崔永靜，孫曉萍，陳斌，郭孟秋，湯智慧

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015; 3.北京新立機(jī)械有限公司，北京 100039)

熱噴涂技術(shù)制備Cr3C2-NiCr涂層可以顯著提高零部件的磨損、沖刷、燃?xì)飧g性能，最高使用溫度可達(dá)900℃，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、地面燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)及泵軸部件防護(hù)[1-3]。

涂層的性能主要依賴于噴涂粉末、工藝和噴涂參數(shù)。常用的噴涂粉末主要Cr3C2-20NiCr及Cr3C2-25NiCr等，其中NiCr為粘結(jié)相和Cr3C2為硬質(zhì)相。噴涂過(guò)程中NiCr相受工藝影響產(chǎn)生一定非晶化轉(zhuǎn)變，Cr3C2相在高溫下發(fā)生脫碳反應(yīng)生成Cr7C3或Cr3O2相，組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變?cè)谝欢ǔ潭壬嫌绊懲繉拥男阅堋?/p>

目前，制備Cr3C2-NiCr涂層常用的噴涂工藝有爆炸噴涂、等離子噴涂、超音速火焰噴涂等。目前工藝研究的重點(diǎn)主要集中于超音速火焰噴涂技術(shù)，由于受到美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)爆炸噴涂技術(shù)的壟斷，爆炸噴涂技術(shù)制備Cr3C2-NiCr涂層的研究較少，但應(yīng)用非常廣泛。如美國(guó)ELLIOTT 公司生產(chǎn)的10MW煙氣輪機(jī)的葉片的涂層便是由聯(lián)合碳化物公司采用爆炸噴涂技術(shù)噴涂的金屬陶瓷涂層( LC-IC涂層) 其性能指標(biāo)如下:硬度HV0.3775；硬度HRC63；結(jié)合強(qiáng)度≥68.9 Mpa；金相表觀孔隙率≤l%。

另外，西屋公司等采用采用爆炸噴涂在汽輪機(jī)末級(jí)葉片制備碳化鉻涂層解決汽輪機(jī)末級(jí)葉片的氣蝕問(wèn)題，效果顯著。

本項(xiàng)目針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)及泵軸的防護(hù)需求，采用爆炸噴涂技術(shù)制備了Cr3C2-35NiCr涂層，利用SEM、EPMA、XRD等手段對(duì)涂層顯微組織和基本性能進(jìn)行了表征和分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)基體材料選用45#鋼，金相試樣尺寸為100mm×10mm×1mm，結(jié)合力試樣尺寸為Ф25.4mm×33mm，試樣噴涂表面光潔度為Ra0.8。噴涂前，對(duì)試樣噴涂面進(jìn)行噴砂處理，噴砂采用白剛玉砂粒，砂粒尺寸250μm，工作氣壓0.4MPa。

噴涂設(shè)備為改進(jìn)的俄羅斯OB型爆炸噴涂系統(tǒng)，設(shè)備燃?xì)鉃檠鯕夂鸵胰?，送粉載氣為氮?dú)猓瑖娡抗に噮?shù)為：氧/乙炔比1.20，工作壓力0.15MPa，送粉速度0.12g/s，噴槍頻率為4槍/s。

噴涂粉末選用國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的Cr3C2-35NiCr粉末，并用激光粒徑分析儀對(duì)Cr3C2-35NiCr粉末進(jìn)行粒度檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1所示。

1.2 分析表征

采用Quanta 600型環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察粉末和涂層的顯微形貌，利用電子探針（EPMA）分析涂層的化學(xué)成分，用X射線衍射技術(shù)分析粉末和涂層的相組成。

采用Struers Duramin型顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層的顯微硬度，載荷為2.94N，加載時(shí)間15s，每個(gè)試樣測(cè) 10個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取10次的平均值。斷裂韌度測(cè)試時(shí)載荷為49.035N，每個(gè)試樣保證3個(gè)有效點(diǎn)。參照ASTMC 633標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行涂層結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試，用FM1000膠將有涂層的試樣與對(duì)偶件噴砂后粘接，經(jīng)190oC固化2h后，采用拉伸法，在JDL-50KN型萬(wàn)能電子拉力機(jī)上測(cè)量涂層的結(jié)合強(qiáng)度，每種涂層由3個(gè)試樣組成。涂層孔隙率測(cè)試采用金相處理軟件，連續(xù)選取10張涂層截面圖譜分析求取平均值作為孔隙率值。

