谷籽旺 郭文敏 張弘鱗 李文娟

摘 要：本文采用球磨法制備CoNiCrAlY-Al2O3核殼結(jié)構(gòu)粉末，著重研究CoNiCrAlY粒徑對制備CoNiCrAlY-Al2O3核殼結(jié)構(gòu)粉末的影響，旨在通過選擇CoNiCrAlY粒徑范圍制備包覆率較好的CoNiCrAlY-Al2O3核殼結(jié)構(gòu)粉末。為提高球磨法制備核殼結(jié)構(gòu)粉末包覆率提供經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。結(jié)果表明粒徑越大的核殼結(jié)構(gòu)粉體包覆效果越好，其中20～45μm粒徑范圍的NiCrCoAlY-Al2O3核殼結(jié)構(gòu)粉體的平均包覆率可達(dá)62.8%。

關(guān)鍵詞：核殼結(jié)構(gòu);CoNiCrAlY涂層;球磨

CoNiCrAlY涂層具有黏附性良好、強(qiáng)度大以及優(yōu)異的抗高溫氧化性等優(yōu)點(diǎn)，作為黏結(jié)涂層廣泛應(yīng)用于熱障涂層中，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命并提高發(fā)動機(jī)效率[1，2]。近年來，由于效率的提高，發(fā)動機(jī)的運(yùn)行溫度有所提高。需要進(jìn)一步提高CoNiCrAlY涂層的性能以適應(yīng)更高溫的環(huán)境。目前通常在涂層中添加氧化物彌散強(qiáng)化材料中增加抗氧化性[3]。但存在添加氧化物增強(qiáng)相在涂層內(nèi)部分布不均勻、涂層性能不穩(wěn)定。

研究表明，制備核殼結(jié)構(gòu)粉體材料是一種有效的解決方案。核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由芯核材料與外殼材料組成。通過表面改性技術(shù)在粉體表面制備一層厚度較薄的抗氧化層，可輕易實(shí)現(xiàn)易氧化或易分解材料在飛行過程中與氧氣有效隔離。采用球磨法制備核殼結(jié)構(gòu)粉體有成本低、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)。王記中等[4]采用濕磨法，以形狀不規(guī)則、多棱角、顆粒大小不一、球形度差的TiB2粉末和呈球形或橢球形NiCrCoAlY粉末為原料制備了納米混合粉體。歐陽卓等[5]采用濕磨工藝直接將CoNiCrAlY合金粉末和MoSi2陶瓷粉末球磨復(fù)合。蔡龍龍[6]使用球磨法用Al2O3粉末和Ni60A合金粉末為原料制成Ni60A-Al2O3復(fù)合粉末。劉王強(qiáng)等[7]使用球磨法制備了Ni包Al包覆Fe基非晶合金復(fù)合粉末。Hatami等[8]使用球磨法將CoNiCrAlY合金粉末和氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）粉末球磨復(fù)合，由于制備的核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合粉末球形度差所制備的涂層抗氧化性能降低。綜上所述，熱噴涂涂層的組織結(jié)構(gòu)與性能與核殼結(jié)構(gòu)粉體的成型工藝密切相關(guān)。所報道的核殼復(fù)合粉體普遍存在包覆效果不好，球形度差等問題，影響涂層的抗氧化性能等?，F(xiàn)有研究較少討論核殼復(fù)合粉體的粒徑與包覆效果的關(guān)系。本文利用粉體的核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用高能球磨法讓優(yōu)異抗氧化性能的Al2O3粉體包覆于CoNiCrAlY粉體原料，研究制備核殼結(jié)構(gòu)粉體平均包覆率較優(yōu)的粉體粒徑范圍。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)使用兩種粉末材料，一種為商用納米Al2O3粉末（長沙天久金屬材料有限公司，牌號：Titd-Al2O3，Al2O3含量≥99.7%），粒徑50～200nm，一種為商用CoNiCrAlY粉末（AMDRY 9951;Sulzer Metco），粒徑15～45μm，其化學(xué)成分如表1所示。CoNiCrAlY粉末與Al2O3粉末的SEM形貌如圖1所示，優(yōu)選Al2O3粉末的加入量為10wt.%。

將NiCoCrAlY球形粉末以及Al2O3粉末在干燥箱中進(jìn)行干燥，將干燥好的NiCrCoAlY粉末以及Al2O3粉末按比例與磨球放入球磨機(jī)中，按照表2所示工藝參數(shù)進(jìn)行球磨，得到NiCrCoAlY-Al2O3核殼復(fù)合粉末。球磨處理采用的磨球?yàn)橹睆?5mm、直徑8mm和直徑5mm的316不銹鋼球，大中小球的數(shù)量比為1∶2∶4。用掃描電鏡（荷蘭Phenom proX掃描電子顯微鏡）進(jìn)行觀察球磨后的包覆率與球形度，每個參數(shù)下的樣品隨機(jī)選取位置拍攝10張以上的圖像，通過Image pro plus圖像處理軟件計(jì)算每個復(fù)合粉末的粒徑與包覆率。

