葉俊華，陳凌云，陳新悅，程小紅，楊亞飛，張川

（成都航利（集團）實業(yè)有限公司，成都 611937）

0 引言

鎳鋁(NiAl)和鎳鉻鋁(NiCrAl)均是一種自粘結(jié)型復(fù)合粉末，在熱噴涂過程中能夠發(fā)生化學反應(yīng)生成金屬間化合物，釋放大量的熱，將基體材料表面加熱到接近熔融狀態(tài)，促進熔融顆粒與基體表面形成微區(qū)冶金結(jié)合，從而提高涂層的結(jié)合強度[1]。兩種粉末常用作階梯涂層的打底層材料，也可直接用作尺寸修復(fù)材料[2-4]。對于金屬類尺寸修復(fù)涂層，常用的熱噴涂方法是等離子噴涂。等離子噴涂具有噴涂材料范圍廣，涂層結(jié)合強度高、氧化物夾雜少、孔隙率低，設(shè)備控制精度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、燃氣輪機、石油化工等領(lǐng)域[5-7]。然而等離子噴涂工藝過程復(fù)雜，不同粉末、不同設(shè)備、不同參數(shù)可能會對涂層性能造成較大影響。本文采用等離子噴涂制備了NiAl 和NiCrAl 涂層，運用正交試驗法分析氬氣流量、氫氣流量、電流和噴涂距離對涂層結(jié)合強度和顯微結(jié)構(gòu)的影響，以期了解等離子噴涂過程中主要參數(shù)與涂層種類、性能、組織之間的關(guān)系，為后續(xù)類似涂層的工藝開發(fā)提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

噴涂材料采用北礦新材科技有限公司生產(chǎn)的鎳鋁(NiAl，牌號KF-6)和鎳鉻鋁(NiCrAl，牌號KF-110)粉末，實測化學成分見表1，粒度分布分別見表2 和表3。兩種粉末均采用機械包覆法制備，形貌如圖1 所示，NiAl 呈不規(guī)則形狀，NiCrAl 呈橢球形，經(jīng)能譜分析外層均為Al，NiAl 的核心為Ni，NiCrAl 的核心為NiCr。兩種粉末的顆粒分布較均勻，這可以充分保證噴涂過程中供粉的連續(xù)、流暢，以期獲得較好的流動性和較穩(wěn)定的拖拽力。結(jié)合強度和金相試樣的均為1Cr13 不銹鋼，結(jié)合強度試樣尺寸為Φ25.4 mm×6.0 mm，涂層厚度為0.20～0.30 mm。

圖1 兩種粉末形貌：(a), (b) NiAl；(c), (d) NiCrAlFig.1 Morphology of the two powders: (a), (b) NiAl；(c), (d) NiCrAl

表1 兩種粉末的化學成分(wt. %)Table 1 Chemical composition of the two powders (wt. %)

表2 鎳鋁粉末粒度分布Table 2 Particle size distribution of the NiAl powder

表3 鎳鉻鋁粉末粒度分布Table 3 Particle size distribution of the NiCrAl powder

1.2 試驗方法

采用Metco-9MR 等離子噴涂系統(tǒng)進行工藝試驗，噴槍為F4，送粉器為Twin150，噴涂過程采用ABB 六軸機械手完成。噴涂前將NiAl 和NiCrAl 粉末進行烘干處理。用丙酮清洗試樣，壓縮空氣吹干后進行噴砂處理。采用吸入式噴砂機，噴砂壓力為0.2～0.4 MPa，噴砂介質(zhì)為60 目白剛玉砂，噴砂距離為100～200 mm，噴砂角度為60～85°。在等離子噴涂眾多工藝參數(shù)中，選取氬氣流量、氫氣流量、電流、噴涂距離這4 個主要因素進行正交工藝試驗，由于金屬涂層在噴涂過程中不可避免地會產(chǎn)生氧化，而氧化與孔隙在金屬涂層中很難區(qū)分和定量分析，因此噴涂工藝優(yōu)化試驗方案以涂層結(jié)合強度為優(yōu)化指標。對每個工藝參數(shù)選取2 水平，建立4 因素2 水平正交試驗方案，如表4 所示，其它工藝參數(shù)設(shè)定為：送粉速率(NiAl: 75 g/min; NiCrAl: 60 g/min)，送粉氣流量3.5 NLPM，轉(zhuǎn)盤攪拌速率60%，送粉塊型號 L/L，送粉嘴直徑1.8 mm，送粉距離6 mm。參照HB20035 進行涂層抗拉結(jié)合強度測試，按照HB20195 進行金相試樣的制備與組織評定。