依據(jù)ASTM G99，采用MMW-1A型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行球-盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)，記錄涂層的摩擦系數(shù)和磨損失重情況；高溫摩擦磨損試驗(yàn)采用蘭州產(chǎn)HT-1000 型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，以6mm 的Si3N4陶瓷球(硬度≥HV1400)為摩擦上試樣，下試樣圓盤(pán)尺寸為Ф24 mm×7.88mm；熱震性能測(cè)試采用水冷循環(huán)，750℃保溫10min，放入25℃水中記為一次循環(huán)，熱震試驗(yàn)基體材料選用Ni基高溫合金，試樣尺寸30mm×30mm×1.5mm，選取2個(gè)平行試樣，記錄試樣形貌變化。

圖1 Cr3C2-35NiCr粉末形貌：(a)粉末SEM； (b)粉末粒徑分布圖Fig.1 Morphology of Cr3C2-35NiCr powder:(a)SEM of powder;(b)Powder particle size distribution

2 結(jié)果及討論

2.1 涂層顯微組織

圖2a為Cr3C2-35NiCr粉末和涂層X(jué)RD圖譜，可看到噴涂粉末和涂層主要由NiCr合金相和Cr3C2相組成，不同的是涂層中產(chǎn)生了Cr7C3相，這主要是由于噴涂過(guò)程中的Cr3C2發(fā)生脫碳反應(yīng)引起的[1,4]，反應(yīng)原理見(jiàn)公式1所示。

圖2 涂層橫截面貌及XRD圖譜 (a)粉末及涂層的XRD圖譜; (b)涂層截面形貌(EPMA)Fig.2 Cross sectional morphology of the coating and XRD image(a)XRD image of the powder and coating; (b) Cross sectional morphology of the coating（EPMA）

圖2b是NiCr-Cr3C2涂層截面背散射電子探針圖譜，采用EPMA測(cè)試圖2b中1、2、3不同襯度區(qū)域化學(xué)成分，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)合XRD和EPMA測(cè)試結(jié)果可知圖中黑色區(qū)域?yàn)榭紫叮瑴\白色區(qū)為NiCr合金相，深灰色區(qū)域?yàn)镃r3C2相，淺灰色區(qū)域?yàn)楣倘芟?，一般認(rèn)為Cr7C3相分布于Cr3C2相周圍。由圖可知，爆炸噴涂Cr3C2-35NiCr涂層非常致密，孔隙率較低，未發(fā)現(xiàn)裂紋及分層，Cr3C2顆粒均勻分布于NiCr相中。

表1 EPMA測(cè)試涂層化學(xué)成分Table 1 Composition of the coating by EPMA

2.2 涂層孔隙率

圖3是孔隙率測(cè)試的典型形貌圖，其中深黑色點(diǎn)為孔洞?？梢钥吹酵繉觾?nèi)部的孔隙為封閉孔，且分布均勻，采用金相法測(cè)得涂層孔隙率見(jiàn)表2所示。觀察孔洞產(chǎn)生的位置可以發(fā)現(xiàn)，涂層孔隙主要分布于Cr3C2相與NiCr相的交界面及NiCr相內(nèi)部，這主要是源于噴霧干燥制粉過(guò)程中遺留的氣孔。

圖3 孔隙率測(cè)試的典型形貌Fig.3 Cross sectional morphology for Porosity tests

表2 涂層孔隙率和顯微硬度Table 2 Porosities and hardness of the coating

2.3 涂層硬度與斷裂韌性

涂層硬度和韌性是影響涂層使用的關(guān)鍵，但二者有時(shí)是矛盾的統(tǒng)一體。Cr3C2-35NiCr涂層顯微硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2所示，涂層硬度分布較為均勻，硬度均值為HV803。一般來(lái)說(shuō)，爆炸噴涂Cr3C2-NiCr類型涂層顯微硬度HV大約在700～950之間，隨著噴涂工藝參數(shù)、粉粒尺寸及測(cè)試條件的不同略有波動(dòng)。如G.SLmdararaji m（印度）［5］等在D-gun（烏克蘭設(shè)備）Cr3C2-25NiCr涂層上測(cè)得HV972；美國(guó)Praxair公司測(cè)得D-gun噴涂Cr3C2-35NiCr涂層（即LC-IB）的顯微硬度為HV700，Cr3C2-20NiCr涂層（即LCIC）的顯微硬度為HV775；中國(guó)閔小兵等［2］爆炸噴涂（烏克蘭第聶伯-3）Cr3C2-25NiCr涂層測(cè)得顯微硬度為HV824?？梢园l(fā)現(xiàn)美國(guó)Praxair公司爆炸噴涂制備Cr3C2-NiCr涂層硬度明顯處于一個(gè)較低的水平。

