降低，涂層中的鋁元素有充分的時(shí)間上浮，在涂層表面形成了大量Al2O3陶瓷相，從而使得涂層的抗氧化性能進(jìn)一步提高。

與等離子噴涂工藝相比，激光熔覆MCrAlY涂層具有更好的性能，而與電子束物理氣相沉積技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)又有較好的價(jià)格優(yōu)勢。但受到激光功率的限制，激光熔覆技術(shù)在制備大尺寸均勻強(qiáng)化表面涂層上還有一定的欠缺，隨著大功率激光器的出現(xiàn)及寬帶熔覆技術(shù)的應(yīng)用，激光熔覆MCrAlY涂層逐漸走向?qū)嵱没?。特別是感應(yīng)加熱輔助激光熔覆工藝，它能夠彌補(bǔ)單純激光熔覆能量不足及熱源分布不均的缺點(diǎn)，具有工藝穩(wěn)定性好、易于形成冶金結(jié)合、易獲得無裂紋的熔覆涂層等優(yōu)點(diǎn)。

2 激光熔覆活性元素改性MCrAlY涂層

在MCrAlY涂層中添加微量活性元素，包括稀土（RE）、鋯、鉿、硅、硼等，可顯著降低其氧化速度，并改善氧化膜的抗剝落性能，這一效應(yīng)被稱作活性元素效應(yīng)［13］。MCrAlY中微量稀土元素釔的添加就是基于這一效應(yīng)。

CeO2是另一類常用的稀土改性材料，為了研究CeO2顆粒對NiCoCrAlY涂層抗氧化性能的影響，王宏宇等［14］采用激光熔覆技術(shù)在鎳基高溫合金表面制備了4種不同含量CeO2顆粒改性NiCoCrAlY涂層，分析了它們在1 050℃空氣氛圍中的等溫氧化行為，并初步探討了CeO2顆粒的作用機(jī)制。結(jié)果表明，添加的稀土氧化物顆?？商岣逳iCoCrAlY涂層的高溫氧化性能，并且，隨著稀土摻雜量的增加，效果更加明顯。在高溫氧化過程中彌散析出的稀土合金相，不僅提高了氧化膜的粘附性，有效預(yù)防空位、氣孔等缺陷在涂層／氧化膜界面的聚集長大，減少大晶界或熱裂紋的撕裂，而且還部分緩沖了高溫氧化過程中釋放出來的熱拉應(yīng)力，減少了熱拉應(yīng)力對表層氧化膜的開裂破壞，保護(hù)了表層氧化膜的完整性，大大降低氧化速率。目前關(guān)于稀土改性MCrAlY涂層的氧化機(jī)理有成相膜理論、鈍化膜破壞理論及催化吸附理論等。

最近，國內(nèi)外許多學(xué)者先后發(fā)現(xiàn)在MCrAlY涂層中添加少量的硅、硼、鋯和鉿等元素，能進(jìn)一步改善其高溫性能，表明這些活性元素在改善MCrAlY涂層氧化行為方面與稀土釔具有很好的協(xié)同作用。例如，Wang 等［15－16］的 研 究 表 明，用 硅 和 硼 對NiCoCrAlY涂層進(jìn)行改性后，可顯著提高其抗熱沖擊性能。

3 激光熔覆顆粒增強(qiáng)MCrAlY復(fù)合涂層

現(xiàn)代科技的發(fā)展對MCrAlY涂層性能的要求越來越高，要求其同時(shí)具備抗高溫性能以及高的導(dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度、蠕變抗力、應(yīng)變等級和良好的穩(wěn)定性等綜合性能，單純的MCrAlY涂層已不能勝任上述使用要求。顆粒增強(qiáng)的MCrAlY復(fù)合涂層因具有優(yōu)良的性能而倍受關(guān)注，增強(qiáng)顆粒常用 WC、TiC、SiC、Al2O3等高熔點(diǎn)陶瓷材料。采用激光熔覆技術(shù)制備的陶瓷顆粒增強(qiáng)MCrAlY復(fù)合涂層將MCrAlY涂層的強(qiáng)韌性、良好的工藝性和增強(qiáng)顆粒優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化特性有機(jī)結(jié)合起來，是目前激光熔覆MCrAlY涂層領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［17－21］。

