空氣等離(lí)子噴塗NiCr/Cr2C3塗層的制備及抗熱震性能

1296　 2022-08-27 08:47:16

1.引言目前，航空發動機高溫固體(tǐ)潤滑耐磨塗層較多采用熱噴塗技術制備[1][2][3][4][5]。與其它制備方法相比，熱噴塗技術具有以下(xià)優點[6][7]：可噴塗的材料範圍廣，包括各種金屬及合金、陶瓷及金屬陶瓷、塑料、非金屬礦物(wù)等幾乎所有固态工(gōng)程材料；能夠在多種金屬粘結相上形成塗層，包括金屬基體(tǐ)、陶瓷基體(tǐ)、塑料基體(tǐ)、石膏、木材甚至紙(zhǐ)闆上都能噴塗；不受被噴塗工(gōng)件尺寸和施工(gōng)場所的限制；塗層沉積效率較高，塗層厚度容易控制；施工(gōng)藝

1. 引言

目前，航空發動機高溫固體(tǐ)潤滑耐磨塗層較多采用熱噴塗技術制備 [1] [2] [3] [4] [5] 。與其它制備方法相比，熱噴塗技術具有以下(xià)優點 [6] [7] ：可噴塗的材料範圍廣，包括各種金屬及合金、陶瓷及金屬陶瓷、塑料、非金屬礦物(wù)等幾乎所有固态工(gōng)程材料；能夠在多種金屬粘結相上形成塗層，包括金屬基體(tǐ)、陶瓷基體(tǐ)、塑料基體(tǐ)、石膏、木材甚至紙(zhǐ)闆上都能噴塗；不受被噴塗工(gōng)件尺寸和施工(gōng)場所的限制；塗層沉積效率較高，塗層厚度容易控制；施工(gōng)藝靈活，方便，迅速，适應性強；熱噴塗施工(gōng)對基體(tǐ)的熱影響小(xiǎo)；成本低，經濟效益顯著。因此，在各工(gōng)業領域，熱噴塗已發展成爲一(yī)種不可缺少的熱加工(gōng)技術。等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 3C 2塗層材料具有較小(xiǎo)的摩擦系和優異的耐磨性能，已作爲功能塗層材料應用于先進航空發動機中(zhōng)，以提高航空發動機的使用壽命 [8] [9] [10] [11] 。

本文采用包覆技術制備了NiCr/Cr 3C 2複合粉體(tǐ)，并采用空氣等離(lí)子噴塗技術制備了NiCr/Cr 3C 2複合塗層，研究了塗層的抗熱震性能，爲該塗層在高溫下(xià)的應用提供理論依據。

2. 實驗

2.1. 材料制備

按一(yī)定比例在分(fēn)别在Cr 3C 2細粉表面高壓氫還原包覆鎳層，然後采用固态合金化技術對Cr 3C 2粉體(tǐ)表面包覆的鎳層滲Cr，工(gōng)藝條件爲950℃，保溫時間爲8 h，燒結氣氛爲氫氣，然後将粉體(tǐ)離(lí)心噴霧造粒，将造粒後的粉體(tǐ)在氫氣氣氛下(xià)低溫除膠，溫度爲900℃，保溫時間爲2 h，最後将粉體(tǐ)進行篩分(fēn)，得到可用于等離(lí)子噴塗的NiCr/Cr 3C 2粉體(tǐ)。制備的NiCr/Cr 3C 2 複合粉體(tǐ)中(zhōng)NiCr占25% (wt.%)，Cr 3C 2占75% (wt.%)，其中(zhōng)Ni:Cr = 80:20(wt.%)。

本實驗采用鎳基高溫合金作爲基體(tǐ)材料，噴塗之前需要對基體(tǐ)進行預處理。首先，把基體(tǐ)放(fàng)在洗衣粉水中(zhōng)超聲10 min，以除去(qù)基體(tǐ)表面的油漬和其它髒東西。清洗并幹燥後，采用GS-943型吸入式幹噴砂機對基體(tǐ)的噴塗表面進行噴砂預處理，以提高塗層與基體(tǐ)的結合強度。

采用APS-2000K型等離(lí)子噴塗設備制備塗層。爲了提高塗層與基體(tǐ)的結合強度，噴塗之前先在基體(tǐ)上噴塗NiCrAl粘結層，其厚度一(yī)般爲0.1~0.15 mm。經優化的塗層噴塗參數如表1所示。

