喷涂工艺对 MCrAlY 涂层组织影响
田玉亮，解 峰，石长江，任先京
热 喷 涂 技 术2012 年 9 月
摘 要：采用超音速、爆炸喷涂工艺制备钢铁炉辊用 MCrAlY 涂层，借助 XRD、SEM 和 EDS 等手段分析了涂层组织。结果显示：超音速制备涂层中 Cr 元素含量比粉末成分偏高，Al、Y 元素降低，可能在喷涂过程中元素烧损，形成的氧化物在喷涂沉积过程被吹飞，未沉积到涂层中。 XRD 分析结果显示涂层由 Co 基固容体、Al3Co、Cr7C3、TaC 等相组成。涂层致密，孔隙率低，显微硬度大，结合强度高。 相对超音速工艺制备涂层，爆炸喷涂工艺制备的涂层中除铝元素外，分布较均匀，涂层致密度较低，涂层相对显微硬度较高，结合强度二者一致。
关键词： 炉辊；MCrAlY 涂层；超音速喷涂；爆炸喷涂；热喷涂
高温材料作为工业用热端部件的材料，不仅要承受各种复杂的机械载荷，同时要承受苛刻的环境下的氧化和腐蚀作用，因此高温防护涂层材料技术对热端部件的发展具有重要的作用。 由于 MCrAlY涂层具有硬度高、强度大、韧性好以及良好的耐磨性和抗氧化性等优点，广泛应用在航空航天、钢铁、船舶和石油等行业[1-3]。 本文研究超音速、爆炸喷涂等两种工艺对 MCrAlY 涂层组织及性能的影响。
1 实验材料及方法
实验用 MCrAlY 合金包含 CoCrAlTaY 等元素，雾化粉末制备工艺采用真空熔炼铸锭， 二次真空雾化。 合金粉末制备技术参数：紧耦合喷嘴，雾化介质为高纯氮气，雾化压力为 1.8MPa，导流管直径为6mm。涂层制备采用超音速喷涂工艺，HVOF 喷涂工艺参数：煤油：26 L/min，氧气：900 L/min；氧 / 燃比：1.04；燃烧室压力 8.72 MPa；喷涂距离 360 mm；送粉率 9.0 plm。涂层制备采用爆炸喷涂，喷涂工艺参数：氧气压力 0.4 MPa， 氧气流量 12 m3/h， 乙炔压力为 0.2MPa，乙炔流量为 10 m3/h，氮气压力 0.2 MPa，氮气流量为 1.2 m3/h，空气压力为 0.2 MPa，空气流量为18 m3/h，一次喷涂厚度 0.4，爆炸频率 0.25 Hz，炮距170 mm， 炮 行 走 速 度 500 mm/min， 粉 末 粒 度-53+38μm。
采用 HITACHIS-3500 扫描电镜观察及随身携带的能谱测定雾化粉末以及涂层形貌和成分，利用显微硬度仪检测涂层的显微硬度，运用电子万能拉伸实验机测试涂层的结合强度。
2 雾化粉末形貌
采用真空制备的合金粉末，表面光洁，卫星球较少，如图 1 所示。 粉末表面无明显的铸态枝晶结构，且粉末较脆[4]。 粉末的物理性能：松比在 4.4 左右， 流动性小于 16 s/50g， 能充分满足喷涂使用要求；粉末化学成分分析结果表明，合金雾化 Al、Y 元素存在烧损，但都在成分范围内。 粉末中存在未熔白色物质，经能谱分析 Ta 元素，如图 2 所示。
 
3 喷涂涂层形貌
3.1 超音速喷涂涂层组织形貌
图 3 为 HVOF 工艺制备涂层，该工艺制备的涂层致密，孔隙率低，文献报道，孔隙率低于 1%，涂层呈层状结构，但层与层结合紧密，无明显界限，某些界面上存在微小孔洞或暗色线状区域， 图 4、 图 5能谱分析结果显示层间区域 Al 元素含量较高，涂层基体 Ta 元素含量较低，而主要以片状 Ta 形式存在（ 见图 2 涂层中的白色物质）。 与喷涂前的粉末成分相比，涂层中 Al、Y 元素降低，可能在喷涂过程中元素烧损，形成的氧化物在喷涂沉积过程被吹飞未沉积到涂层中。
 
由于 Al、Y 含量的降低而导致其它元素含量相对偏高，涂层中 Cr 元素含量比粉末成分偏高。 XRD分析结果显示涂层由 Co 基固容体、Al3Co、Cr7C3、TaC 等相组成，见图 4。
3.2 爆炸喷涂涂层组织形貌
将雾化粉末配制一定的 Al2O3， 采用爆炸喷涂工艺进行制备。 所得涂层如图 5 所示，涂层呈典型的波浪状，涂层中存在白色组织，局部区域存在未熔化的颗粒，层间的空隙较大。
能谱分析的结果表明白色物质为 Ta， 层间存在大量 Al 元素.其它元素则分布相对均匀，元素分布结果见图 6。
4 涂层性能
涂层显微硬度的测定，在载荷为 300g，加载时间为 15s 的条件下，对超音速态涂层和爆炸测定结果如表 1 所示。
而针对同一种材料 HVOF 工艺的显微硬度要大于 D-GUN 喷涂，这主要是和涂层的显微结构有关。 涂层显微硬度高，由于爆炸喷涂制备涂层成波浪状，孔隙高，致密度差，导致显微硬度较低。
按照国家标准对涂层进行了结合强度的测量，涂层与基体结合强度约为 70 MPa， 与爆炸喷涂工艺相比，虽然结合强度有点偏低，但远可满足工业应用。
5 结论
（ 1） 超音速工艺制备涂层元素分布较之爆炸制备的涂层，分布均匀性差，主要是涂层制备过程中Al、Y 元素烧损大， 两种涂层中都存在未熔的钽元素，主要是该元素熔点高；此外超音速喷涂过程中MCrAlY 粉末未添加氧化铝， 导致超音速制备涂层致密度高，相反爆炸喷涂制备的涂层由于氧化铝的存在导致涂层孔隙率高，从而显微硬度也相对较低。
（ 2） 由于两种工艺制备的涂层氧化试验在后续工作中，目前从结合强度较而言，两种涂层均可满足工业应用，但考虑到其它因素，仍需对两种涂层其它性能进行深入研究，才能明确两种涂层工业适用性。
参考文献略
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