ＭＣｒＡｌＹｓ高温封严涂层制备工艺的优化及其性能
杨伟华
中国表面工程
摘要：采用真空等离子喷涂与大气等离子喷涂的复合方法在Ｋ７７基体材料表面制备出具有三层结构的ＭＣｒＡｌＹｓ高温封严涂层，分别测量了涂层的金相组织、结合强度、表面洛氏硬度（ＨＲ１５Ｙ）以及抗粒子冲刷能力等性能。研究结果表明：喷涂功率是影响高温封严涂层性能的关键因素，喷涂功率高，粒子熔化好、涂层结合好、抗粒子冲刷性能相对较高；但是喷涂功率过高，涂层表面洛氏硬度相对较高，使用过程中，涂层易对转子叶片造成磨损伤害。因此选择合适的喷涂功率以在涂层结合效果与表面硬度之间建立一个平衡是高温封严涂层应用的关键。研究发现：在试验范围内，３１ｋＷ为最合适的喷涂功率。
关键词：高温封严涂层；粒子冲刷；表面洛氏硬度
０ 引 言
新一代飞机要求具有超音速巡航、非常规机动性、低环境污染、低油耗、低全寿命成本等性能，这些性能主要依靠提高航空发动机性能来实现［１－２］。转动叶片和机匣间隙与航空发动机的性能密切相关：典型发动机高压涡轮径向间隙增加０．０２５ｍｍ，燃油消耗率将会增加大约０．１％，而排气温度将会增加１ ℃［３］；如果压气机径向间隙增加０．０７６ ｍｍ，单位耗油率约增大１％［４］。另外，叶尖间隙与叶高之比每增加０．０１，会引起压气机或涡轮效率降低约０．８％～１．２％；会使双转子涡轮风扇发动机的耗油率增加２％，涡轮轴发动机的耗油率增加约１．５％［５］。压气机的运转间隙过大，它的气动特性可能在发动机加速时遭到破坏，并引起喘阵［６］。因此降低转动叶片与机匣间隙，将提高航空发动机的性能。在发动机的压气机或涡轮机的机匣上制备可磨耗封严涂层，能够减小这一间隙，从而提高航空发动机的性能。理想的封严涂层应既有足够的结合强度以抵抗高速气流和粒子的冲刷性能，同时也要具有较低的表面硬度以降低损伤转子叶片的可能。
采用热喷涂方法将金属或陶瓷材料熔化并加速撞击工件基体表面形成孔隙可调涂层，该涂层能够满足上述可磨耗封严涂层的要求，同时具有涂层结构设计灵活、生产工艺便捷、成本低廉、可重现性高的特点，因此热喷涂封严涂层广泛应用于先进航空发动机的高温封严部位［７－８］。热喷涂封严涂层原理如图１所示［９］。
文中针对航空发动机可磨耗封严的需求，制备了ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ基高温封严涂层，测试了在试验条件下涂层抗粒子气流冲刷的能力，分析了高温封严涂层抗粒子冲刷性能与喷涂功率之间的关系，提出了高温封严涂层性能的控制方法。
１ 试验方法与表征
１．１ 原材料
试验基体材料选择Ｋ７７高温合金，尺寸分别为２０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍ，Φ２５ｍｍ×７．７ｍｍ和Φ５４ｍｍ×６ｍｍ；粘结底层粉末材料Ｆ１为ＤＧＮｉＣｏＣｒＡｌＹ与 焊 料 （质 量 分 数 为１２％ ～１８％）的混合物，粒度１０～５０μｍ；中间层粉末Ｆ２是ＤＧＮｉＣｏＣｒＡｌＹ与焊料（质量分数为４０％ ～５０％）的混合物，粒度１０～８０μｍ；面层粉末Ｆ３为ＤＧＮｉＣｏＣｒＡｌＹ和 造 孔 剂 （质量分数为１０～１５％）的混合物。各种粉末形貌如图２所示。
１．２ 涂层的制备方法
在Ｋ７７的基体上，采用真空等离子喷涂（ＺＤＰ－１７００）、大气等离子喷涂（ＡＰＳ３０００）和真空钎焊（ＳＷＳ３０）的方法制备了高温封严涂层，粘结底层与中间层喷涂完毕后一起进行真空钎焊处理；面层喷涂完毕后，用箱式电阻炉在５００ ℃热处理，去除造孔剂。涂层具体结构如图３所示，具体工艺参数如表１所示。
１．３ 涂层性能表征
１．３．１ 涂层组织
