郭丹，劉建明，潘玥，劉通，張鑫，張康，于月光

（1. 礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北京市工業(yè)部件表面強化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206；3. 特種涂層材料與技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102206）

0 引言

可磨耗封嚴(yán)涂層涂覆于航空發(fā)動機靜子部件表面，在高溫高速工況下與轉(zhuǎn)子部件對磨時能夠發(fā)生主動磨耗，從而可通過轉(zhuǎn)、靜子的過盈配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)、靜子之間的最小間隙控制，同時保護(hù)轉(zhuǎn)子部件不被磨損，其對于降低燃?xì)廨啓C油耗、提高效率和運行安全性具有重要意義[1-3]。可磨耗封嚴(yán)涂層由可磨耗組分和骨架組分組成，可磨耗組分一般為低剪切強度的非金屬材料，如石墨、六方氮化硼、聚苯酯等，提供涂層的可磨耗性；骨架組分一般是Al、AlSi、CuAl、NiCr 等金屬或陶瓷，賦予涂層一定的強度及抗氧化性等[4-7]。可磨耗封嚴(yán)涂層最主要的制備工藝為熱噴涂，噴涂焰流溫度一般在3000 ℃以上[8]。

六方氮化硼(hBN)是一種性能優(yōu)越的可磨耗組分，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可磨耗性優(yōu)異等特征，是先進(jìn)可磨耗涂層材料的一種重要組分[9-10]。但是，由于hBN 組分在900 ℃空氣中氧化快、質(zhì)輕、塑性差、粘附性差等原因，在熱噴涂過程中容易燒損、不易加速、在撞擊到基體后容易散落等，導(dǎo)致涂層沉積率很低，無法發(fā)揮該組分的優(yōu)越特性[11-13]。

本文以典型的高溫封嚴(yán)涂層材料鎳鉻鐵鋁氮化硼為例，選擇了A、B、C 三種不同石墨化指數(shù)的hBN 進(jìn)行復(fù)合粉末材料的制備及其性能對比研究，并對其進(jìn)行熱噴涂封嚴(yán)涂層的制備及涂層性能研究，以期獲得石墨化指數(shù)對hBN 可磨耗涂層燒損率的影響。

1 試驗

1.1 原材料的選擇

本試驗選取粒徑分布范圍為45～90 μm 的鎳鉻鐵合金粉作為包覆核心材料，超細(xì)鋁粉和氮化硼粉作為外層包覆組元，制備包覆型鎳鉻鐵鋁氮化硼復(fù)合粉末。其中鎳鉻鐵鋁合金粉采用水霧化法制備。試驗中選擇了 A、B、C 三種不同石墨化指數(shù)的hBN 用于鎳鉻鐵鋁氮化硼復(fù)合粉末的制備。

1.2 復(fù)合粉末的制備

本試驗采用球磨機將NiCrFe 粉末、Al 粉及三種hBN 粉末分別按同一比例進(jìn)行預(yù)混合，將預(yù)混合粉末及粘結(jié)劑倒入混合包覆造粒機中進(jìn)行機械融合制備，再經(jīng)過篩分和干燥，最終得到復(fù)合粉末，三種粉末采用的制備工藝完全一致。

1.3 封嚴(yán)涂層的制備

分別采用Metco F4 大氣等離子噴涂系統(tǒng)和Metco 6P-Ⅱ氧-乙炔火焰噴涂系統(tǒng)在GH4169 基體表面制備底層和可磨耗封嚴(yán)涂層。其中，粘結(jié)層材料選用鎳鋁復(fù)合粉末（礦冶科技集團有限公司，牌號 KF-6，粒度為45～106 μm，化學(xué)成分如表1 所示），面層為鎳鉻鐵鋁氮化硼復(fù)合粉末。采用表2 所示噴涂參數(shù)噴涂粘結(jié)層，并采用表3所示噴涂參數(shù)噴涂面層，噴涂后對所制備涂層的微觀組織形貌、硬度、結(jié)合強度等進(jìn)行測試與分析。

表1 粘結(jié)層粉末化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of bonding layer powder

表2 粘結(jié)層等離子噴涂參數(shù)Table 2 Plasma spraying parameters of bond layer

表3 可磨耗封嚴(yán)涂層火焰噴涂參數(shù)Table 3 Flame spraying parameters of the abrasive coatings

1.4 性能測試

本研究采用XRD 對不同hBN 原料的物相組成進(jìn)行測試，通過MDI Jade 軟件計算X射線衍射譜中(100)、(101)及(102)等各晶面衍射峰面積S，并通過式(1)來計算其石墨化指數(shù)[14-15]。

