王彥軍,梁加寬,冀曉鵑,苗小峰,張思源,張?chǎng)?,章德銘,陰蔭
(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 100160;2. 中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司,株洲 412002;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)
Al-Si 合金由于質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好,具有一定強(qiáng)度、硬度以及耐蝕性能,其快速凝固合金與涂層均有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。絲材火焰噴涂主要是以金屬、合金及復(fù)合絲材等為材料進(jìn)行涂層制備技術(shù),該類(lèi)涂層可賦予基體表面新的性能(如耐磨、隔熱、封嚴(yán)等),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基體表面的防護(hù)作用。鋁硅絲材是一種鋁硅合金材料,硅含量6 wt.%左右,其余為鋁及少量雜質(zhì)。以鋁硅絲材為原料,采用火焰噴涂的方法可獲得鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層,涂層具有可磨耗性、耐沖蝕性、熱穩(wěn)定性、摩擦系數(shù)較小及抗氧化性等特點(diǎn),是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)機(jī)匣、渦輪轉(zhuǎn)子外環(huán)、渦輪機(jī)匣、葉輪外罩等部位常用的噴涂面層。鋁硅自熔性噴涂絲材的熔點(diǎn)為621 ℃,除了用于制備可磨耗封嚴(yán)涂層外,還可用于修復(fù)鋁部件、修補(bǔ)鋁鑄件砂眼和修復(fù)鑄鋁用的鑄型等[4]。本文通過(guò)拉拔技術(shù)制備滿(mǎn)足火焰噴涂用的Al-6Si 絲材,重點(diǎn)對(duì)絲材成型退火工藝進(jìn)行研究,并對(duì)比了與進(jìn)口絲材噴涂的鋁硅面層孔隙率、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度及熱震性能等的差異,以期獲得滿(mǎn)足火焰噴涂鋁硅涂層性能要求的Al-6Si 絲材。
本試驗(yàn)主要通過(guò)拉拔工藝制備Al-6Si 絲材,所用原料為φ5 mm 的鋁硅合金線坯,化學(xué)成分見(jiàn)表1。
表1 鋁硅合金線坯化學(xué)成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of aluminum-silicon alloy wire billet(wt.%)
鋁硅合金線坯經(jīng)過(guò)450 ℃、2 h 均勻化退火處理,以提升鋁硅合金線坯的塑性變形能力,然后將退火后的絲材裝入拉拔設(shè)備,進(jìn)行4 道次冷拉拔和光亮化表面處理,直徑從φ5 mm 拉拔至φ3.17 mm,最后進(jìn)行成品退火處理。采用絲材火焰噴涂設(shè)備(Metco 6P,型號(hào)16E)噴涂制備鎳鋁底層和鋁硅面層,底層噴涂絲材選用Metco 405A 鎳鋁絲材,面層噴涂絲材分別采用自制的Al-6Si 絲材和Metco SF Aluminum 鋁硅絲材進(jìn)行噴涂,并對(duì)兩種涂層進(jìn)行性能比較。鎳鋁絲材底層和鋁硅絲材面層噴涂工藝參數(shù)均為:O2流量43 L/min,C2H2流量40 L/min,空氣流量53 L/min,送絲速度900 mm/min,噴距150 mm。
采用GALDABINI 公司QUASAR 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)試;采用ZEISS HAL100 型光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣的金相組織進(jìn)行表征;采用FEI 公司的QUANTA 400 型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)Al-6Si 絲材截面形貌和涂層微觀組織進(jìn)行觀察;采用WOLPERT 公司402MVA 型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)涂層顯微硬度進(jìn)行檢測(cè);采用WDW-100A 型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試。
2.1.1 退火溫度對(duì)鋁硅合金線坯力學(xué)性能影響
