何斐

中國(guó)航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司 江蘇常州 213022

1 序言

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)中間擴(kuò)散機(jī)匣基體材料為K438高溫合金，其局部表面需噴涂碳化鉻-鎳鉻鋁釔涂層以提高耐磨性能。碳化鉻-鎳鉻鋁釔涂層是一種常用的高溫耐磨涂層，它不僅具有很強(qiáng)的耐磨性能，同時(shí)還有優(yōu)良的抗熱腐蝕和抗氧化性能，最高工作溫度可達(dá)870℃，能夠滿足零件在高溫、劇烈振動(dòng)等工作環(huán)境下的性能要求。爆炸噴涂是一種先進(jìn)的致密涂層制備技術(shù)，其氣流溫度高（達(dá)3500~4000℃）、沖擊力大、粉末飛行速度快（達(dá)1200~1500m/s），制備的涂層具有片層狀、結(jié)構(gòu)細(xì)小、結(jié)合力強(qiáng)及孔隙率低等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

因此，在中間擴(kuò)散機(jī)匣的正式工藝中，采用了爆炸噴涂方法對(duì)該零件進(jìn)行碳化鉻-鎳鉻鋁釔涂層的制備， 并進(jìn)行了多批次零件的生產(chǎn)加工。然而，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制前期試車過(guò)程中，部分中間擴(kuò)散機(jī)匣碳化鉻-鎳鉻鋁釔涂層出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象，失效分析發(fā)現(xiàn)涂層剝落處界面存在大尺寸鎳鉻鋁釔底層殘留，且底層局部存在較大未熔顆粒，初步結(jié)論為底層粉末粒徑過(guò)大所致。為此，開(kāi)展了粉末粒徑對(duì)涂層性能影響的試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)

制備兩種碳化鉻-鎳鉻鋁釔涂層，所選用的面層材料均為Mecto 5546NS噴涂粉末，而底層材料則選用粒徑尺寸不同的兩種NiCrAlY噴涂粉末，見(jiàn)表1。

表1 涂層原材料使用

使用爆炸噴涂設(shè)備（型號(hào)：CCDS 2000）并采用經(jīng)固化穩(wěn)定后的工藝對(duì)兩組試片進(jìn)行涂層制備。針對(duì)兩種不同粒徑NiCrAlY底層粉末制備涂層性能進(jìn)行表征分析，具體分析如下。

（1）涂層金相組織 采用掃描電子顯微鏡（FEI Quanta 600）對(duì)涂層金相組織進(jìn)行觀察，在200倍下觀察涂層的孔隙率、未熔顆粒和界面污染物。

（2）涂層成分 采用掃描電子顯微鏡自帶的EDS能譜儀對(duì)涂層的成分組成進(jìn)行分析。

（3）涂層厚度 采用掃描電子顯微鏡自帶的尺寸測(cè)量軟件對(duì)涂層厚度進(jìn)行分析。

（4）涂層顯微硬度 按HB 5486—1991采用顯微硬度計(jì)對(duì)涂層的顯微硬度進(jìn)行檢測(cè)，載荷300g（1kg=9.8N），保持時(shí)間15s。

（5）涂層結(jié)合強(qiáng)度 按HB 5476—1991采用電子拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行分析，加載速度1.27mm/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 涂層金相組織

通過(guò)對(duì)不同涂層金相組織背散射照片（見(jiàn)圖1）觀察發(fā)現(xiàn)，兩種不同底層粉末制備的涂層均連續(xù)致密，無(wú)裂紋、界面分離等現(xiàn)象出現(xiàn)。

不同涂層金相組織的二次電子照片如圖2所示，表2為兩種涂層具體孔隙率、未熔顆粒和界面污染物數(shù)值對(duì)比。從中可以看出，兩種涂層的孔隙率、未熔顆粒及界面污染物差別不大，且均符合工藝要求值。相較而言，細(xì)粉制備的涂層未熔顆粒及界面污染物數(shù)值稍低。

圖1 不同涂層金相組織背散射照片

圖2 不同涂層金相組織二次電子照片

表2 不同涂層孔隙率、未熔顆粒和界面污染物數(shù)值（%）

3.2 涂層成分

圖3 為兩種涂層面層成分分析圖譜，從中可以看出所制備涂層主要成分為Cr、Ni、Al、Y，涂層為Cr3C2與NiCrAlY的混合組分，其中粗粉涂層成分分析區(qū)域由于存在較多淺灰色的NiCrAlY組分，Ni含量增加。

