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??；成本低，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 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(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 3C 2復(fù)合粉體，并采用空氣等離子噴涂技術(shù)制備了NiCr/Cr 3C 2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 3C 2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 3C 2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 3C 2粉體。制備的NiCr/Cr 3C 2 復(fù)合粉體中NiCr占25% (wt.%)，Cr 3C 2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 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?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 3C 2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 3C 2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。

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(fù)合涂層的抗熱震性能。從表中可以看出，NiCr/Cr 3C 2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。

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 3C 2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 3C 2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 3C 2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 3C 2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 3C 2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 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(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。