劉琦峰，章德銘,2，程旭瑩,2，劉建明,2，劉通,2

（1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206）

0 引言

在燃?xì)廨啓C(jī)及汽輪機(jī)制造和實(shí)際生產(chǎn)過程中，燃?xì)廨啓C(jī)及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖與靜子機(jī)匣的間隙越小，燃?xì)廨啓C(jī)及汽輪機(jī)效率越高，油耗越低，因而氣路封嚴(yán)技術(shù)是提高燃?xì)廨啓C(jī)及汽輪機(jī)性能的重要手段。相較于傳統(tǒng)的氣路密封技術(shù)，熱噴涂可磨耗封嚴(yán)涂層作為一種高效、低成本的間隙控制技術(shù)，同時(shí)為機(jī)匣提供保護(hù)，減少受高溫燃?xì)獾挠绊懚玫綉?yīng)用[1,2]。

沖蝕磨損是指液體或固體以松散的小顆粒按一定的速度或角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的一種材料損耗現(xiàn)象或過程[3,4]，微觀上失效包括磨損、腐蝕及其相互促進(jìn)作用。使用熱噴涂技術(shù)在材料表面制備涂層可以減輕沖蝕所造成的磨損[5]，其具有對(duì)基體熱影響小、設(shè)備簡單和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。但涂層在實(shí)際應(yīng)用中面臨的工況十分惡劣，正常運(yùn)行過程中，不但需承受轉(zhuǎn)子葉片的高速刮削接觸，涂層也會(huì)受到燃?xì)夂透邷亍⒏咚贇饬骷捌鋽y帶的少量微小顆粒的沖蝕作用[6]，多種作用會(huì)導(dǎo)致封嚴(yán)涂層失效剝落。封嚴(yán)涂層的金屬骨架使其具有良好的硬度及抗沖蝕性能[7]，而可磨耗性能則要求涂層硬度在要求范圍內(nèi)盡可能的小以保證轉(zhuǎn)動(dòng)部件不被磨損；如何調(diào)整生產(chǎn)工藝平衡抗沖蝕性能和可磨耗性能是目前可磨耗封嚴(yán)涂層研究領(lǐng)域一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[8-11]。

本文選擇三種不同材質(zhì)的復(fù)合材料粉末為研究對(duì)象，采用相同參數(shù)的熱噴涂工藝制備成可磨耗封嚴(yán)涂層，在相同的沖蝕條件下對(duì)其進(jìn)行固體介質(zhì)沖擊試驗(yàn)，分析并比較三種不同涂層的抗沖蝕性能。通過對(duì)不同沖蝕角度下涂層被沖蝕后的表面形貌及截面形貌的觀察，分析了涂層的沖蝕磨損行為。

1 試驗(yàn)過程與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用45#鋼為基體材料，涂層抗沖蝕性能測試試樣尺寸為50mm×25mm×2mm。涂層面層粉末材料選用北京礦冶科技集團(tuán)研制的銅鋁聚苯酯粉末，鎳鉻鋁聚苯酯粉末和鎳鉻鐵鋁氮化硼復(fù)合粉，復(fù)合面層厚度為2mm。在噴涂前，基材經(jīng)噴砂和除油處理。

1.2 涂層制備

采用Meto 6P-Ⅱ氧-乙炔火焰噴涂系統(tǒng)在基體表面制備可磨耗封嚴(yán)涂層，火焰噴涂主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1 涂層制備主要工藝參數(shù)Table1 Main technological parameters of coating preparation

1.3 沖蝕試驗(yàn)及分析方法

試驗(yàn)在北京礦冶研究總院自制的氣-固噴砂式?jīng)_蝕磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖蝕試驗(yàn)機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括噴砂槍、旋轉(zhuǎn)式定位裝置、沖蝕介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和氣體壓力控制閥。試驗(yàn)時(shí)，以壓縮空氣為動(dòng)力，通過高速氣流的流動(dòng)，帶動(dòng)腔體內(nèi)的沖蝕介質(zhì)加速?zèng)_擊試樣表面。沖蝕試驗(yàn)機(jī)及噴槍結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 沖蝕試驗(yàn)機(jī)及噴槍結(jié)構(gòu)Fig.1 Erosion testing machine and structure of spray gun

其主要技術(shù)參數(shù)和本次試驗(yàn)條件如表2所示：

表2 自制沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table2 Main technical parameters of 100 self-made erosion tasting machine