顆粒增強(qiáng)MCrAlY復(fù)合涂層按增強(qiáng)體的加入方式可分為外加顆粒增強(qiáng)MCrAlY復(fù)合涂層和原位析出顆粒增強(qiáng)MCrAlY復(fù)合涂層。直接加入陶瓷顆粒是常用的一種方法，如文獻(xiàn)［17］研究了增強(qiáng)Al2O3第二相對激光熔覆NiCrAlY涂層的影響。結(jié)果表明，Al2O3第二相起到了細(xì)化晶粒的作用，可以促進(jìn)高溫下鋁的選擇性氧化，使涂層表面形成Al2O3保護(hù)膜；另外，第二相能阻礙Ni2＋、Cr3＋向外擴(kuò)散，因此可改善涂層的抗氧化性。胡澤祥等［18］采用激光熔覆技術(shù)，以HfB2高溫陶瓷顆粒作為耐磨增強(qiáng)相，在純鈦表面制備了NiCoCrAlY／HfB2復(fù)合涂層，研究了該復(fù)合涂層的組成、組織結(jié)構(gòu)及不同溫度下的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，NiCoCrAlY／HfB2復(fù)合涂層的主要組成為 NiTi、HfB2、TiB2、Co3Ti、CrTi4和Hf3Ni7相，復(fù)合涂層與基材成冶金結(jié)合，涂層晶體結(jié)構(gòu)主要為塊狀晶；涂層的平均顯微硬度約為850HV0.2，是基材硬度的4.25倍；在20，100，300，500℃溫度下涂層的摩擦因數(shù)和磨損率均隨溫度的升高而減小，復(fù)合涂層的磨損率在10－4～10－5mm3·N－1·m－1數(shù)量級，具有較好的高溫耐磨性能，涂層的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和粘著磨損。

但是，外加陶瓷相與MCrAlY基體的潤濕性差，陶瓷相分布不均勻，易產(chǎn)生裂紋等，從而削弱了整體強(qiáng)化效果。原位反應(yīng)合成技術(shù)是在一定條件下，通過化學(xué)反應(yīng)在基體內(nèi)原位生成高強(qiáng)度、高彈性模量的陶瓷增強(qiáng)相，以達(dá)到強(qiáng)化的效果，可有效克服外加陶瓷相的缺陷，因此受到越來越多研究人員的重視，其面臨的最大問題是難以精確控制和優(yōu)化強(qiáng)化相的分布。Meng等［19］在鈦合金表面通過激光熔覆預(yù)置B4C和NiCoCrAlY粉體，在激光高能量密度作用下B4C與鈦原位反應(yīng)生成TiB2和TiC增強(qiáng)相，復(fù)合涂層的顯微硬度是基體的3.5倍，耐磨性能也大大高于基體。

納米材料由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，為涂層性能的提高提供了有利的條件。將納米陶瓷顆粒與激光熔覆MCrAlY涂層相結(jié)合，制備納米顆粒增強(qiáng)的復(fù)合涂層也是研究熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)［20－21］中以高分散性金屬基微納米復(fù)合粉體作為熔覆材料，通過激光熔覆工藝成功制備了納米顆粒增強(qiáng)NiCoCrAlY涂層，考察了不同種類、不同含量納米顆粒增強(qiáng)NiCoCrAlY熔覆涂層的顯微組織、抗氧化性能、抗熱腐蝕性能及抗熱震性能等，并探討了納米顆粒的作用機(jī)制。

4 激光熔覆梯度MCrAlY涂層

梯度功能材料（FGM）是為適應(yīng)大溫差服役環(huán)境，由日本科學(xué)技術(shù)廳于1987年在“關(guān)于為緩和熱應(yīng)力的梯度功能材料開發(fā)基礎(chǔ)技術(shù)的研究”計(jì)劃中提出的。在其制備過程中，通過連續(xù)地控制微觀結(jié)構(gòu)要素，使成分、組織連續(xù)變化，不存在明顯的界面，從而大大緩和了熱應(yīng)力。近年來，“梯度化”作為一種材料的設(shè)計(jì)思想和結(jié)構(gòu)控制方法已不再局限于熱應(yīng)力緩和功能，它的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到航空、航天、原子能、機(jī)械、化工、電子、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域，在耐磨、耐熱、耐腐蝕等結(jié)構(gòu)材料方面同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。激光熔覆作為一種常用的梯度涂層制備方法而得到了廣泛的研究［22］。

為了進(jìn)一步提高激光熔覆MCrAlY涂層在苛刻、極端環(huán)境的應(yīng)用范圍，作者［23－25］將激光熔覆納米顆粒增強(qiáng)的復(fù)合涂層和激光熔覆梯度涂層兩者有機(jī)結(jié)合起來，提出了一種激光多層熔覆制備納米陶瓷顆粒增強(qiáng)梯度MCrAlY復(fù)合涂層的新方法。該方法主要步驟為：先采用機(jī)械復(fù)合法（如高能球磨）把一定配比的 MCrAlY與納米陶瓷（如Al2O3）增強(qiáng)顆粒的混合粉制備成納米粒子分散均勻的包覆型復(fù)合粉；然后，采用模壓法制備激光熔覆薄片，即利用壓力機(jī)或壓片機(jī)在模具中將配制好的復(fù)合粉體壓制成薄片，實(shí)現(xiàn)熔覆層的綠色預(yù)置；再利用多層激光熔覆的方法制備納米陶瓷顆粒增強(qiáng)MCrAlY梯度復(fù)合涂層，即先在基體表面熔覆一層含有少量納米陶瓷顆粒的熔覆薄片，然后依次熔覆納米顆粒含量逐漸增加的模壓薄片，重復(fù)以上過程，就可以得到納米陶瓷增強(qiáng)顆粒沿厚度方向逐漸增加的梯度涂層。通過納米顆粒的彌散強(qiáng)化機(jī)制可使其具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性，再加上梯度涂層的應(yīng)力緩和機(jī)制從而有望解決MCrAlY熔覆層易開裂的問題。納米顆粒及梯度涂層的強(qiáng)化作用使該涂層具有優(yōu)異的性能，使其能應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等關(guān)鍵零部件表面。