2 不同球磨條件下的核殼結(jié)構(gòu)粉體粒徑對核殼結(jié)構(gòu)粉體平均包覆率的影響規(guī)律

在球磨過程中，粉末被磨球強(qiáng)烈的撞擊、碾壓、揉搓后，產(chǎn)生了過量的塑性變形，形成了強(qiáng)烈晶格畸變、含有大量位錯的球磨顆粒，硬度大的小粒徑Al2O3粉末被擠壓入大粒徑NiCrCoAlY粉末，形成核殼結(jié)構(gòu)粉體，因此NiCrCoAlY粉末的粒徑范圍對核殼結(jié)構(gòu)的包覆效果也是有影響的，一般情況下Al2O3粉末顆粒與NiCrCoAlY粉末的粒徑相差越大越容易形成包覆完全的核殼結(jié)構(gòu)粉體，超音速火焰噴涂粉末原料粒徑要求約為15～45μm。本實(shí)驗(yàn)幾組實(shí)驗(yàn)參數(shù)給出不同球磨條件下粒徑與平均包覆率的關(guān)系，參考本研究結(jié)果更易制備包覆率好的核殼結(jié)構(gòu)粉體，粒度分布均勻、粒形圓潤、流動性好，適用于熱噴涂涂層制備。

在各個粒徑范圍內(nèi)平均包覆率也最優(yōu)，在20～45μm粒徑范圍平均包覆率高達(dá)85.4%。圖2是正交實(shí)驗(yàn)核殼結(jié)構(gòu)平均包覆率與粒徑的關(guān)系圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，NiCrCoAlY-Al2O3核殼結(jié)構(gòu)粉末平均包覆率隨著粒徑增大而增加。5～10μm粒徑范圍平均包覆率為13%，這一粒徑范圍較難形成包覆率好的核殼結(jié)構(gòu)粉體，在球磨過程中也較先塑性變形。NiCrCoAlY-Al2O3粉末在10～20μm粒徑范圍平均包覆率有所提升，這一粒徑范圍的平均包覆率為34.2%。NiCrCoAlY粉末在20～30μm粒徑范圍平均包覆率為51.35%。NiCrCoAlY粉末在30～45μm粒徑范圍平均包覆率為74.22%。在20～45μm粒徑范圍的NiCrCoAlY-Al2O3粉末粉末平均包覆率達(dá)62.8%。因此在20～45μm粒徑范圍的NiCrCoAlY粉末更易制備包覆率好的NiCrCoAlY-Al2O3核殼結(jié)構(gòu)粉體。

圖3是不同球磨轉(zhuǎn)速下粒徑與平均包覆率柱狀圖。可以看到球磨轉(zhuǎn)速從120r/min增加到180r/min，各個粒徑范圍的包覆率都有較大提升。5～10μm粒徑范圍平均包覆率從4.4%增加到5%。10～20μm粒徑范圍平均包覆率13.7%增加到42.6%。20～30μm粒徑范圍平均包覆率從25%增加到72.2%。大于等于30μm粒徑范圍平均包覆率從74%到75%。由正交分析可知，球磨轉(zhuǎn)速對于平均包覆率影響是較大，適當(dāng)增加球磨轉(zhuǎn)速可提高核殼結(jié)構(gòu)粉末的制備效率和包覆效果。

圖4是不同球料比下粒徑與平均包覆率柱狀圖。可以看到球料比從2∶1增加到5∶1，各個粒徑范圍的包覆率都有較大提升。5～10μm粒徑范圍平均包覆率從15.3%到5%。10～20μm粒徑范圍平均包覆率27.6%增加到42.6%。20～30μm粒徑范圍平均包覆率從61.5%增加到72.2%。大于等于30μm粒徑范圍平均包覆率從82.4%到75%。增加球磨時間有利于制備核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合粉末。

圖5是不同球磨時間下粒徑與平均包覆率柱狀圖。可以看到球料比從4h增加到6h，各個粒徑范圍的包覆率都有較大提升。5～10μm粒徑范圍平均包覆率從5%到41.6%。10～20μm粒徑范圍平均包覆率35.5%增加到67%。20～30μm粒徑范圍平均包覆率從57.5%增加到79.4%。大于等于30μm粒徑范圍平均包覆率從73%到91.4%。增加球料比有利于制備核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合粉末。

3 結(jié)論

初始粉末粒徑越大CoNiCrAlY粉體制備的核殼結(jié)構(gòu)粉體包覆效果越好，用20～45μm粒徑范圍的NiCrCoAlY粉末更易制備包覆率好的NiCrCoAlY-Al2O3核殼結(jié)構(gòu)粉體。5～10μm粒徑范圍平均包覆率為13%，NiCrCoAlY-Al2O3粉末在10～20μm粒徑范圍平均包覆率為34.2%。NiCrCoAlY粉末在20～30μm粒徑范圍平均包覆率為51.35%。NiCrCoAlY粉末在30～45μm粒徑范圍平均包覆率為74.22%。

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基金項(xiàng)目：2018年湖南省自然科學(xué)基金青年基金（2018 JJ3477）;2017年湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金（17B237）;2019年湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX20190969）

作者簡介：谷籽旺（1995— ），男，漢族，湖南郴州人，研究方向：材料加工技術(shù)。