采用FEI 公司的Quanta 600 型掃描電子顯微鏡 (SEM) 觀察粉末的顯微組織形貌、剖面及涂層的微觀組織形貌。采用掃描電子顯微圖像分析法對涂層中的金屬相、非金屬相及孔隙占比進(jìn)行計算，在涂層截面上隨機選取10 張放大倍數(shù)為100×的掃描電鏡圖像，使用 ImageJ 軟件統(tǒng)計圖像中各相的面積比，取平均后得到涂層各相占比。涂層表面經(jīng)過粗磨后，涂層硬度測量依照GB/T231.1-2000 進(jìn)行并采用MODEL600MRD-S型洛氏硬度儀檢測 HR15Y。涂層的結(jié)合強度采用粘結(jié)拉伸法進(jìn)行檢測，將粗磨后的試樣與經(jīng)過預(yù)噴砂的對接件采用美國生產(chǎn)的FM-1000 高溫膠片粘結(jié)，在190 ℃下保溫 2 h 進(jìn)行固化；在WDW-100A 型微機控制電子式萬能試驗機上進(jìn)行拉伸測試。涂層厚度為0.5～0.8 mm，拉斷時單位面積涂層所承受的載荷為結(jié)合強度。為了保證實驗結(jié)果的可靠性，每組實驗均采用3 個試樣進(jìn)行測試，取其平均值作為最終結(jié)果。通過電感耦合等離子體光譜儀（ICP 法）對粉末及涂層試樣中的hBN含量進(jìn)行測量，進(jìn)而計算復(fù)合粉末在噴涂過程中hBN 相的燒損率。

利用 BGRIMM-ATR 型可磨耗試驗機對鎳鉻鐵鋁氮化硼封嚴(yán)涂層試樣進(jìn)行可磨耗試驗，試樣的尺寸為：100 mm×40 mm×8 mm，對磨葉片為GH4169。試驗溫度為室溫和815 ℃，線速度350 m/s，進(jìn)給速率5 μm/s，進(jìn)給深度為500 μm。將刮削試驗前后的葉片高度變化與總進(jìn)給深度的比值定義為葉片高度磨損比 (IDR)，通過下式計算：

Δh為葉片高度差，Δh=刮削前高度h1-刮削后高度h2；I為涂層磨痕深度。

刮削試驗后，當(dāng)葉片高度減小(Δh＞0)時，按公式(2)計算IDR，總侵入深度=磨痕深度+葉片高度差，即總的侵入深度就是葉尖磨損的長度與涂層被刮削的深度之和。葉片高度增加(Δh＜0)時，按公式(3)計算IDR，即有涂層材料向葉尖的粘附造成葉片高度增加，總侵入深度=磨痕深度。

IDR是評價涂層可磨耗性能的定量指標(biāo)。IDR的絕對值越小，可磨耗性能就越好。當(dāng)以葉片磨損為主時，IDR為正值，當(dāng)出現(xiàn)涂層材料黏附葉片時，IDR為負(fù)值。一般情況下，當(dāng)IDR的絕對值小于10%時，涂層的可磨耗性為優(yōu)，當(dāng)IDR的絕對值位于10%～20%時，其可磨耗性為良，當(dāng)IDR的絕對值位于20%～ 30%時，其可磨耗性為可接受[16]。

2 結(jié)果及分析

2.1 hBN 石墨化指數(shù)

通過X 射線衍射(XRD)對三種hBN 原料物相組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1 所示，通過Jade 計算得到三種hBN 粉末的(100)、(101)、(102)晶面的衍射峰面積及石墨化指數(shù)如表4 所示?？芍?，三種hBN 粉末的石墨化指數(shù)A 最高，B 次之，C 最低。hBN 石墨化指數(shù)越低，其結(jié)晶完整度越高[11]。

圖1 三種hBN 粉末XRD：(a) A; (b) B; (c) CFig.1 XRD patterns of three hBN powders: (a) A; (b) B; (c) C

表4 hBN 石墨化指數(shù)Table 4 Graphitization Index of hBN

2.2 復(fù)合粉末形貌

采用三種hBN 制備的復(fù)合粉末剖面如圖2 所示，可知，三種復(fù)合粉末形貌差異不大。根據(jù)能譜分析可知，淺灰色不規(guī)則大顆粒粉末為NiCrFe粉末，包裹在淺灰色大顆粒表面的深灰色小圓球顆粒為Al 粉，深灰色片狀粉為hBN，三種粉末包覆型均較好，小顆粒的Al 和hBN 緊緊包覆在大顆粒表面，有少量小顆粒的圓球狀A(yù)l 和hBN 散落在粉末之間。

圖2 采用不同hBN 制備的復(fù)合粉末：(a1, a2, a3)為A；(b1, b2, b3)為 B；(c1, c2,c3)為CFig.2 SEM images of composite powder prepared by different hBN: (a1, a2, a3) for A; (b1, b2, b3) for B; (c1, c2, c3) for C