5 存在的主要問題及發(fā)展趨勢

制約激光熔覆MCrAlY涂層應(yīng)用的最大問題是涂層脆性高、裂紋傾向大。裂紋產(chǎn)生的原因主要?dú)w因于熔覆層內(nèi)部存在的較大殘余應(yīng)力［26］。目前所采用的抑制熔覆層開裂的方法主要為：調(diào)整應(yīng)力狀態(tài)，盡可能降低拉應(yīng)力；優(yōu)化工藝方法和參數(shù)；合理設(shè)計(jì)熔覆層等［27］。作者［27］提出了一種通過改變激光功率密度分布來控制熔覆層裂紋的方法，當(dāng)采用凸字形光斑進(jìn)行熔覆時(shí)，可在一定程度上起到了預(yù)熱、緩冷的效果，從而降低熔覆區(qū)與非熔覆區(qū)的溫度梯度；另外，在熔覆效果相當(dāng)?shù)那疤嵯拢撊鄹矊又械臍堄鄳?yīng)力也較小，因而可以有效減小熔覆層的開裂趨勢。

如前所述，制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合涂層、納米涂層、梯度涂層，添加活性元素對涂層改性以及抑制熔覆層的開裂等都是當(dāng)前激光熔覆MCrAlY涂層領(lǐng)域的研究方向，另外基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化及熔覆過程數(shù)值模擬也是研究方向之一。

激光熔覆過程非常復(fù)雜，影響因素很多，包括激光功率、光斑尺寸、離焦量、激光束模式、掃描速度、熔覆層厚度和搭接量等。這些因素都不同程度地影響了熔覆層的質(zhì)量，而且各個(gè)因素之間相互作用的關(guān)系復(fù)雜，因此工藝參數(shù)與涂層質(zhì)量之間是復(fù)雜的非線性關(guān)系，很難找到一個(gè)反映其內(nèi)部規(guī)律的精確的數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)階段優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)的方法是以大量的工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，積累加工經(jīng)驗(yàn)，但這種方法工作量大，成本高。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜非線性工程建模中得到了廣泛應(yīng)用。由于復(fù)雜的邏輯操作能力和高度的非線性函數(shù)逼近能力，以及很強(qiáng)的容錯(cuò)性、自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力、并行處理信息能力及非線性的映射能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被用于激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化［28］。

激光熔覆過程中涉及的主要物理場有溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場和流場等。通過建立激光熔覆過程中各種物理現(xiàn)象模型，包括溫度場和應(yīng)力場，可以發(fā)現(xiàn)工藝過程中各種主要物理量的變化規(guī)律，以及各種工藝參數(shù)對這些物理量的影響規(guī)律，從而達(dá)到對材料以及材料加工過程中成分、工藝、組織結(jié)構(gòu)及性能的控制和優(yōu)化。作者［29］采用ANSYS有限元軟件中的間接熱力耦合方法，建立了激光熔覆MCrAlY涂層熱力耦合有限元模型，對激光重熔溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了分析。在掌握激光熔覆以及冷卻過程中溫度場和應(yīng)力場隨時(shí)間變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析了熔覆層中裂紋形成的機(jī)理及影響因素，并提出了一些解決激光重熔層裂紋產(chǎn)生的主要方法。文獻(xiàn)［30］使用ANSYS軟件對激光熔覆 MCrAlY涂層的溫度場進(jìn)行了模擬，并計(jì)算了形狀控制因子。結(jié)果表明，在熱源中心正下方的晶粒是沿基體垂直方向析出的；冷卻速率越大，晶粒越細(xì)小；熔覆材料或基材達(dá)到熔點(diǎn)的時(shí)間與達(dá)到最大冷卻速率時(shí)間的先后順序?qū)ζ淠探M織形態(tài)有重要影響，若冷卻速率先達(dá)到最大值，其組織呈胞狀晶粒，否則，其組織呈柱狀樹枝晶，這個(gè)研究結(jié)果有助于指導(dǎo)激光熔覆凝固行為的研究。

6 結(jié)束語

采用激光熔覆技術(shù)制備MCrAlY涂層已成為近年來的研究熱點(diǎn)，并且取得了一定成果，但與對其越來越高的性能要求相比仍有不少差距，諸多相關(guān)技術(shù)（如感應(yīng)加熱輔助激光熔覆技術(shù)、脈沖電流輔助激光熔覆技術(shù)及激光熔覆原位生成顆粒增強(qiáng)梯度涂層技術(shù)等）有待進(jìn)一步深入探索和研究，從而使其在實(shí)際應(yīng)用中得以更好的發(fā)揮。

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