2.2. 材料表征

粉體(tǐ)和塗層的組織結構采用FEI Quanta 200 FEG電(diàn)子掃描顯微鏡進行觀察；塗層的物(wù)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高溫熱膨脹儀測試塗層熱膨脹系數。測試前将塗層線切割爲 20 mm × 4 mm × 0.5 mm 的長條，測試介質爲空氣，測試溫度從室溫到900℃，升溫速度爲5℃/min。

塗層抗熱震性能測試：采用SX-5-12型馬弗爐對粉體(tǐ)進行抗熱震性試驗。将試樣分(fēn)别置于700℃、800℃和850℃的電(diàn)阻爐内保溫5 min，然後取出迅速投入室溫下(xià)的水中(zhōng)，觀察塗層出現裂紋及脫落的次數，一(yī)般要求經過7次抗熱震實驗，塗層仍不開(kāi)裂、不剝落爲合格。

3. 結果與分(fēn)析

3.1. 粉體(tǐ)和塗層的顯微結構分(fēn)析

圖1是等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 2C 3粉體(tǐ)的SEM圖。從圖中(zhōng)可以看出，NiCr/Cr 2C 3粉體(tǐ)呈球形，顆粒分(fēn)布較均勻，顆粒尺寸在20~80 μm之間。

圖2是等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 2C 3塗層的SEM圖。從圖中(zhōng)2(a)中(zhōng)可以看出，等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 2C 3塗層呈層狀結構，塗層與結合層以及結合層與基體(tǐ)之間結合良好，塗層厚度約爲100 μm。從圖2(b)中(zhōng)可以看出，塗層中(zhōng)白(bái)色區域爲NiCr，灰色區域爲Cr2C3，黑色區域爲氣孔。

3.2. 塗層的物(wù)相結構分(fēn)析

圖3是等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 3C 2複合塗層的XRD分(fēn)析。從圖中(zhōng)可以看出，塗層的主晶相爲NiCr和Cr 3C 2相，同時還有少量的Cr2O3和NiO相存在，說明粉體(tǐ)在熱噴塗過程中(zhōng)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(lí)子噴塗塗層熱噴塗參數

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

圖1. 等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 2C 3粉體(tǐ)的SEM圖

3.3. 塗層的抗熱震性能分(fēn)析

表2是等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 3C 2複合塗層的抗熱震性能。從表中(zhōng)可以看出，NiCr/Cr 3C 2複合塗層在700℃、800℃和850℃時，冷熱循環10次均未出現開(kāi)裂或脫落的現象，說明該塗層在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(lí)子噴塗NiCr/Cr 2C 3塗層的SEM圖

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

圖3. 等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 3C 2塗層的XRD分(fēn)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(lí)子噴塗NiCr/Cr 3C 2複合塗層的抗熱震性能

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

圖4. 等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 3C 2塗層的熱膨脹系數

爲了進一(yī)步研究塗層和結合層以及結合層和基體(tǐ)之間的熱膨脹系數的匹配性，測試了等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 3C 2複合塗層的熱膨脹系數，如圖4所示。從圖中(zhōng)可以看出，等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 3C 2複合塗層從室溫到900℃熱膨脹系數較平穩，因此溫度對等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 3C 2複合塗層的熱膨脹系數的影響并不明顯，在高溫下(xià)等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 3C 2複合塗層的熱膨脹系數大(dà)約爲11.43 × 10−6 m/K，由于Ni基高溫合金的熱膨脹系數在14~15 × 10−6m/K之間，碳鋼的熱膨脹系數在14.7~15 × 10−6 m/K之間，因此等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 3C 2複合塗層與Ni基高溫合金和碳鋼的熱膨脹系數均匹配性較好。

4. 結論

1) 等離(lí)子噴塗NiCr/Cr 2C 3塗層呈層狀結構，塗層與結合層以及結合層與基體(tǐ)之間結合良好。

2) 熱噴塗以後，塗層的主晶相爲NiCr和Cr 3C 2相，同時還有少量的Cr2O3和NiO相存在。

3) 塗層在700℃、800℃和850℃時抗熱震性能良好，均滿足使用要求。