表4 正交試驗因素水平表Table 4 Factors and levels for orthogonal experiment

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果與分析

按照正交試驗設(shè)計的不同參數(shù)制備的NiAl 和NiCrAl 涂層抗拉結(jié)合強度和極差分析結(jié)果如表5所示。氬氣流量、氫氣流量、電流和噴涂距離對應(yīng)的NiAl 涂層的極差R1 分別為3.93、14.58、1.07、0.28，NiCrAl 涂層的極差R2 分別為1.88、0.82、1.82、4.47。極差反映了不同因素在試驗中的效應(yīng)，極差大表明該因素對指標的影響大，為主要因素；極差小表明影響小，為次要因素。因此，影響NiAl 涂層結(jié)合強度的因素從大到小依次為：氫氣流量＞氬氣流量＞電流＞噴涂距離，影響NiCrAl 涂層結(jié)合強度的因素從大到小依次為：噴涂距離＞氬氣流量＞電流＞氫氣流量。

表5 正交試驗與極差分析結(jié)果Table 5 Results of orthogonal experiment and range analysis

圖2 為NiAl 和NiCrAl 涂層的4 個因素與抗拉結(jié)合強度的均值效應(yīng)圖。由圖2(a)可知，在一定范圍內(nèi)NiAl 涂層的結(jié)合強度與氫氣流量、氬氣流量、電流呈正相關(guān)，與噴涂距離呈負相關(guān)。當氫氣流量為30 SCFH 時，NiAl 涂層的抗拉結(jié)合強度均在30 MPa 以上，滿足工藝要求。這是由于氫氣流量顯著提高了總的熱輸入，在較高的噴涂功率下，涂層熔融的更充分，涂層缺陷減少。由圖2(b)可知，在一定范圍內(nèi)NiCrAl 涂層的結(jié)合強度與噴涂距離、氬氣流量、電流以及氫氣流量均呈正相關(guān)，當氫氣流量和電流較高時，噴涂功率較高，噴涂顆粒在較大的氬氣流量和較遠的噴涂距離下充分受熱和加速，可以得到比較理想的沉積溫度和速度，從而產(chǎn)生較高的結(jié)合強度。

圖2 均值效應(yīng)圖：(a) NiAl 涂層；(b) NiCrAl 涂層Fig.2 Main effects plot for means: (a) NiAl coating; (b) NiCrAl coating

為探究4 個因素對涂層顯微結(jié)構(gòu)的影響，NiAl 和NiCrAl 涂層在第1～4 組噴涂參數(shù)下（編號分別記為1～4#）的金相分別見圖3 和圖4。由圖3 可知，1#涂層存在較多的氧化、孔隙和較大的未熔顆粒，其中最大未熔顆粒尺寸約為102 μm；2#在相應(yīng)的參數(shù)下無明顯氧化、未熔和孔隙；3#存在較多的孔隙，4#存在較多的未熔顆粒。由圖4 可見，NiCrAl 涂層在1～3#參數(shù)下主要存在未熔顆粒問題，4#則無明顯缺陷，同時1#、2#還存在較為明顯的孔隙，其中最大未熔顆粒約為92 μm，最大孔隙約為54 μm。

圖3 NiAl 涂層典型金相：(a) 1#；(b) 2#；(c) 3#；(d) 4#Fig.3 Typical metallography of NiAl coating: (a) 1#；(b) 2#；(c) 3#；(d) 4#

圖4 NiCrAl 涂層典型金相：(a) 1#；(b) 2#；(c) 3#；(d) 4#Fig.4 Typical metallography of NiCrAl coating: (a) 1#；(b) 2#；(c) 3#；(d) 4#

