空氣等離子噴涂NiCr/Cr2C3涂層的制備及抗熱震性能

1805　 2022-08-27 08:47:16

1.引言目前，航空發(fā)動機高溫固體潤滑耐磨涂層較多采用熱噴涂技術(shù)制備[1][2][3][4][5]。與其它制備方法相比，熱噴涂技術(shù)具有以下優(yōu)點[6][7]：可噴涂的材料范圍廣，包括各種金屬及合金、陶瓷及金屬陶瓷、塑料、非金屬礦物等幾乎所有固態(tài)工程材料；能夠在多種金屬粘結(jié)相上形成涂層，包括金屬基體、陶瓷基體、塑料基體、石膏、木材甚至紙板上都能噴涂；不受被噴涂工件尺寸和施工場所的限制；涂層沉積效率較高，涂層厚度容易控制；施工藝

1. 引言

目前，航空發(fā)動機高溫固體潤滑耐磨涂層較多采用熱噴涂技術(shù)制備 [1] [2] [3] [4] [5] 。與其它制備方法相比，熱噴涂技術(shù)具有以下優(yōu)點 [6] [7] ：可噴涂的材料范圍廣，包括各種金屬及合金、陶瓷及金屬陶瓷、塑料、非金屬礦物等幾乎所有固態(tài)工程材料；能夠在多種金屬粘結(jié)相上形成涂層，包括金屬基體、陶瓷基體、塑料基體、石膏、木材甚至紙板上都能噴涂；不受被噴涂工件尺寸和施工場所的限制；涂層沉積效率較高，涂層厚度容易控制；施工藝靈活，方便，迅速，適應性強；熱噴涂施工對基體的熱影響小；成本低，經(jīng)濟效益顯著。因此，在各工業(yè)領域，熱噴涂已發(fā)展成為一種不可缺少的熱加工技術(shù)。等離子噴涂NiCr/Cr 3C 2涂層材料具有較小的摩擦系和優(yōu)異的耐磨性能，已作為功能涂層材料應用于先進航空發(fā)動機中，以提高航空發(fā)動機的使用壽命 [8] [9] [10] [11] 。

本文采用包覆技術(shù)制備了NiCr/Cr 3C 2復合粉體，并采用空氣等離子噴涂技術(shù)制備了NiCr/Cr 3C 2復合涂層，研究了涂層的抗熱震性能，為該涂層在高溫下的應用提供理論依據(jù)。

2. 實驗

2.1. 材料制備

按一定比例在分別在Cr 3C 2細粉表面高壓氫還原包覆鎳層，然后采用固態(tài)合金化技術(shù)對Cr 3C 2粉體表面包覆的鎳層滲Cr，工藝條件為950℃，保溫時間為8 h，燒結(jié)氣氛為氫氣，然后將粉體離心噴霧造粒，將造粒后的粉體在氫氣氣氛下低溫除膠，溫度為900℃，保溫時間為2 h，最后將粉體進行篩分，得到可用于等離子噴涂的NiCr/Cr 3C 2粉體。制備的NiCr/Cr 3C 2 復合粉體中NiCr占25% (wt.%)，Cr 3C 2占75% (wt.%)，其中Ni:Cr = 80:20(wt.%)。

本實驗采用鎳基高溫合金作為基體材料，噴涂之前需要對基體進行預處理。首先，把基體放在洗衣粉水中超聲10 min，以除去基體表面的油漬和其它臟東西。清洗并干燥后，采用GS-943型吸入式干噴砂機對基體的噴涂表面進行噴砂預處理，以提高涂層與基體的結(jié)合強度。

采用APS-2000K型等離子噴涂設備制備涂層。為了提高涂層與基體的結(jié)合強度，噴涂之前先在基體上噴涂NiCrAl粘結(jié)層，其厚度一般為0.1~0.15 mm。經(jīng)優(yōu)化的涂層噴涂參數(shù)如表1所示。

2.2. 材料表征

粉體和涂層的組織結(jié)構(gòu)采用FEI Quanta 200 FEG電子掃描顯微鏡進行觀察；涂層的物相表征在Philips X’ PERT X射線衍射儀上測試。采用德國Linseis Messgeraete GmbH.L75/1550高溫熱膨脹儀測試涂層熱膨脹系數(shù)。測試前將涂層線切割為 20 mm × 4 mm × 0.5 mm 的長條，測試介質(zhì)為空氣，測試溫度從室溫到900℃，升溫速度為5℃/min。

涂層抗熱震性能測試：采用SX-5-12型馬弗爐對粉體進行抗熱震性試驗。將試樣分別置于700℃、800℃和850℃的電阻爐內(nèi)保溫5 min，然后取出迅速投入室溫下的水中，觀察涂層出現(xiàn)裂紋及脫落的次數(shù)，一般要求經(jīng)過7次抗熱震實驗，涂層仍不開裂、不剝落為合格。

