陸在平 倪登悅 馬 堯 胡 宇 杜開平

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.陸軍邊海防學(xué)院，烏魯木齊 830023；3.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206；4.特種涂層材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；5.北礦新材科技有限公司，北京 102206)

高溫合金粉末是航空航天發(fā)動機(jī)、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)等高溫部件不可或缺的關(guān)鍵材料之一，MCrAlY合金(M=Co、Ni或它們的組合)因其優(yōu)良的抗高溫腐蝕性，廣泛應(yīng)用于各類發(fā)動機(jī)葉片材料的高溫防護(hù)上[1]。涂層材料的性能取決于粉體材料和涂層的制備工藝。粉末的形貌、組織結(jié)構(gòu)和粒度分布等粉末特性取決于制粉的工藝、設(shè)備和方法，粉體材料的質(zhì)量直接影響涂層的質(zhì)量，從而影響整個工件的服役性能[2]。粉體材料中氧、氮、氫等陶瓷夾雜影響涂層的性能，涂層中的氧含量尤其影響涂層的抗氧化性[3]。國內(nèi)鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院、中南大學(xué)、西北大學(xué)等開展了高溫合金粉末潔凈度控制及其后續(xù)制備研究[4-5]，但對熱噴涂使用的高溫合金粉末質(zhì)量潔凈度控制和相應(yīng)涂層制備研究的較少。

超低壓等離子噴涂是在超低壓保護(hù)氣氛下進(jìn)行的等離子噴涂技術(shù)，相對于其它工藝，合金粉末不會在粉體加熱狀態(tài)下氧化，制備的涂層成分穩(wěn)定、氧含量低、結(jié)合強(qiáng)度高、空隙率低、致密度高，可作為MCrAlY涂層制備的工藝之一[6]。本文采用VIGA 16真空惰氣霧化設(shè)備制備MCrAlY合金粉末，對粉末的形貌、氣體含量、夾雜控制進(jìn)行分析，并用超低壓等離子噴涂(LPPS-TF)工藝制備涂層，研究涂層的組織與性能，為制取高性能涂層提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)

按合金目標(biāo)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：Co 23、Cr 25、Al 6.5、Y 0.75，Ni為余量的比例，將塊狀純金屬原料進(jìn)行配料。熔煉爐采用真空中頻感應(yīng)爐(200 kW)，真空氣霧化制粉設(shè)備采用進(jìn)口的VIGA 16設(shè)備。將真空中頻感應(yīng)爐抽真空至10-2Pa以下，通氬氣保護(hù)。為使合金液中的金屬元素分布均勻，在熔煉過程中控制加熱時間和功率，讓電磁攪拌達(dá)到良好效果，調(diào)整功率，通過抽氣和補(bǔ)氣進(jìn)行精煉。在熔體過熱度為150～200 K時霧化制粉。霧化介質(zhì)氣體為氬氣(純度≥99.99%)。METCO LPPS-TF超低壓等離子噴涂系統(tǒng)的主要噴涂參數(shù)見表1。

表1 LPPS-TF超低壓等離子噴涂工藝參數(shù)

把粉末和涂層磨成金相試樣，經(jīng)過冷鑲、機(jī)械研磨、拋光后在日立SU5000場發(fā)射掃描電鏡上觀察其微觀形貌。用脈沖紅外熱導(dǎo)氧氫分析儀ELEMENTRAC ONH-p檢測氧、氮、氫含量。采用布魯克 D8 ADVANCE X射線衍射儀分析粉末的結(jié)構(gòu)。涂層的結(jié)合強(qiáng)度按民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MH/T 3027-2013的標(biāo)準(zhǔn)測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末的結(jié)構(gòu)和性能

合金粉末的掃描電鏡(SEM)形貌如圖1所示，X射線衍射(XRD)圖譜見圖2。

圖1 MCrAlY合金粉末的SEM形貌Fig.1 SEM morphologies of MCrAlY alloy powder

圖2 高溫合金粉末的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of the atomized powder

從圖1可以看出，合金粉末球形度好、粒度分布較窄，顆粒表面非常光滑，但從圖1(a)也可以看出，粉末中也存在極少量細(xì)小的顆粒粘附在大顆粒表面的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵陟F化過程中，大液滴可能還在液態(tài)或半固態(tài)，比表面積較大，且表面粗糙，而小的液滴已經(jīng)完全凝化，大顆粒和小顆粒在氣流和自身重力的作用下發(fā)生碰撞，從而使得小顆粒粘附在大顆粒上，形成衛(wèi)星球[7-9]。

從圖2可以看出，粉末的XRD圖譜主要為寬化的漫散射峰和尖銳的γ相(Co，Ni)、β相((Co，Ni)Al)，說明所制粉末主要為非晶態(tài)和晶態(tài)結(jié)構(gòu)[3]。