本文制備火焰噴涂所需的φ3.17 mmAl-6Si 絲材,需將φ5 mm 的鋁硅合金線坯進(jìn)行拉拔減徑。但由于鋁硅合金線坯經(jīng)過(guò)大變形量的軋制,合金內(nèi)產(chǎn)生加工硬化,形變儲(chǔ)能高,合金的塑性變形差,不利于后端的拉拔。因此,在進(jìn)行拉拔前需對(duì)鋁硅合金線坯進(jìn)行退火處理,通過(guò)退火工藝可消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力增加塑性變形能力。試驗(yàn)對(duì)300~550 ℃恒溫2 h 的均勻退火工藝進(jìn)行對(duì)比,退火后對(duì)鋁硅合金線坯的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表2 所示。
表2 不同退火溫度鋁硅合金線坯力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of Al-Si alloy wire billets at different annealing temperatures
由表2 可知,在退火溫度300~450 ℃的范圍內(nèi),隨著退火溫度的升高,抗拉強(qiáng)度從196 MPa 逐漸降低至 157 MPa,伸長(zhǎng)率從17.6%增加至26.5%,該溫度區(qū)間鋁硅合金線坯抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率變化較大,但當(dāng)溫度從450 ℃升至500 ℃之后,抗拉強(qiáng)度從157 MPa 增加至 159 MPa,伸長(zhǎng)率從26.5% 減小至25.2%,抗拉強(qiáng)度增加,伸長(zhǎng)率減小。說(shuō)明從300 ℃逐漸升到450 ℃,鋁硅合金組織中晶粒再結(jié)晶生長(zhǎng),晶粒大小、形狀逐漸趨于一致,合金的抗拉強(qiáng)度降低,伸長(zhǎng)率逐漸變大,當(dāng)退火溫度達(dá)到450 ℃,合金組織均勻,塑性最佳。而當(dāng)退火溫度達(dá)到500 ℃時(shí),鋁硅合金的抗拉強(qiáng)度增加,伸長(zhǎng)率減小,推測(cè)可能是組織中晶粒急劇長(zhǎng)大[5],塑性變差。
2.1.2 退火溫度對(duì)Al-6Si 絲材組織的影響
退火后的鋁硅合金線坯由5 mm 減徑拉拔至3.17 mm 獲得成品絲材,但由于拉絲形變加工而造成殘余應(yīng)力,使絲材硬度增加,塑性變形能力變差,不利于絲材噴涂過(guò)程送絲,因此需對(duì)成品Al-6Si 絲材再次進(jìn)行均勻化退火以及穩(wěn)定晶粒尺寸。試驗(yàn)選用 300~450 ℃退火溫度進(jìn)行研究,退火時(shí)間1 h,對(duì)退火后的Al-6Si 絲材進(jìn)行金相組織觀察和分析,不同溫度絲材截面的組織如圖 1 所示。從圖1 可以看出,300 ℃絲材晶粒分布不均,隨著溫度增加至400 ℃,晶粒尺寸變化趨于均勻,而當(dāng)溫度增加至450℃,晶粒長(zhǎng)大明顯,對(duì)絲材塑性產(chǎn)生不利影響。因此合適的成品退火溫度為 400 ℃。圖2 是退火后的絲材的外觀和微觀形貌分析。如圖2 所示,所制備的絲材表面光滑,無(wú)肉眼可見(jiàn)毛刺、劃痕及疤痕,有利于絲材火焰噴涂。從Al-6Si 絲材截面微觀形貌可以看出絲材內(nèi)部致密、無(wú)氣孔、縮孔等缺陷。
圖1 不同退火溫度對(duì)成品絲材組織的影響:(a) 300℃;(b) 350℃;(c) 400℃;(d) 450℃Fig.1 Effects of different annealing temperatures on the microstructure of finished wires:(a) 300℃;(b) 350℃;(c) 400℃;(d) 450℃
圖2Al-6Si 絲材外觀及截面微觀形貌:(a) 絲材外觀;(b) 絲材微觀形貌Fig.2 Appearance and cross-sectional micro-morphology of Al-6Si wire: (a) wire appearance; (b) wire micro-morphology
2.2.1 涂層孔隙率分析