參照美國通用電氣(GE)公司E50A121沖蝕標(biāo)準(zhǔn)，選擇表2中實(shí)驗(yàn)參數(shù)，模擬汽輪機(jī)實(shí)際工況時(shí)封嚴(yán)涂層所面臨的粒子沖蝕環(huán)境。試驗(yàn)前用60目砂紙將涂層表面打磨平整，試驗(yàn)前后使用球頭直徑 Φ6mm的QLR五鍵電子齒輪千分尺測量涂層厚度差，用沖蝕時(shí)間與氧化鋁所沖蝕的涂層厚度差的比值表示涂層沖蝕數(shù)EW(s/mil)：

為減少不同實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境帶來的影響，引入修正沖蝕數(shù)E#：

其中：EW校準(zhǔn)代表每次實(shí)驗(yàn)前后使用實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)片沖蝕數(shù)平均值。

沖蝕數(shù)數(shù)值越大，代表涂層磨損單位深度所用時(shí)間越長，抗沖蝕性能越好。

試驗(yàn)后采用Carl Zeiss公司的Stereo Discovery V20 型體視顯微鏡和帶有EDS的ISU-5000型掃描電子顯微鏡觀察和分析涂層沖蝕面的形貌特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖蝕角度的影響

在表2的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)三種涂層進(jìn)行沖蝕角度分別為20°和90°的試驗(yàn)。表3、表4分別為三種涂層在20°和90°沖蝕角下的沖蝕數(shù)關(guān)系?？梢?，在不同角度的沖蝕條件下，CuAl復(fù)合涂層的沖蝕性能都為最好，NiCr-Al復(fù)合涂層較好，NiCrFe/Al復(fù)合涂層最差。

表3 20°沖蝕角不同涂層沖蝕數(shù)Table3 The erosion date of different coatings of 20° erosion angle

表4 90°沖蝕角不同涂層沖蝕數(shù)Table4 The erosion date of different coatings of 90° erosion angle

由圖2可知，三種涂層在20°沖蝕角時(shí)，抗沖蝕性能表現(xiàn)均較90°時(shí)良好。可磨耗封嚴(yán)涂層疏松、多孔、顆粒之間結(jié)合較差，硬度偏低。涂層中的金屬相起到抗沖蝕作用，這決定了低角度沖蝕時(shí)涂層的沖蝕主要以塑性材料的磨損機(jī)制進(jìn)行，此時(shí)涂層的塑性決定了抗沖蝕能力的強(qiáng)弱。當(dāng)沖蝕角增大時(shí)，磨料顆粒對(duì)涂層的正面沖擊加大，非金屬相相當(dāng)于涂層中存在的預(yù)裂紋，這決定了在高角度沖蝕時(shí)，這些裂紋很容易擴(kuò)展，因而逐漸表現(xiàn)出脆性材料沖蝕機(jī)制[12-15]。對(duì)于可磨耗封嚴(yán)涂層而言，低沖蝕角下塑性相起主要作用而大沖擊角下脆性相起主要作用，即低角度下抗沖蝕性能較強(qiáng)。

圖2 不同涂層、不同沖蝕角度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of different coatings and different erosion angles

2.2 沖蝕形貌分析

在涂層表面SEM形貌觀察前使用壓縮清潔氣對(duì)其表面進(jìn)行清潔處理，去除粘著的氧化鋁顆粒，然后進(jìn)行噴金處理，得到?jīng)_蝕角度為20°與90°時(shí)三種涂層的沖蝕磨損表面形貌圖如圖3所示。

由圖3可以觀察到涂層表面存在裂紋、沖蝕凹坑、以及微切削犁溝等。由圖3(a)(c)(e)可以看出沖蝕介質(zhì)在以低角度沖擊涂層表面時(shí)，由于切向運(yùn)動(dòng)為主，粒子不斷切削涂層，形成微切削痕跡，同時(shí)沖蝕粒子形狀不規(guī)則，在涂層表面滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生犁溝。此時(shí)的涂層主要受切削和犁削作用，捶擊作用很弱，切削和犁削使表面的涂層組織向犁溝附近擠壓，剝落較少。在圖3(b)(d)(f)中粒子垂直擊打在涂層表面，粒子的運(yùn)動(dòng)形式由切向變?yōu)榉ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)，對(duì)涂層的作用形式主要為捶擊鍛打作用。高角度沖擊時(shí)，粒子對(duì)涂層施加擠壓力，使涂層表面形成梯田狀凹坑，凹坑附近伴隨著大量組織隆起，伴隨著錘擊鍛打的不斷進(jìn)行，凹坑附近部分隆起的組織和未熔顆粒脫落，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)顆粒或片狀剝落。