高温封严涂层的抗粒子冲刷性能主要取决于涂层的组织结构。涂层粒子变形是否充分、孔隙分布是否均匀将最终决定抗冲刷性能的好坏。因此采用扫描电镜（ＪＳＭ－６５１０）对涂层组织进行观察。
１．３．２ 涂层结合强度
涂层结合强度反映了涂层与基体的完整性，依据航空工业标准ＨＢ５４７６－９１对涂层的结合强度进行了测量，如图４所示：
１．３．３ 抗粒子冲刷性能
抗粒子冲刷测试是反映高温封严涂层在发动机工况下，抗高速气流冲蚀状态的一种方法。具体试验条件如下：采用０．２～０．３ ＭＰａ的压缩空气将０．３ｍｍ的棕刚玉砂粒吹向涂层表面，入射角保持在（９０°±１５°），吹砂枪喷嘴到涂层的距离控制在７０～８０ｍｍ，记录作用时间与涂层损失厚度之间的关系，作用后样品厚度以冲刷坑中心为准。
１．３．４ 涂层表面洛氏硬度
表面洛氏硬度是衡量高温封严涂层使用效果的有效手段，数值越高，越容易损伤转子。文中采用表面洛氏硬度（ＨＲ１５Ｙ）对其进行表征，即采用１５ｋｇ的载荷将直径１２．７ｍｍ的钢球作用于涂层表面，计算并记录相应的硬度值。涂层表面洛氏硬度ＨＲ１５Ｙ小于８５时，涂层与转子叶片匹配较好，当高于此值时则容易损伤叶片。
２ 结果与讨论
２．１ 微观组织与结合强度分析
试验获得的涂层的组织均呈现出典型的层状结构，如图５所示，符合热喷涂工艺的“抛锚作用”机理，涂层与基体间通过变形粒子相互连接起来，形成机械结合。在变形粒子间不可避免的形成孔隙，经过测量，涂层孔隙率分别为３７．４％、３０．１％和２６．３％；为进一步分析涂层的组织结构，采用扫描电镜观察了涂层的表面形貌，如图６所示。由图６可以发现随着功率的增加粒子变形更加充分，表面形貌更加平整。涂层的结合强度测量结果如图７所示。由图７可以看出，随着功率增加涂层的结合强度逐级增加，当功率为２５ｋＷ，３１ｋＷ和３６ｋＷ时，结合强度分别为４．１８ＭＰａ，６．７０ＭＰａ和８．１５ＭＰａ。这说明功率越大，粒子间结合越好，涂层越不容易被拉脱。
２．２ 抗粒子冲刷性能
抗粒子冲刷试验的测试结果如图８所示。采用２５ｋＷ的喷涂功率获得的涂层经过粒子冲刷２０ｓ后，涂层损失的厚度迅速增加，达到２．８２ｍｍ／ｍｉｎ，随后又出现放缓的趋势；而采用３１ｋＷ和３６ｋＷ的高喷涂功率时，涂层厚度损失速度基本一致，约为０．３ｍｍ／ｍｉｎ，只是前者在起始阶段损失更快，说明其粒子间结合效果不如后者好，与结合强度测试结果吻合。
２．３ 表面洛氏硬度
涂层表面洛氏硬度的测量结果如图９所示。由图可以看出，随着功率增加涂层的表面洛氏硬度ＨＲ１５Ｙ逐渐增加，２５，３１和３６ｋＷ时，分别为７２．６，８１．６和８８．６。这说明变形粒子结合越好，其表面硬度越大，对转子造成损害的能力越强。当采用３６ｋＷ时，涂层硬度大ＨＲ１５Ｙ８５，将容易损害转子叶片，因此喷涂功率采用３１ｋＷ，将获得硬度适合应用情况，且涂层结合更好的组织。
３ 结 论
采用真空等离子喷涂与大气等离子喷涂的复合方法制备了三层ＭＣｒＡｌＹ高温封严涂层，并对涂层进行了性能测试和分析，研究结果如下：
（１）涂层在喷涂功率为２５，３１和３６ｋＷ时均可以形成。高功率下，涂层结合强度和表面洛氏硬度分别可以达到８．１５ ＭＰａ和ＨＲ１５Ｙ８８．６，此时涂层抗粒子冲刷能力也最强，厚度损失速度约为０．３ｍｍ／ｍｉｎ；
（２）喷涂功率是高温封严涂层抗粒子冲刷性能的关键因素，喷涂功率高、粒子熔化好、结合强度高、抗粒子冲刷性能相对较高，反之则较差；
（３）尽管高喷涂功率能够获得抗粒子冲刷效果好的涂层，但是其表面洛氏硬度相对较高，在使用过程中易对转子叶片造成磨损伤害。因此选择合适的喷涂功率，在涂层结合效果与表面硬度之间建立一个平衡是高温封严涂层应用的关键。研究结果表明３１ｋＷ是较合适的喷涂功率。
参考文献略
|