孔隙率是衡量涂層防護(hù)性能的關(guān)鍵指標(biāo)[6],封嚴(yán)涂層的重要特點(diǎn)是具有可磨耗性能[7],孔隙的數(shù)量增加對(duì)涂層性能的影響主要有兩個(gè)方面:(1) 提高可磨耗性能,隨著封嚴(yán)涂層內(nèi)孔隙數(shù)量增多,增加易碎結(jié)構(gòu)[8],使刮削產(chǎn)物尺寸盡可能微細(xì),涂層整體硬度、涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度均會(huì)下降,可磨耗性變好;(2) 增加隔熱性能,密布微孔有效降低涂層的彈性模量緩解熱應(yīng)力,使涂層熱導(dǎo)率下降[3]。但過(guò)多的孔隙會(huì)造成涂層結(jié)構(gòu)極度蓬松,涂層之間內(nèi)聚力極弱,沒(méi)有足夠的強(qiáng)度抵抗外部顆粒和高溫氣流的沖蝕作用,涂層易產(chǎn)生脫落。圖3 是采用火焰噴涂后鋁硅涂層微觀形貌,可以看出研制的Al-6Si 絲材和進(jìn)口鋁硅絲材涂層微觀形貌基本相當(dāng),兩種絲材制備的涂層致密均勻,與鎳鋁底層界面結(jié)合良好,孔隙率4%~6%,滿(mǎn)足了絲材火焰噴涂鋁硅涂層孔隙率小于12%要求。
圖3 鋁硅絲材涂層微觀形貌:(a) 自制Al-6Si 絲材涂層;(b) 進(jìn)口鋁硅絲材(Metco SF Aluminum)涂層Fig.3 Micromorphology of Al-6Si wire coating: (a) self-made wire coating; (b) imported wire coating
2.2.2 涂層顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度
Al-6Si 絲材主要是應(yīng)用于封嚴(yán)涂層,其正常工作溫度應(yīng)達(dá)到 650 ℃以上,這必須要求涂層與基體具有良好的性能匹配性、高溫穩(wěn)定性、較優(yōu)異的表面硬度和結(jié)合強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中,鋁硅絲材涂層其表面硬度 大于70 HV0.3,結(jié)合強(qiáng)度≥25 MPa,表3、表4 分別給出了研制的Al-6Si 絲材和進(jìn)口鋁硅絲材涂層的顯微硬度及結(jié)合強(qiáng)度,兩種涂層的顯微硬度平均值分別為82.9 HV0.3和81.2 HV0.3,基本相當(dāng),制備的Al-6Si 絲材涂層結(jié)合強(qiáng)度為42.1 MPa,稍高于進(jìn)口絲材35.3 MPa,滿(mǎn)足封嚴(yán)涂層的使用要求。
表3 涂層顯微硬度(HV0.3)Table 3 Coating microhardness(HV0.3)
表4 涂層結(jié)合強(qiáng)度(MPa)Table 4 Coating bond strength(MPa)
2.2.3 熱震性能
將自制Al-6Si 絲材涂層和進(jìn)口鋁硅絲材涂層試片放入450±5 ℃的爐中保溫,保溫5~10 分鐘后,迅速投入20±5 ℃水中淬冷,采用目視或10倍放大鏡檢查涂層外觀,無(wú)起泡、分離、剝落和開(kāi)裂現(xiàn)象,循環(huán)次數(shù)25 次。經(jīng)25 次熱震循環(huán)后,采用自制和進(jìn)口鋁硅絲材制備試片表面涂層均較完整,無(wú)起泡、分離、剝落和開(kāi)裂現(xiàn)象,如圖4所示。
圖4 熱震試驗(yàn)前后涂層外觀:(a)試驗(yàn)前自制Al-6Si 絲材涂層;(b)試驗(yàn)后自制Al-6Si 絲材涂層;(c)試驗(yàn)前進(jìn)口鋁硅絲材涂層;(d)試驗(yàn)后進(jìn)口鋁硅絲材涂層Fig.4 Coating appearance before and after thermal shock test: (a) self-made Al-6Si wire coating before the test; (b) self-made Al-6Si wire coating after the test;(c) imported Al-6Si wire coating before the test; (d) imported Al-6Si wire coating after the test
(1) 經(jīng)過(guò)退火,改善了鋁硅合金線坯力學(xué)性能。退火溫度300~450 ℃,抗拉強(qiáng)度從196 MPa 降低至 157 MPa,伸長(zhǎng)率從17.6%增加至26.5%,退火溫度升至500 ℃之后,抗拉強(qiáng)度增加,伸長(zhǎng)率減小,塑性變差。
(2) Al-6Si 合金絲經(jīng)過(guò)400 ℃退火處理,晶粒尺寸變化趨于均勻,而當(dāng)溫度增加至450 ℃,晶粒長(zhǎng)大明顯,對(duì)絲材塑性不利,因此合適的成品退火工藝為400 ℃。所制備的Al-6Si 絲材表面光滑、內(nèi)部致密、無(wú)氣孔、縮孔等缺陷。
(3) 采用自制Al-6Si 絲材和進(jìn)口鋁硅絲材進(jìn)行噴涂試驗(yàn),兩種涂層孔隙率、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度及熱震等性能基本相當(dāng),滿(mǎn)足封嚴(yán)涂層應(yīng)用要求。