火焰喷涂铜铝镍石墨封严涂层工艺研究
杨永琦，章德铭，刘建明，沈 婕
热 喷 涂 技 术2012 年 9 月
摘 要： 分析了一种中温可磨耗封严涂层材料的特性， 并通过调整火焰喷涂工艺制备出不同硬度和形貌的涂层，分析了涂层的组织和相结构，探讨了材料和喷涂工艺对组织结构和基本性能的影响。 研究结果表明，调整喷涂参数如送粉量、气体流量等对铜铝镍石墨涂层硬度、结合强度和抗热震性影响很大，如氧气流量加大会导致涂层硬度过高；送粉量越大，涂层硬度越低等。
关键词： 铜铝镍石墨；封严涂层；喷涂工艺；组织性能
可磨耗封严涂层可有效的减少燃气轮机转子和静子部位的间隙，从而提高燃气轮机的效率和喘振边界。 可磨耗封严涂层由于其生产工艺简便，返修和调整性能容易，封严效果好，自上世纪 60 年代后期开始， 热喷涂可磨耗封严涂层被广泛得以应用，成为燃气轮机中最主要的涂层体系。 涂层材料多为复合材料，由金属相粘结组分和非金属相可磨耗组分共同组成[1-4]，通过具有较低的强度的非金属可磨耗组分或多孔结构来保证了涂层的可磨耗性能；同时通过金属相粘结组分保证了涂层具有一定的硬度，能抵抗发动机中高速气流及其固体粒子的冲刷和良好的结合强度性能[5-8]。
国外已有二十余种用于发动机不同部位的可磨耗封严涂层材料。目前，我国通过技术引进、吸收以及自主研发，在封严涂层材料与技术领域得到了较快发展，研制开发的品种已达 30 多种，但与发达国家相比，在系列化、标准化和产业化方面都还存在着较大差距。 因此，有必要对可磨耗封严涂层材料、工艺、组织与涂层性能进行系统的研究。本文介绍了一种用于航空发动机高压压气机机匣的铜铝镍石墨封严涂层材料，并对其喷涂工艺及性能展开探讨。
1 粉末材料
为了满足更高温度段高温合金叶片的相容性要求，铜基固体润滑剂颗粒周围散布着随机分布的片状石墨的可磨耗封严涂层，为一种较好的高温合金叶片友好型可磨耗封严涂层材料。目前使用较多的为北京矿冶研究总院生产的 KF-117 铜铝镍石墨封严涂层材料，其基本性能如表 1 所示。
图 1 显示了上述可磨耗封严涂层材料的形貌，其中，球形或椭球形的是铜铝合金粉，扁平状的是镍包石墨粉末。 从图中可以看出，金属相和非金属相有效地实现了均匀分布。
2 热喷涂工艺及性能测试
喷涂底层采用 KF-6 粉末，在 Metco 7MB 等离子喷涂系统上进行喷涂；面层采用单送粉，在 Metco6P-II 火焰喷涂系统上进行喷涂可磨耗封严涂层。试样的基体材料选用不锈钢， 规 格为 70mm×50mm×5mm，制备过程为：基材—机械加工—表面喷砂—喷涂—砂纸打磨或磨削加工涂层表面。
采用 FEI 公司的 Quana 600 型扫描电子显微镜(SEM)及其自带能谱电子探针(EDS)观察粉末和涂层的显微形貌。 涂层表面经过简单的磨光后，涂层 硬 度 测 量 依 照 GB/T231.1-2000 采 用 MODEL600MRD-S 型洛氏硬度仪检测 HR15Y。 涂层结合强度测量采用美国生产的 FM-1000 高温胶片将磨光后的试样与对接件结合，在 WDW-100A 型微机控制电子式万能试验机上进行测试。 涂层厚度在1.5mm 左右，拉断时单位面积涂层所承受的载荷为结合强度，并对断口进行宏观观察，确定涂层断裂方式。 为了保证实验结果的可靠性，每组实验均采取 5 个试样进行测试，取其平均值作为最终结果。