2.3 hBN 燒損率

采用相同噴涂工藝參數(shù)對三種粉末進(jìn)行火焰噴涂，粉末及涂層中hBN 含量如表5 所示?？梢?，3 種粉末中hBN 含量相差不大，但采用相同參數(shù)制備的涂層中hBN 含量相差較大，且均低于粉末中含量，說明在火焰噴涂過程中三種復(fù)合粉末中hBN 組分發(fā)生了不同程度的燒損和散落。其中，采用1 號粉末制備的涂層中，hBN 燒損量最高，較粉末減少了41.41%；2 號粉末次之，涂層中的hBN 組分較粉末減少了37.56%；3 號粉末的hBN燒損量最低，較粉末減少了21.14%。說明hBN石墨化指數(shù)越低，其結(jié)晶完整度越高，性質(zhì)越穩(wěn)定，所制備復(fù)合粉末在火焰噴涂過程中hBN 燒損量越低。

表5 粉末及涂層中hBN 含量Table 5 Content of hBN in powder and coating

2.4 涂層形貌及性能

制備的三種涂層形貌如圖3 所示，其物相組成、硬度和結(jié)合強度的測試結(jié)果分別列于表6～8。從中可以看到，石墨化指數(shù)較高的hBN 所制備復(fù)合粉末噴涂得到的涂層（圖3(a)、(b)），其組織中金屬相占比較大，涂層組織中只有少量氮化硼顆粒沉積，非金屬相及孔隙相占比較低，雖然結(jié)合強度較高，但其硬度值已超出封嚴(yán)涂層的適宜硬度值范圍55～70 HR15Y，涂層在服役時會嚴(yán)重?fù)p傷與其對磨的轉(zhuǎn)子葉尖。而采用石墨化指數(shù)較低的C 型hBN 制備的復(fù)合粉末噴涂得到的涂層組織均勻，氮化硼顆粒沉積率較高，非金屬相及孔隙相占比較前兩種粉末明顯提高，三種涂層組織的差異主要與可磨耗組分的燒損有關(guān)聯(lián)。C 型hBN 較前兩種hBN 石墨化指數(shù)低，結(jié)晶完整度高，耐燒損性高，因此，有效降低了火焰噴涂過程中復(fù)合粉末中氮化硼顆粒的燒損，絕大部分hBN 在噴涂后仍然存留在涂層中，涂層硬度平均值為62.0 HR15Y，結(jié)合強度為5.62 MPa，可滿足封嚴(yán)涂層服役的基本性能要求。

圖3 采用不同hBN 制備的復(fù)合粉末火焰噴涂涂層的微觀組織形貌：(a) A；(b) B；(c) CFig.3 Microstructure of flame sprayed coatings prepared by composite powder with different hBN: (a) A; (b) B; (c) C

表6 涂層物相組成Table 6 Phase composition of coating

表7 涂層硬度(HR15Y)對比Table 7 Hardness of coatings

表8 涂層的結(jié)合強度對比Table 8 Bonding strength of coatings

對采用石墨化指數(shù)為1.26 的hBN 制備的復(fù)合粉末經(jīng)火焰噴涂制備的涂層的可磨耗性在室溫25℃和815 ℃下進(jìn)行測試，其中試驗線速度350 m/s，進(jìn)給速率5 μm/s，進(jìn)給深度為500 μm。涂層的對磨試驗結(jié)果如圖4 所示，可知，在試驗條件下涂層的IDR值均為正值，說明均發(fā)生了葉片磨損，導(dǎo)致葉片的高度減小。并且可以看出，在815 ℃下IDR值較室溫下較高，這可能是由于高溫下葉片發(fā)生軟化，其耐磨性降低，因此葉片磨損程度加劇。無論是室溫還是高溫，涂層均無大塊剝落，葉片進(jìn)給磨損比(IDR)≤20%，涂層未粘著葉片，說明石墨化指數(shù)的降低不僅有效減少hBN 組分在噴涂過程中的燒損，降低涂層硬度，且可以在涂層高溫服役中發(fā)揮更好的潤滑性，使涂層在對磨過程中表現(xiàn)出更優(yōu)異的可磨耗性能。

圖4 涂層 IDR 值計算結(jié)果Fig. 4 IDR value calculation result of coating

3 結(jié)論

(1) 石墨化指數(shù)對鎳基氮化硼復(fù)合粉末在噴涂過程中燒損率有較大的影響，hBN 石墨化指數(shù)越低，所制備粉末在噴涂過程中hBN 組分燒損率越低，粉末耐燒損特性越好。

(2) 采用不同石墨化指數(shù)的hBN 制備的復(fù)合粉末材料經(jīng)火焰噴涂制備可磨耗封嚴(yán)涂層，涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能差別較大，hBN 石墨化指數(shù)越低，涂層中的非金屬相及孔隙占比越高，涂層硬度越低。

(3) 石墨化指數(shù)為1.29 的hBN 制備的復(fù)合粉末經(jīng)噴涂得到的涂層硬度為62.0 HR15Y，結(jié)合強度為5.62 MPa，在室溫及高溫下IDR 值均小于20%，可磨耗性良好。