3. 結(jié)果與分析

3.1. 粉體和涂層的顯微結(jié)構(gòu)分析

圖1是等離子噴涂NiCr/Cr 2C 3粉體的SEM圖。從圖中可以看出，NiCr/Cr 2C 3粉體呈球形，顆粒分布較均勻，顆粒尺寸在20~80 μm之間。

圖2是等離子噴涂NiCr/Cr 2C 3涂層的SEM圖。從圖中2(a)中可以看出，等離子噴涂NiCr/Cr 2C 3涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，涂層與結(jié)合層以及結(jié)合層與基體之間結(jié)合良好，涂層厚度約為100 μm。從圖2(b)中可以看出，涂層中白色區(qū)域為NiCr，灰色區(qū)域為Cr2C3，黑色區(qū)域為氣孔。

3.2. 涂層的物相結(jié)構(gòu)分析

圖3是等離子噴涂NiCr/Cr 3C 2復合涂層的XRD分析。從圖中可以看出，涂層的主晶相為NiCr和Cr 3C 2相，同時還有少量的Cr2O3和NiO相存在，說明粉體在熱噴涂過程中有少量的氧化。

Voltage (V)	Current (A)	Powder feed rate(g/min)	Spray distance (mm)	Ar			H2
Voltage (V)	Current (A)	Powder feed rate(g/min)	Spray distance (mm)	Flow rate(L/min)	Pressure (MPa)		Flow rate(L/min)	Pressure (MPa)
65	500	30	120	40		0.6	2.5	0.6

Table 1. Parameters of the APS thermal sprayed coatings

表1. 等離子噴涂涂層熱噴涂參數(shù)

Figure 1. SEM morphologies of the APS sprayed NiCr/Cr 3C 2 powder

圖1. 等離子噴涂NiCr/Cr 2C 3粉體的SEM圖

3.3. 涂層的抗熱震性能分析

表2是等離子噴涂NiCr/Cr 3C 2復合涂層的抗熱震性能。從表中可以看出，NiCr/Cr 3C 2復合涂層在700℃、800℃和850℃時，冷熱循環(huán)10次均未出現(xiàn)開裂或脫落的現(xiàn)象，說明該涂層在700℃、800℃和850℃時抗熱震性能良好，均滿足使用要求。

Figure 2. SEM morphologies of the APS sprayed NiCr/Cr 3C 2 coating

圖2. 等離子噴涂NiCr/Cr 2C 3涂層的SEM圖

Figure 3. XRD pattern of the APS sprayed NiCr/Cr 3C 2 coating

圖3. 等離子噴涂NiCr/Cr 3C 2涂層的XRD分析

	Times of thermal shock tests
	700 ℃	800 ℃	850 ℃
NiCr/Cr 3C 2	≥10	≥10	≥10

Table 2. Thermal shock tests of the APS sprayed NiCr/Cr 3C 2 composite coating

表2. 等離子噴涂NiCr/Cr 3C 2復合涂層的抗熱震性能

Figure 4. Coefficients of thermal expansion of the APS sprayed NiCr/Cr 3C 2 coating

圖4. 等離子噴涂NiCr/Cr 3C 2涂層的熱膨脹系數(shù)

為了進一步研究涂層和結(jié)合層以及結(jié)合層和基體之間的熱膨脹系數(shù)的匹配性，測試了等離子噴涂NiCr/Cr 3C 2復合涂層的熱膨脹系數(shù)，如圖4所示。從圖中可以看出，等離子噴涂NiCr/Cr 3C 2復合涂層從室溫到900℃熱膨脹系數(shù)較平穩(wěn)，因此溫度對等離子噴涂NiCr/Cr 3C 2復合涂層的熱膨脹系數(shù)的影響并不明顯，在高溫下等離子噴涂NiCr/Cr 3C 2復合涂層的熱膨脹系數(shù)大約為11.43 × 10?6 m/K，由于Ni基高溫合金的熱膨脹系數(shù)在14~15 × 10?6m/K之間，碳鋼的熱膨脹系數(shù)在14.7~15 × 10?6 m/K之間，因此等離子噴涂NiCr/Cr 3C 2復合涂層與Ni基高溫合金和碳鋼的熱膨脹系數(shù)均匹配性較好。

4. 結(jié)論

1) 等離子噴涂NiCr/Cr 2C 3涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，涂層與結(jié)合層以及結(jié)合層與基體之間結(jié)合良好。

2) 熱噴涂以后，涂層的主晶相為NiCr和Cr 3C 2相，同時還有少量的Cr2O3和NiO相存在。

3) 涂層在700℃、800℃和850℃時抗熱震性能良好，均滿足使用要求。