金屬涂層在等離子噴涂過程中不可避免地會產(chǎn)生氧化，同時涂層在沉積平鋪的過程中也或多或少地會存在一定的孔隙。顆粒的溫度和速度是影響等離子噴涂工藝的兩個最為關(guān)鍵的因素[8-10]，兩者共同決定了涂層的顯微結(jié)構(gòu)和性能。氫氣流量和電流主要決定了噴涂功率[4]，對于NiAl 涂層，若氫氣流量過低則涂層受熱不充分會產(chǎn)生未熔顆粒和孔隙，同時涂層顆粒在焰流中的飛行速度慢、受熱時間長，會產(chǎn)生較多的氧化；若氬氣流量過高、氫氣流量過低，則噴涂顆粒在熔融不充分的情況下以較高的速度沖擊基體，會產(chǎn)生較多的孔隙；在合適的氫氣流量下，若氬氣流量過高則顆粒飛行速度過快，顆粒在焰流中受熱不充分易產(chǎn)生未熔顆粒。因此，NiAl 涂層的未熔顆粒和孔隙主要取決于氬氣和氫氣流量，氧化主要取決于氫氣流量和電流。對于NiCrAl 涂層，其未熔顆粒主要取決于噴涂功率、噴涂距離和氬氣流量。當噴涂功率較低時（低于40 kW），噴涂顆粒易受熱不充分從而產(chǎn)生未熔顆粒；同時當噴涂功率一定時，噴涂距離較近或氬氣流量太高均會導致顆粒在焰流中的受熱時間變短，從而產(chǎn)生未熔顆粒。NiCrAl 涂層的孔隙也主要取決于氬氣和氫氣流量。

2.2 優(yōu)化參數(shù)的驗證與分析討論

基于以上分析，兼顧了涂層的顯微結(jié)構(gòu)和抗拉結(jié)合強度，對NiAl 和NiCrAl 涂層的工藝參數(shù)進一步優(yōu)化。針對NiAl 涂層，通過適當調(diào)節(jié)氫氣流量、降低氬氣流量、提高噴涂電流，得到的NiAl 涂層工藝范圍優(yōu)化結(jié)果見表6，涂層的金相見圖5(a)，可見涂層的抗拉結(jié)合強度均在30 MPa以上，涂層致密，無明顯未熔顆粒和較大孔隙，滿足要求。因此，NiAl 涂層的工藝參數(shù)范圍為氬氣流量110～120 SCFH，氫氣流量20～25 SCFH，電流600～610 A，噴涂距離130～140 mm。

表6 NiAl 涂層工藝優(yōu)化結(jié)果Table 6 Process optimization results of NiAl coating

針對NiCrAl 涂層，采用較遠的噴涂距離來保證涂層的結(jié)合強度，通過保持較高的氫氣流量、降低氬氣流量和噴涂電流來降低涂層的孔隙，從而進一步優(yōu)化涂層的結(jié)合強度和顯微結(jié)構(gòu)。工藝范圍優(yōu)化后的結(jié)果見表7，涂層的金相見圖5(b)，可見涂層的最大抗拉結(jié)合強度為43.6MPa，涂層中的孔隙均勻分布，無較大孔隙和明顯的未熔顆粒，滿足工藝要求。因此，NiCrAl 涂層的工藝參數(shù)范圍為氬氣流量120～130 SCFH，氫氣流量25～3 SCFH，電流610～62 A，噴涂距離130～140 mm。

表7 NiCrAl 涂層工藝優(yōu)化結(jié)果Table 7 Process optimization results of NiCrAl coating

圖5 工藝優(yōu)化后典型金相：(a) NiAl; (b) NiCrAlFig.5 Typical metallography after process optimization: (a) NiAl; (b) NiCrAl

3 結(jié)論

(1) 影響NiAl 涂層結(jié)合強度的因素主次依次為：氫氣流量＞氬氣流量＞電流＞噴涂距離，影響NiCrAl 涂層結(jié)合強度的因素主次依次為：噴涂距離＞氬氣流量＞電流＞氫氣流量。

(2) NiAl 涂層的未熔顆粒數(shù)量和孔隙率主要取決于氬氣流量和氫氣流量，氧化程度主要取決于氫氣流量和電流。NiCrAl 涂層的未熔顆粒主要取決于噴涂功率、噴涂距離和氬氣流量，孔隙取決于氬氣流量和氫氣流量。

(3) NiAl 涂層的工藝參數(shù)范圍為氬氣流量110～120 SCFH，氫氣流量20～25 SCFH，電流600～610 A，噴涂距離130～140 mm。優(yōu)化后涂層的抗拉結(jié)合強度均在30MPa 以上，最大值為33MPa，涂層致密，無明顯未熔顆粒和較大孔隙。

(4) NiCrAl 涂層的工藝參數(shù)范圍為氬氣流量120～130 SCFH，氫氣流量25～30 SCFH，電流610～620 A，噴涂距離130～140 mm。優(yōu)化后涂層的最大抗拉結(jié)合強度為43.6 MPa，涂層的孔隙均勻分布，無較大孔隙和明顯的未熔顆粒。