王斌利，胡江波，王建鋒，黃寶慶，江鵬，劉建明

（1.中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西西安 710021 2.西安交通大學(xué)航空航天學(xué)院，陜西西安 710000 3.北礦新材科技有限公司，北京 102206）

0 引言

熱噴涂是國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)使用最廣泛的一種涂層制備技術(shù)，主要用于耐磨、可磨耗封嚴(yán)、熱障、抗氧化、抗腐蝕、防粘接、抗微振磨損、阻燃以及零部件尺寸修復(fù)涂層的制備。在采用低壓等離子噴涂耐高溫涂層時(shí),高溫合金粉末粒子在噴槍內(nèi)瞬間熔化,熔融粒子在沖擊基體時(shí)產(chǎn)生碰撞，產(chǎn)生涂層的熱應(yīng)力。涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)差異,熔融粒子結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生收縮,顆粒撞擊基體時(shí)要生變形和硬化等,產(chǎn)生了淬冷應(yīng)力，這一系列復(fù)雜應(yīng)力的集合便在涂層-基體系統(tǒng)中產(chǎn)生了涂層殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是熱噴涂涂層固有的特性之一,其主要原因是涂層與基體有著較大的溫度梯度和物理特性差異[1]。噴涂時(shí)涂層產(chǎn)生殘余應(yīng)力，控制殘余應(yīng)力是非常重要的,其影響因素也很復(fù)雜[2]。馬維等人根據(jù)涂層形成的流體力學(xué)和熱力學(xué)等主要影響參數(shù)，形成了殘余應(yīng)力的理論模型[3]，黃貞益等人運(yùn)用有限元方法對(duì)等離子噴涂高溫涂層沉積過(guò)程中涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算[4]，但這些僅僅停留在理論計(jì)算上，缺乏可靠的試驗(yàn)驗(yàn)證。

本文先采用X射線衍射法對(duì)涂層的殘余應(yīng)力進(jìn)行了定性的規(guī)律性探索，再利用逐層法與曲率法相結(jié)合的方式測(cè)試不同厚度涂層殘余應(yīng)力，將逐層法與曲率法測(cè)量方法進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，利用各自檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)，對(duì)低壓等離子噴涂的高應(yīng)力涂層殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試與分析,以希獲得重復(fù)性好并能獲得較為真實(shí)的涂層殘余應(yīng)力水平數(shù)據(jù)。同時(shí)將傳統(tǒng)的熱處理工藝引入涂層的殘余應(yīng)力消除中，實(shí)踐檢驗(yàn)證明，對(duì)熱噴涂涂層進(jìn)行熱處理，可以釋放涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力，降低孔隙率，并能一定程度上改善涂層的性能[5,6]。

1 試驗(yàn)材料和檢測(cè)方法

1.1 試樣的準(zhǔn)備

試樣基材為高溫合金材料，噴涂前試樣的制備采用同一塊大規(guī)格試板線切割剪裁，平板試樣尺寸：75mm×20mm×3mm，對(duì)試樣的邊緣尖角采用手工方式倒角1mm×45°，并在同狀態(tài)下拋光、裝夾、吹砂、噴涂。根據(jù)事先預(yù)設(shè)不同涂層厚度方案，采用多個(gè)試樣同時(shí)噴涂，每次取出2個(gè)試樣，1件用于原始態(tài)的涂層殘余應(yīng)力檢測(cè)，1件涂層經(jīng)高溫?zé)崽幚恚糜谙繉討?yīng)力后殘余應(yīng)力檢測(cè)。

本實(shí)驗(yàn)涂層為單層結(jié)構(gòu)形式，粉末材料采用傳統(tǒng)的MCrAlY，粉末的化學(xué)成分為Co-30Ni-25Cr-7Al-0.4Y，粉末粒度 -62μm～+11μm，粉末的外觀形貌見(jiàn)圖1。

圖1 MCrAlY粉末SEM形貌:200X放大Fig.1 SEM of MCrAlY powder: 200X magnification

1.2 涂層的制備

采用歐瑞康美科公司生產(chǎn)的MultiCoat VPS低壓等離子噴涂設(shè)備制備高溫涂層，表1為低壓等離子噴涂工藝參數(shù)，涂層厚度從0mm開(kāi)始，每隔0.05mm為基準(zhǔn)，直到涂層厚度達(dá)1mm為止。但是在實(shí)際制備中，當(dāng)涂層厚度達(dá)0.7mm時(shí)，所制備的涂層已經(jīng)出現(xiàn)目視可見(jiàn)的基體與涂層明顯的宏觀分層，因此預(yù)設(shè)方案涂層厚度上限調(diào)整到0.65mm。