2.2 氣體含量

在制粉過程中，采用全新料(全部為新料)為原料可制取氧含量125×10-6的粉末，由于出粉率相對穩(wěn)定，需要添加部分返料和新料一起使用，因此，氣體含量對返料的循環(huán)使用影響很大，氧和氮的合金中易形成氧化物或氮化物夾雜，而這些夾雜天然就是形成涂層孔洞的主要來源之一，在高溫使用狀態(tài)下，易使涂層形成裂紋，嚴(yán)重時會使涂層發(fā)生脫落。氫是原子半徑最小的元素，進(jìn)入鎳基材料可引發(fā)塑性減損、強(qiáng)度變化、氫致裂紋擴(kuò)展等一系列損傷。

所制備粉末氮、氧、氫氣體含量典型結(jié)果見表1。由表1可知，氬氣霧化高溫合金中氣體含量很低，幾乎不含氫，與原材料相比，氧、氮的增量均非常小，大大減少了材料中各種非金屬材料的夾雜物含量。同時也比氮?dú)忪F化含有更少量的氮化物，表明合金熔化和霧化工藝控制適當(dāng)，設(shè)備真空度高。特別是與氮?dú)忪F化不同，采用氬氣霧化時，氮、氧含量在一個很低水平，返料可多次循環(huán)使用。

表2 霧化粉末氮、氧、氫含量

2.3 夾雜控制

夾雜主要在生產(chǎn)工藝過程帶來的，根據(jù)來源分為陶瓷夾雜、異金屬夾雜、有機(jī)物夾雜。其中，陶瓷夾雜主要來源于與合金液直接接觸的耐火材料，如熔煉的預(yù)制坩堝、澆注中間包、導(dǎo)流嘴等；異金屬夾雜是在產(chǎn)品品種切換時，異金屬粘附在制粉設(shè)備內(nèi)帶入；有機(jī)物夾雜主要在包裝制備的粉體材料時進(jìn)入。對陶瓷夾雜的控制主要取決于對耐火材料的選用和質(zhì)量控制，對異金屬夾雜而言，應(yīng)盡量減少品種切換和加強(qiáng)首爐次的控制[10]。

對于制備的粉體，還需要進(jìn)行后續(xù)的夾雜控制處理。主要的控制方法有惰性氣體保護(hù)分級、氣體浮選、氣流磨等。受處理效率和成本的制約，我們采用的控制方法主要是惰性氣體保護(hù)分級、靜電分離和超聲波旋振篩分。經(jīng)過前期原料選擇，對熔煉、霧化工藝控制，后期粉末處理，粉末粒度控制在15～38 μm內(nèi)，夾雜物含量小于3個/(100 g)。

2.4 涂層性能

圖3是超低壓等離子噴涂的涂層表面形貌照片。從圖3可以看出，涂層組織結(jié)構(gòu)致密，基體與涂層緊密結(jié)合，界面不是很明顯，且與其它噴涂方法制取的涂層不同，粉末顆粒的堆垛效果不明顯。這是因?yàn)槌蛪旱入x子在低壓條件下，在高溫和高速的離子束作用下，粉末顆粒處于完全熔化的狀態(tài)，由于環(huán)境氧含量極低，粒子的氧化程度很小，不易形成氧化物層，在噴涂層和已噴涂層之間凝固熔合，因而在涂層形成過程中撞擊基體表面，扁平化效果好，最終的涂層以致密型的層片狀結(jié)構(gòu)形式存在[11]。經(jīng)測量，氧含量在0.18%，相比粉末，氧增量在0.16%。

圖3 NiCoCrAlY涂層的截面形貌圖Fig.3 The cross-sectional micrographies of NiCoCrAlY coatings

在涂層的形成過程中，熔化的粒子以扁平化的方式，一層一層地沉積于基體的表面，因而，在層與層之間由于堆垛沉積，孔隙不可避免的存在，形成粒子與粒子間的豎直狀孔隙。涂層表面的氧吸附和內(nèi)部的氧化會以這些孔隙為釋放通道，最終影響涂層的抗氧化性[12]。在超低壓等離子噴涂過程中，由于基體預(yù)熱溫度在900 ℃左右，涂層具有較低的溫度梯度，在較低的溫度梯度下，冷卻速度較為緩慢，有利于消除層間的邊界和孔隙，形成均勻的致密涂層。視場法[13]測定涂層孔隙率結(jié)果表明涂層孔隙率0.6%，涂層結(jié)合強(qiáng)度81.3 MPa，達(dá)到真空離子噴涂的效果。

3 結(jié)論

1)采用VIGA 16氬氣霧化制粉+超低壓等離子噴涂，在生產(chǎn)過程中可減少與氧的結(jié)合，制備出高結(jié)合強(qiáng)度，低孔隙率的涂層。

2)用VIGA 16氬氣霧化制備的合金粉末大部分呈球形，也存在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)及不規(guī)則形狀，粉末含氧、氮、氫在較低水平，通過工藝前處理和粉末后處理，可降低粉末中的各類夾雜。

3)相比粉末，超低壓等子噴涂涂層的氧增量在0.2%，涂層的孔隙率在0.6%，但影響涂層組織結(jié)構(gòu)的因素較多，如真空度、噴涂功率、送粉量、噴涂距離等。如何做到涂層性能最佳、成本最優(yōu)，需要深入研究。