圖3 涂層沖蝕磨損表面形貌圖：(a)、(b)CuAl復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損表面；(c)、(d)NiCr-Al復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損表面；(e)、(f)NiCrFe/Al復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損表面Fig.3 Surface morphology of erosion wear of coatings: (a), (b)20° and 90° erosion wear surfaces of CuAl composite coatings, (c), (d)20° and 90° erosion wear surfaces of NiCr-Al composite coatings, (e), (f)20° and 90° erosion wear surfaces of NiCrFe/Al composite coatings

2.3 沖蝕磨損行為分析

圖4為噴涂態(tài)的CuAl復(fù)合涂層、NiCr-Al復(fù)合涂層和NiCrFe/Al復(fù)合涂層剖面形貌?；野咨淼氖呛辖鹣?，黑色表示非金屬相和孔隙，非金屬相可均勻分布于金屬骨架間，滿足封嚴(yán)涂層疏松多孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，涂層組織整體有明顯的片層狀分布。本文采用火焰噴涂工藝制備可磨耗封嚴(yán)涂層，噴涂粉末在燃燒火焰中被加熱或軟化，焰流推動(dòng)其以一定速度噴射到工件表面形成涂層，因此涂層為層片狀結(jié)構(gòu)，并且片層之間的結(jié)合力較低，可觀察到涂層內(nèi)部存在預(yù)裂紋。

圖4 涂層剖面形貌圖：(a)CuAl復(fù)合涂層剖面；(b)NiCr-Al復(fù)合涂層的剖面；(c)NiCrFe/Al復(fù)合涂層的剖面Fig.4 Coating profile topographic: (a)CuAl composite coating profile, (b)NiCr-Al composite coating profile,(c)NiCrFe/Al composite coating profile

將涂層沿沖蝕方向解剖，對(duì)涂層截面進(jìn)行掃描電鏡分析得到圖5所示截面形貌。由圖5(a)、(c)、(e)可以看出在沖蝕角度為20°時(shí)涂層表面金屬相組織向一側(cè)聚集，這是由于沖蝕粒子在低角度時(shí)犁削作用將涂層表面組織沿運(yùn)動(dòng)方向擠壓產(chǎn)生的。由圖5(b)、(d)、(f)可以看出垂直沖擊角度下涂層的次表面金屬相間存在大量裂紋，涂層的表面在沖蝕介質(zhì)的連續(xù)擊打下，容易導(dǎo)致結(jié)合力較弱的層片和非金屬相間出現(xiàn)裂紋的拓展，并向涂層表面遷移，最終造成涂層表面出現(xiàn)剝落。低角度時(shí)，沖蝕粒子存在犁削作用，增加涂層表面疲勞應(yīng)力；高角度時(shí)，錘擊作用的增強(qiáng)加速裂紋的拓展，涂層片片剝落直至涂層完全失效。

圖5 涂層沖蝕磨損剖面形貌圖：(a)、(b)CuAl復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損剖面；(c)、(d)NiCr-Al復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損剖面；(e)、(f)NiCrFe/Al復(fù)合涂層的20°和90°沖蝕磨損剖面Fig.5 Surface Morphology of Erosion Wear of Coatings: (a), (b)20° and 90° erosion wear surfaces of CuAl composite coatings, (c), (d)20° and 90° erosion wear surfaces of NiCr-Al composite coatings, (e), (f)20° and 90° erosion wear surfaces of NiCrFe/Al composite coatings

3 結(jié)論

本文采用氧-乙炔火焰噴涂技術(shù)在45#鋼基體上制備了NiCr-Al復(fù)合涂層、CuAl復(fù)合涂層和NiCrFe/Al基復(fù)合涂層，對(duì)三種涂層在不同沖蝕角度下進(jìn)行了室溫粒子沖蝕實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了三種涂層的沖蝕磨損性能。對(duì)沖蝕后涂層的表面形貌以及截面形貌進(jìn)行了觀察，分析了沖蝕角度對(duì)涂層沖蝕磨損行為的影響。主要結(jié)論如下：

(1) 三種涂層在20°沖蝕角時(shí)，抗沖蝕性能表現(xiàn)均較90°時(shí)良好。GE沖蝕數(shù)由大到小依次是CuAl復(fù)合涂層、NiCr-Al復(fù)合涂層、NiCrFe/Al基復(fù)合涂層。

(2) 沖蝕角度對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層的抗沖蝕性能有較大影響, 并顯著影響涂層的沖蝕磨損行為特征。20°時(shí)涂層磨損主要有切削引起，沖蝕磨損行為主要表現(xiàn)為顯微切削和疲勞剝落；90°時(shí)涂層磨損主要由錘擊引起，涂層沖蝕磨損行為主要為片狀剝落。