表1 低壓等離子噴涂制備涂層工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of low pressure plasma spray coating

1.3 涂層殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法

1.3.1 X射線衍射檢測(cè)法

采用X射線衍射法對(duì)試驗(yàn)件原始樣、噴砂后以及噴涂后的殘余應(yīng)力進(jìn)行了定性檢測(cè)，試樣總數(shù)共3片，在檢測(cè)試驗(yàn)前，3片試片按照與零件同狀態(tài)的要求，在試片表面進(jìn)行了噴丸處理，并分別在其反面處用點(diǎn)陣標(biāo)刻機(jī)標(biāo)刻，用于殘余應(yīng)力檢測(cè)試樣其測(cè)點(diǎn)尺寸基準(zhǔn)邊的選擇，保證每片試片檢測(cè)的點(diǎn)位一致，確保檢測(cè)的數(shù)據(jù)有可比性。每片試片反面分別選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，獲得3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)定的殘余應(yīng)力值。分別獲得了原始、噴砂后以及噴涂后的試樣殘余應(yīng)力。

1.3.2 逐層剝離曲率檢測(cè)法

曲率法測(cè)試的結(jié)果是平均應(yīng)力，只能粗略測(cè)量厚度方向的平均殘余應(yīng)力。而逐層剝離檢測(cè)需要的設(shè)備、逐層磨除涂層的程序，對(duì)于涂層逐層磨除去除的方法和精度難以控制。本次試驗(yàn)測(cè)試是將同一塊試板線切割剪裁，在同狀態(tài)拋光、裝夾、噴砂、噴涂，同時(shí)噴涂多個(gè)試樣，每次取出2個(gè)試樣，通過(guò)人為設(shè)定涂層厚度的方法，間接的實(shí)現(xiàn)對(duì)基體表面涂層進(jìn)行逐層剝離測(cè)量。逐層剝離和曲率檢測(cè)有機(jī)的結(jié)合，可以測(cè)定整個(gè)涂層厚度變化范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力詳細(xì)數(shù)據(jù)，雖然對(duì)于多層或者較厚的涂層非常困難，但本次試驗(yàn)的單層涂層，涂層厚度不超過(guò)0.65mm。

逐層剝離曲率檢測(cè)如圖2。將試樣放置在檢測(cè)試驗(yàn)機(jī)上，儀器通過(guò)光學(xué)定位方式自動(dòng)找到測(cè)試樣品四條邊界；自動(dòng)定位樣品邊界后，樣品臺(tái)會(huì)自動(dòng)移動(dòng)到光斑位于樣品在X軸方向的中線位置；手動(dòng)輸入Y軸方向的測(cè)試長(zhǎng)度（≤樣品Y軸方向表征長(zhǎng)度）；樣品臺(tái)會(huì)自動(dòng)沿X軸中線向Y軸正向移動(dòng)完成測(cè)量（測(cè)試長(zhǎng)度中點(diǎn)為樣品中心點(diǎn)）；利用-1000mm標(biāo)準(zhǔn)凹面鏡校準(zhǔn)設(shè)備； 利用SP-FST對(duì)樣品噴涂反面進(jìn)行表征計(jì)算； 對(duì)測(cè)試結(jié)果的曲率半徑做負(fù)數(shù)換算，帶入Stoney公式中換算噴涂涂層面應(yīng)力值。

圖2 逐層剝離曲率檢測(cè)Fig.2 Layer-by-layer peeling curvature detection

2 結(jié)果與討論

2.1 低壓等離子涂覆的高溫合金粉末涂層形貌分析

圖3 高溫合金粉末涂層形貌圖：(a) 原始試樣200X；(b) 腐蝕后試樣200X；(c) 腐蝕后的試樣涂層間200XFig.3 Morphology of superalloy powder coating:(a) original sample 200X,(b) sample 200X after corrosion,(c) sample coating 200X after corrosion

