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空氣等離子噴涂NiCr/Cr2C3涂層的制備及抗熱震性能

1.引言目前,航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫固體潤(rùn)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(diǎn)[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(chǎng)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(dòng)機(jī)高溫固體潤(rùn)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(diǎn) [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(chǎng)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(yīng)性強(qiáng);熱噴涂施工對(duì)基體的熱影響?。怀杀镜?,經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此,在各工業(yè)領(lǐng)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 32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(yīng)用于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中,以提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命 [8] [9] [10] [11] 。

本文采用包覆技術(shù)制備了NiCr/Cr 32復(fù)合粉體,并采用空氣等離子噴涂技術(shù)制備了NiCr/Cr 32復(fù)合涂層,研究了涂層的抗熱震性能,為該涂層在高溫下的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2. 實(shí)驗(yàn)

2.1. 材料制備

按一定比例在分別在Cr 32細(xì)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(duì)Cr 32粉體表面包覆的鎳層滲Cr,工藝條件為950℃,保溫時(shí)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(shí)間為2 h,最后將粉體進(jìn)行篩分,得到可用于等離子噴涂的NiCr/Cr 32粉體。制備的NiCr/Cr 32 復(fù)合粉體中NiCr占25% (wt.%),Cr 32占75% (wt.%),其中Ni:Cr = 80:20(wt.%)。

本實(shí)驗(yàn)采用鎳基高溫合金作為基體材料,噴涂之前需要對(duì)基體進(jìn)行預(yù)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(jī)對(duì)基體的噴涂表面進(jìn)行噴砂預(yù)處理,以提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

采用APS-2000K型等離子噴涂設(shè)備制備涂層。為了提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)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(jìn)行觀察;涂層的物相表征在Philips X’ PERT X射線衍射儀上測(cè)試。采用德國(guó)Linseis Messgeraete GmbH.L75/1550高溫?zé)崤蛎泝x測(cè)試涂層熱膨脹系數(shù)。測(cè)試前將涂層線切割為 20 mm × 4 mm × 0.5 mm 的長(zhǎng)條,測(cè)試介質(zhì)為空氣,測(cè)試溫度從室溫到900℃,升溫速度為5℃/min。

涂層抗熱震性能測(cè)試:采用SX-5-12型馬弗爐對(duì)粉體進(jìn)行抗熱震性試驗(yàn)。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(shí)驗(yàn),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 23粉體的SEM圖。從圖中可以看出,NiCr/Cr 23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 23涂層的SEM圖。從圖中2(a)中可以看出,等離子噴涂NiCr/Cr 23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?yàn)镹iCr,灰色區(qū)域?yàn)镃r2C3,黑色區(qū)域?yàn)闅饪住?

3.2. 涂層的物相結(jié)構(gòu)分析

圖3是等離子噴涂NiCr/Cr 32復(fù)合涂層的XRD分析。從圖中可以看出,涂層的主晶相為NiCr和Cr 32相,同時(shí)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

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 32 powder

圖1. 等離子噴涂NiCr/Cr 23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 32復(fù)合涂層的抗熱震性能。從表中可以看出,NiCr/Cr 32復(fù)合涂層在700℃、800℃和850℃時(shí),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(shí)抗熱震性能良好,均滿足使用要求。

Figure 2. SEM morphologies of the APS sprayed NiCr/Cr 32 coating

圖2. 等離子噴涂NiCr/Cr 23涂層的SEM圖

Figure 3. XRD pattern of the APS sprayed NiCr/Cr 32 coating

圖3. 等離子噴涂NiCr/Cr 32涂層的XRD分析

Times of thermal shock tests

700 ℃

800 ℃

850 ℃

NiCr/Cr 32

≥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 32復(fù)合涂層的抗熱震性能

Figure 4. Coefficients of thermal expansion of the APS sprayed NiCr/Cr 32 coating

圖4. 等離子噴涂NiCr/Cr 32涂層的熱膨脹系數(shù)

為了進(jìn)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(cè)試了等離子噴涂NiCr/Cr 32復(fù)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 32復(fù)合涂層從室溫到900℃熱膨脹系數(shù)較平穩(wěn),因此溫度對(duì)等離子噴涂NiCr/Cr 32復(fù)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 32復(fù)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 32復(fù)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 23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 32相,同時(shí)還有少量的Cr2O3和NiO相存在。

3) 涂層在700℃、800℃和850℃時(shí)抗熱震性能良好,均滿足使用要求。


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