对 KF-117 粉末的喷涂实验选用的工艺参数如表 2 所示。
3 涂层的基本性能
铜铝镍石墨封严涂层在应用中一直存在涂层结合强度与可磨耗性之间的矛盾，当结合强度满足要求时，往往可磨耗性不能满足要求，导致涂层硬度偏高，容易刮伤叶片；当满足必要的可磨耗性时，往往结合强度又不能满足要求。需要在两者之间找到一个平衡点来保证涂层抗冲蚀、抗热震和可磨耗性能。
表 3 列出了不同工艺条件下涂层的硬度、结合强度和抗热震性能的基本性能数据。从表中可以看出，5 号涂层的硬度和结合强度均最高，3、4、5 号涂层均表现出良好的抗热震性能。 6、7 号涂层没有结合强度，抗热震性能也较差。 涂层的断裂位置均为涂层内部，表明涂层的内聚强度决定了涂层的结合性能。
不 同 喷 涂 工 艺 条 件 下 得 到 的 KF-117 涂 层SEM 照片如图 2 所示。 整体看来，铜铝镍石墨涂层组织均匀，白色的铜铝镍金属基体里弥散地分布着黑色的石墨颗粒， 石墨与金属基体的界面浸润良好，结合强度高，可以保证石墨颗粒在磨损过程中不会脱落。
图 2a 涂层中出现了大量未熔金属颗粒， 组织分布也不均匀， 这不仅将导致涂层的结合强度偏低，而且将严重影响涂层的抗热震性能（ 见表 1），这主要是由于由于助燃气氧气的流量较小，焰流能量小，粉末颗粒在还来不及完全熔化便撞击在基体表面形成涂层，并造成一定程度的飞溅，从而不仅导致大量未熔颗粒的存在， 还导致涂层组织的不均。
随着氧气流量氧乙炔的增大，两种涂层的硬度与结合强度具有相似的趋势， 即均呈增大趋势，如图 3 所示。 对于氧乙炔火焰喷涂，在完全燃烧时氧气量和乙炔量的比为 2.5：1， 若在混合气体中氧气的量过大，则在火焰部分会形成氧化性气氛。 同时，由于气体高速流动形成的湍流会将周围空气中的大量空气带入火焰中，会再次增多火焰中的氧化性气体，造成铜铝镍石墨材料的大量脱碳，最终导致涂层中的碳含量降低，使涂层的硬度上升。 从涂层的微观组织中可以看出（ 如图 2a~e），黑色的石墨相随着氧气流量的增大而减少，白色的金属相随之增加，当氧气流量达到 1.6m3/h 时，涂层中黑色非金属石墨相烧损严重，因而金属相所占比例最大（ 如图3e）， 这表明焰流温度过高会导致石墨组分的严重烧损，而非金属相石墨的含量决定了涂层的可磨耗性能，而铜铝金属相的含量决定了涂层的抗冲蚀性能和结合性能，因而提高氧气流量会降低涂层的可磨耗性能， 同时提高涂层的抗冲蚀性能和结合性能。
由实验序号 1、6、7 的数据可以看出，在其它参数不变的情况下，随着送粉量的增大，涂层硬度和抗热震性能显著降低。由于在上述三组数据中其它参数不变，即喷枪的总功率没有变化，也就是说通过燃烧气体生成的热量是一定的。 通过增加送粉量， 单个粉末在喷涂过程中接受的热量有所下降，即粉末的脱碳状况有所降低， 涂层中的碳含量升高，因此涂层的硬度值呈下降趋势。 图 2f 中金属相明显偏多，导致涂层的硬度偏高。
4 结论
（ 1） 通过分析火焰喷涂制备的铜铝镍石墨可磨耗封严涂层，确定了喷涂参数中氧气的流量及送粉速度对涂层的硬度、 结合强度和抗热震性能的影响。
（ 2） 通过试验，摸索并找到了火焰喷涂工艺对涂层硬度的影响因素及变化趋势。
参考文献略
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