高溫合金涂層表面形貌如圖3 所示。(a)采用低壓等離子噴涂工藝制備高溫涂層，涂層與基體的界面污染低于20%，涂層與基體、涂層與涂層之間未見(jiàn)橫向和縱向裂紋，未見(jiàn)明顯的條狀氧化物和團(tuán)狀氧化物，顯微組織中可見(jiàn)孔隙少且分散，未融化的粉末顆粒不明顯，說(shuō)明粉末熔化比較完全,熔化后的粉末顆粒在碰到基體后產(chǎn)生形變,彌散性較好,表現(xiàn)為光滑的層狀結(jié)構(gòu)涂層形貌。 (b)經(jīng)過(guò)腐蝕后的涂層形貌顯示，涂層與基體、涂層與涂層之間未見(jiàn)橫向和縱向裂紋，涂層組織致密，涂層中存在半融化狀態(tài)的粉末顆粒，且半融化狀態(tài)粉末均布在融化粉末涂層中，孔隙少且分散，在涂層與靠近基體位置，有明顯的擴(kuò)散層存在。(c)經(jīng)過(guò)腐蝕后涂層間的形貌，兩次涂層涂覆結(jié)合面處界面存在二次界面污染區(qū)，有半融化顆粒富集區(qū)。說(shuō)明在二次以上噴涂存在時(shí)間上的間隔、界面污染等二次污染現(xiàn)象。

2.2 不同工序殘余應(yīng)力分析

采用X射線衍射法對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了原始樣、噴砂后以及噴涂后的殘余應(yīng)力進(jìn)行了檢測(cè)。試驗(yàn)件經(jīng)不同工序后的殘余應(yīng)力測(cè)量曲線如圖4。

從圖4檢測(cè)中可以看出，試樣的原始樣和噴涂后的殘余應(yīng)力曲線更為接近，殘余應(yīng)力變化不大。而原始樣和噴砂后的殘余應(yīng)力變化較大。說(shuō)明在較薄的涂層厚度情況下，噴砂工序?qū)ν繉拥臍堄鄳?yīng)力有一定的影響，但原始試樣的殘余應(yīng)力對(duì)噴涂后殘余應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響。

圖4 試驗(yàn)件經(jīng)不同工序后的殘余應(yīng)力測(cè)量曲線Fig.4 Residual stress measurement curve of test piece after different processes

2.3 低壓等離子噴涂高溫涂層殘余應(yīng)力影響及分析

逐層剝離曲率檢測(cè)法測(cè)得的低壓等離子噴涂高溫涂層不同涂層厚度殘余應(yīng)力如表2。

表2 不同涂層厚度殘余應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of residual stress of different coating thickness

圖5 不同涂層厚度殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)圖Fig.5 Distribution trend of residual stress of different coating thickness

圖6 不同涂層厚度熱處理后涂層殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)圖Fig.6 Distribution trend of coating residual stress after heat treatment with different coating thickness

圖5為采用低壓等離子噴涂高溫合金粉末制備的不同涂層厚度殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)圖，從圖5可以看出，隨著涂層厚度的增加，涂層的殘余應(yīng)力是在逐步上升的。涂層厚度為0mm～0.1mm時(shí)，由于基體是在從低溫態(tài)到高溫態(tài)快速變化過(guò)程，涂層中形成的殘余應(yīng)力斜率較大，變化量大；當(dāng)涂層厚度為0.1mm～0.2mm時(shí)，涂層的平均殘余應(yīng)力穩(wěn)定在0.12GPa左右，涂層的殘余應(yīng)力平緩，該區(qū)間的殘余應(yīng)力較小，這也從一個(gè)側(cè)面證明，在諸多標(biāo)準(zhǔn)中，低壓等離子噴涂作為粘結(jié)底層時(shí)，涂層厚度處于這個(gè)區(qū)間的重要原因；當(dāng)涂層厚度達(dá)0.2mm左右時(shí)，涂層的殘余應(yīng)力急劇增大，斜率最大，直到涂層厚度達(dá)到0.3mm時(shí)，再次處于平緩；當(dāng)涂層厚度為0.3mm～0.4mm時(shí)，涂層的平均殘余應(yīng)力為0.33GPa，涂層的殘余應(yīng)力平緩，然后隨著涂層厚度的增加，涂層的殘余應(yīng)力逐步升高，直到涂層厚度達(dá)0.65mm。檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，涂層厚度到0.65mm時(shí)，反射激光已經(jīng)無(wú)法落在光敏屏上，故無(wú)數(shù)據(jù)，說(shuō)明涂層到達(dá)0.65mm時(shí)已經(jīng)發(fā)生與基體之間開(kāi)裂現(xiàn)象。因此，涂層厚度0.2mm和0.4mm是殘余應(yīng)力趨勢(shì)圖中的兩個(gè)明顯的拐點(diǎn)，當(dāng)涂層厚度達(dá)0.6mm左右時(shí)，涂層的殘余應(yīng)力達(dá)到了低壓等離子制備高溫涂層的極限值0.52GPa。