兩種涂層底層成分分析圖譜如圖4所示。分析結(jié)果表明，兩種粒徑NiCrAlY粉末制備的底層成分基本一致，均符合粉末組成成分驗(yàn)收要求。

3.3 涂層厚度

從粗粉底層制備的涂層厚度分析（見(jiàn)圖5）可以看出，粗粉底層厚度均勻性較差，底層某些部位厚度達(dá)0.122mm，超出了工藝要求值范圍（0.01~0.08mm）。

由細(xì)粉底層制備的涂層厚度分析（見(jiàn)圖6）結(jié)果得出，細(xì)粉底層厚度均勻性較好，均在工藝要求值范圍內(nèi)（0.01~0.08mm）。

通過(guò)分析不同涂層底層厚度均值及偏差（見(jiàn)圖7）可以看出，采用細(xì)粉噴涂底層的厚度均值及偏差均得到了顯著改善。

3.4 涂層顯微硬度

鑒于涂層經(jīng)高溫使用后的硬度變化，除對(duì)兩種涂層進(jìn)行硬度檢測(cè)對(duì)比外，增加了一組經(jīng)800℃保持5h高溫處理的粗粉涂層試樣。表3及表4分別為兩種底層、面層顯微硬度檢測(cè)值，表5為高溫處理前后粗粉涂層顯微硬度檢測(cè)值。

從表3、表4中看出，兩種粒徑粉末制備的底層及面層顯微硬度較為接近，差異不明顯，細(xì)粉涂層硬度稍高。

圖3 兩種涂層面層成分分析

圖4 兩種涂層底層成分分析

圖5 粗粉涂層厚度

圖6 細(xì)粉涂層厚度

圖7 兩種涂層底層厚度均值及偏差

表3 兩種涂層底層顯微硬度 （HV）

表4 兩種涂層面層顯微硬度 （HV）

表5 高溫處理前后粗粉涂層顯微硬度 （HV）

由表5和圖8可以看出，經(jīng)熱處理后無(wú)論是底層還是面層顯微硬度均顯著增加。

3.5 涂層結(jié)合強(qiáng)度

不同粒徑粉末制備涂層的結(jié)合強(qiáng)度見(jiàn)表6、如圖9所示，從中可以看出，兩種涂層的結(jié)合強(qiáng)度均滿足≥35MPa的技術(shù)指標(biāo)要求，但底層采用細(xì)粉噴涂制備涂層的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)58.7MPa，顯著高于底層粗粉制備涂層結(jié)合強(qiáng)度（39.7MPa）。

圖8 熱處理前后涂層硬度對(duì)比

表6 不同底層粉末制備涂層結(jié)合強(qiáng)度 （MPa）

圖9 底層粗、細(xì)粉制備涂層結(jié)合強(qiáng)度

3.6 分析討論

在該零件中，對(duì)于涂層底層的厚度要求為10~80μm，實(shí)際噴涂加工過(guò)程中選用的NiCrAlY底層粉末牌號(hào)為Amdry962，其粒徑為53~106μm，該粉末粒徑較大且粒徑分布范圍較寬，單個(gè)粉末顆粒尺寸即可達(dá)到噴涂涂層厚度尺寸，而粒徑大于106μm的粉末占到1.0%。在噴涂過(guò)程中，大于80μm粒徑的粉末顆粒經(jīng)噴涂后容易形成局部凸起形貌（見(jiàn)圖1、圖2中的底層凸起），而不規(guī)則的底層凸起形貌在后續(xù)噴面層時(shí)容易產(chǎn)生遮擋效應(yīng)（見(jiàn)圖10），從而成為底層/面層界面處的薄弱點(diǎn)和裂紋源，導(dǎo)致在工作過(guò)程中涂層剝落。

圖10 底層凸起與面層之間連接

4 結(jié)束語(yǔ)

1）兩種粒徑底層粉末制備的涂層顯微組織（孔隙率、未熔顆粒及界面污染物）、組成成分及顯微硬度差別不大，均符合工藝要求值。相較而言，細(xì)粉制備的涂層未熔顆粒及界面污染物指標(biāo)稍低，且顯微硬度略高。

2）細(xì)粉底層的厚度均勻性顯著優(yōu)于粗粉制備底層的厚度均勻性。

3）底層采用細(xì)粉制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)58.7M P a，顯著高于粗粉制備涂層結(jié)合強(qiáng)度（39.7MPa）。

4）在零件后續(xù)噴涂加工中采用細(xì)粉制備涂層，零件涂層經(jīng)試車后未再出現(xiàn)開(kāi)裂、剝落問(wèn)題，涂層質(zhì)量穩(wěn)定性顯著提高。