真空雾化CoCrAlTaY热喷涂粉末的特性及其涂层的结合强度
胡敦芫,陈美英,于月光等
有色金属（冶炼部分）
内容导读：本文讲述了真空雾化CoCrAlTaY热喷涂粉末的特性及其涂层的结合强度。
摘要:采用真空雾化制备了CoCrAlTaY高温合金热喷涂粉末。结果表明:该合金热喷涂粉末呈球形,热喷涂粉末粒度呈近正态分布,热喷涂粉末由CoAl、γ、Cr27C3和TaC相组成;合金热喷涂粉末涂层与基体结合良好,其结合力达到52 MPa。
关键词:等离子喷涂；CoCrAlTaY合金;真空雾化;热喷涂粉末特性;涂层;结合强度
在现代航空工业中,为了提高发动机单位推力、提高推重比,要求燃气涡轮能够在更高的环境温度下工作。目前,先进航空发动机的工作温度已达1 100℃以上,接近高温合金的极限,有效解决这个问题的办法是在合金表面涂覆具有耐高温性能的保护涂层[1-2]。要获得这样的涂层制备高性能热喷涂粉末是相当关键的。真空雾化MCrAlTaY(M代表Ni,Co或其合金[2])合金热喷涂粉末具有粒度细、类球形和成份均匀以及高温性能优良等特点,使这种热喷涂粉末喷涂后所形成的MCrAlTaY涂层具有很好的抗高温氧化和抗热腐蚀性能[3-6]。本文主要探讨CoCrAl-TaY合金热喷涂粉末的特性以及涂层与基体的结合强度。
1 实验方法
CoCrAlTaY合金热喷涂粉末是由自制的真空雾化装置制备的。该设备容量为50 kg,IGBT-100 kW的电源,真空度达到10-3Pa。制备该合金热喷涂粉末的技术参数:环缝限制式喷嘴、雾化介质为纯氩气、雾化压力2.8 MPa、雾化温度1 600℃、导流管直径7 mm。利用HITACHI S-3500扫描电镜观察合金热喷涂粉末形貌和热喷涂粉末剖面情况,用JL-1166型激光粒度测试仪测定合金热喷涂粉末粒度分布,利用PHILIPSAPB-10型X-射线衍射仪研究热喷涂粉末的相组成,合金热喷涂粉末的化学成分(%):Cr 25.5、Al 7.9、Ta 9.8、Y 1.0、Si 0.6、C 1.9、Co余量。
本试验涂层制备采用枪的型号为DNB-3爆炸喷涂,喷涂的基体材料成分(%): Cr 23.5、Ni18.97、Si 1.11、Mn 0.91、W 0.16、Mo 0.12、Fe余量。喷涂工艺参数:氧气压力0.4 MPa、氧气流量12 m3/h、乙炔压力0.2 MPa、乙炔流量10 m3/h、氮气压力0.2 MPa、氮气流量1.2 m3/h、空气压力0.2MPa、空气流量18 m3/h、一次喷涂厚度0.4μm、爆炸频率0.25 Hz、炮距170 mm、炮行走速度500mm/min、热喷涂粉末粒度-53~+5μm。
2 实验结果与分析
2·1 合金热喷涂粉末的粒度分布
 
图1为CoCrAlTaY合金热喷涂粉末(-53~+25μm)的粒度分布曲线。可以看出,真空雾化制备的该合金热喷涂粉末的粒度呈近正态分布,其平均粒径约为48μm。,其细粉组织为细小的胞晶结构(图2)。气体雾化制备合金热喷涂粉末是一个受诸多因素影响的复杂的物理化学过程,雾化喷嘴结构、雾化介质、雾化温度、雾化气体压力、导流管直接、合金熔液的质量流与雾化气体的质量流之比(质流比)。其中,合金熔液与雾化气体的质流比对合金热喷涂粉末粒度的影响是最显著的,一般质流比越小合金热喷涂粉末就越细[3]。根据实际使用效果,并不是合金热喷涂粉末越细好。通常质流比控制在0.5左右。
2·2 合金热喷涂粉末的形貌及其结构组成
 
图3为CoCrAlTaY合金热喷涂粉末的SEM形貌,可以看出真空雾化的该合金热喷涂粉末为球形,且球形度很好,这就大大地提高了合金热喷涂粉末的流动性及松装密度,流动性好保证了在喷涂过程中喷枪的送粉稳定,以获得质量高的涂层,由于该热喷涂粉末是在全系统的真空设备下制备的,材料的真密度大,热喷涂粉末的球形好,则松装密度大(4.26 g/cm3),流动性好(21.2 s/50g),喷涂时热喷涂粉末的沉积速率高。图4为该合金热喷涂粉末的X-射线衍射曲线,结果表明,合金组元Ta主要以TaC的形式存在,图中最强峰是由基体Co形成的CoAl相,其它强峰对应的主要相有γ、Cr27C3和TaC,在图示2θ为47·48(°)处发生了Cr27C3和TaC的叠加。
2·3 爆炸喷涂涂层与基体的结合强度
图5为爆炸涂层纵截面形貌,图中上半部分为涂层,层与层之间结合紧密,涂层与基体之间”咬合”。情况比较好。涂层的结合强度达到52 MPa。加入的稀土Y活性较高,可以使得涂层中的杂质元素在晶界的偏聚程度降低,改善了晶界状态,强化了晶界,增大了界面结合力,从而提高了基体与涂层之间的结合强度。另外,稀土Y表面活性较强,它可以降低喷涂熔滴的表面张力,减少涂层内应力,从而提高结合强度。
稀土元素Y和稀有元素Ta在合金中形成细小的化合物,起弥散强化、细化晶粒的作用。同时有资料[7]报道Al的加入,是为了使CoCrAlTaY涂层在高温及氧化的条件下形成保护性的Al2O3膜,保护基体,防止其被氧化;加入Cr不仅可改善涂层抗热腐蚀性能,而且能促进Al2O3膜的形成;Ta的加入是为了提高涂层的高温强度,Ta是固溶于基体相中的硬质相,在涂层中起固溶强化的作用,颜色较浅相为Ta及Ta和Y的固溶体;Y的加入起活性元素效应,不仅可以提高氧化层和基体间的结合力,还可以消除由于空位聚合而形成的空洞。由此可知,由CoCrAlTaY热喷涂粉末喷涂后形成的涂层具有很好的性能。国内某喷涂公司使用我们的CoCrAlTaY合金热喷涂粉末应用于钢铁公司中的退火炉辊,使用效果很好。
3 结论
(1)真空雾化制备的CoCrAlTaY合金热喷涂粉末(-53~+25μm)呈近正态分布,平均粒径约48μm;
(2)CoCrAlTaY合金热喷涂粉末由CoAl、γ、Cr27C3和TaC相组成,显微组织为均匀细小的胞晶结构;
(3)CoCrAlTaY合金热喷涂粉末涂层与基体结合良好,结合力达到52 MPa,能满足实际使用要求
参考文献略
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