根據(jù)涂層厚度0.4mm是殘余應(yīng)力趨勢(shì)圖中的一個(gè)拐點(diǎn)，結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果，將涂層厚度極限值圈定在0.4mm～0.5mm之間，一方面給涂層殘余應(yīng)力極大值留有域度，同時(shí)又考慮到制備厚的涂層后期處理結(jié)果。

2.4 熱處理對(duì)低壓等離子噴涂殘余應(yīng)力影響及分析

在噴涂過(guò)程中，由于顆粒撞擊導(dǎo)致的塑性變形，經(jīng)過(guò)熱處理以后，在涂層中這種扁平化顆粒界面區(qū)域會(huì)發(fā)生組織變化。由于扁平粒子界面間的亞穩(wěn)相較低的熱穩(wěn)定性，后續(xù)的熱處理可以改善原始層片狀涂層的組織和性能。并且，對(duì)于金屬涂層來(lái)說(shuō)，熱處理會(huì)使涂層由層片狀組織向等軸晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，同時(shí)等軸晶晶粒會(huì)突破層片狀結(jié)構(gòu)的界面生長(zhǎng)，并且等軸晶結(jié)構(gòu)的涂層也有助于改善涂層的性能。

圖6是不同涂層厚度熱處理后涂層殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)圖，涂層厚度從0 mm～0.6mm，涂層的殘余應(yīng)力是逐步升高的，曲線近似于拋物線。0mm～0.1mm時(shí)，該曲線的斜率最大，在0.1mm～0.6mm范圍內(nèi)曲線較為平緩，斜率較小，涂層厚度0.6mm左右時(shí)，涂層的殘余應(yīng)力為0.35GPa。

圖7 不同涂層厚度熱處理前和熱處理后涂層殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)對(duì)比圖Fig.7 Comparison of residual stress distribution before and after heat treatment for different coating thickness

圖7是不同涂層厚度熱處理前和熱處理后涂層殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)對(duì)比圖，對(duì)比圖5、圖6可以看出，0.25mm是涂層熱處理前和熱處理后涂層殘余應(yīng)力曲線的交集點(diǎn)，涂層厚度在0.25mm范圍內(nèi)，熱處理前的涂層殘余應(yīng)力小于涂層熱處理后的殘余應(yīng)力，說(shuō)明涂層在較薄厚度時(shí)，熱處理會(huì)導(dǎo)致涂層殘余應(yīng)力的升高；當(dāng)涂層厚度達(dá)0.25mm時(shí)，熱處理前和熱處理后達(dá)到了平衡點(diǎn)，及熱處理前后涂層殘余應(yīng)力相當(dāng)；當(dāng)涂層超過(guò)0.25mm時(shí)，熱處理工藝明顯的可以減緩?fù)繉雍穸葞?lái)的涂層殘余應(yīng)力增加；當(dāng)涂層厚度達(dá)0.5mm時(shí)，熱處理后涂層殘余應(yīng)力最大值接近0.30GPa，與熱處理前涂層厚度為0.3mm～0.4mm時(shí)，涂層的平均殘余應(yīng)力為0.33GPa曲線平緩區(qū)接近。因此，根據(jù)測(cè)試的結(jié)果，在熱處理前涂層厚度在0.5mm左右時(shí)，能夠有效的保證涂層厚度的最大極限值，涂層采用熱處理工藝，可以有效保證涂層殘余應(yīng)力降低到涂層殘余應(yīng)力合適的范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

本文先采用X射線衍射法對(duì)涂層的殘余應(yīng)力進(jìn)行了定性的規(guī)律性探索，結(jié)合了逐層法與曲率法等測(cè)量方法對(duì)低壓等離子噴涂的高應(yīng)力涂層殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試與分析，并將傳統(tǒng)的熱處理工藝引入涂層的殘余應(yīng)力消除中，結(jié)果表明：原始試樣殘余應(yīng)力對(duì)噴涂后的涂層殘余應(yīng)力幾乎無(wú)影響。采用低壓等離子工藝參數(shù)制備的高溫涂層厚度存在極限值，極限厚度約為0.5mm。采用熱處理方法對(duì)低壓等離子噴涂制備的高溫涂層進(jìn)行熱處理，可以達(dá)到減小涂層殘余應(yīng)力的目的。