通常認(rèn)為涂層硬度的提高會(huì)降低涂層的韌性，試驗(yàn)采用壓痕法表征涂層的斷裂韌性，采用金剛石維氏壓頭，載荷為49.035N，測(cè)得3個(gè)壓痕裂紋平均值計(jì)算斷裂韌度。裂紋參數(shù)見(jiàn)表3，0.6

其中KIC為斷裂韌度，P為載荷，a為壓痕半對(duì)角線長(zhǎng)，c為壓痕中心到裂紋尖端長(zhǎng)。

表3 5kgf載荷下涂層的斷裂參數(shù)Table3 Fracture toughness parameters of the coating under load

圖4 涂層壓痕形貌SEM圖譜Fig.4 SEM image showing indentation crack of the coating

2.4 涂層結(jié)合強(qiáng)度

參考ASTM C633的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試涂層結(jié)合強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4所示。斷裂位置為膠界面斷裂，表明涂層實(shí)際結(jié)合強(qiáng)度大于測(cè)試值。

表4 涂層的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table4 Bond strength of the coatings

2.5 摩擦磨損性能

采用ASTM G99 球-盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)來(lái)表征涂層的干滑動(dòng)磨損性能。磨損試樣表面噴涂后經(jīng)磨削至Ra0.4。采用MMW-1A型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)磨損性能測(cè)試，對(duì)磨球選用單個(gè)直徑6.35mm氮化硅球，磨損試驗(yàn)參數(shù)：載荷為30N，轉(zhuǎn)速400r/min，試驗(yàn)時(shí)間30min。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表5，涂層試樣經(jīng)30min磨損后，涂層失重0.00128g，對(duì)磨球失重0.00027g，涂層室溫摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5所示，室溫穩(wěn)定摩擦系數(shù)為0.60。

2.6 涂層熱震性能

為檢驗(yàn)涂層在極端條件下的高溫性能，對(duì)Cr3C2-35NiCr涂層試樣進(jìn)行熱震(水冷)循環(huán)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)Cr3C2-35NiCr涂層經(jīng)20次水淬后，表面逐漸出現(xiàn)藍(lán)色，分析認(rèn)為是NiCr的氧化物，未發(fā)現(xiàn)涂層剝落或翹起。經(jīng)過(guò)50次水淬循環(huán)后，涂層表面完整顏色發(fā)生一定變化，但未發(fā)現(xiàn)涂層剝落或起皮現(xiàn)象。

圖5 球-盤(pán)法測(cè)試涂層摩擦系數(shù)圖譜Fig.5 Friction coefficient of the coating by ball on disk test

表5 涂層和對(duì)磨球的重量變化Table5 Weight changes of the coating and ball

圖6 涂層750℃熱震表面形貌演變圖譜Fig.6 Surface morphology evaluation of the coating by thermal shock test at 750℃

3 結(jié)論

采用爆炸噴涂技術(shù)（D-gun）制備了Cr3C2-35NiCr涂層，并對(duì)涂層性能進(jìn)行了分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）爆炸噴涂制備的Cr3C2-35NiCr涂層孔隙率為0.52%，顯微硬度為HV803，斷裂韌度為4.55 MPa·m0.5，結(jié)合強(qiáng)度大于 87.5MPa；

（2）滑動(dòng)磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，與氮化硅組成摩擦副，爆炸噴涂Cr3C2-35NiCr涂層室溫摩擦系數(shù)為0.6；

（3）熱震試驗(yàn)結(jié)果表明Ni基高溫合金爆炸噴涂Cr3C2-35NiCr涂層750℃下50次水冷循環(huán)無(wú)剝落，涂層抗冷熱交變性能優(yōu)良。