蔡穎輝，劉建明，黃凌峰，王帥，郭睿

CrAlY粒度對(duì)復(fù)合電沉積Ni-CrAlY涂層復(fù)合量的影響研究

蔡穎輝1，劉建明1,2，黃凌峰,2，王帥1,2，郭睿1,2

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，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）

研究CrAlY粉末粒度對(duì)復(fù)合電沉積Ni-CrAlY涂層復(fù)合量的影響規(guī)律及機(jī)理，并探索利用圖像軟件精確測量涂層中CrAlY復(fù)合量的方法。以10種不同粒度CrAlY粉末為原材料，采用復(fù)合電沉積技術(shù)制備Ni-CrAlY涂層。利用掃描電鏡以及能譜儀等表征手段測量涂層中CrAlY顆粒的復(fù)合量，分析研究CrAlY激光粒度特征值與其復(fù)合量的關(guān)系。利用Adobe Photoshop軟件研究圖像處理方式對(duì)圖像法表征涂層中CrAlY復(fù)合量準(zhǔn)確度的影響。CrAlY激光粒度(90)和(50)與其復(fù)合量有明顯關(guān)聯(lián)性，涂層中CrAlY的復(fù)合量隨CrAlY粉末(90)和(50)的增加，呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)，當(dāng)CrAlY粉末(90)在12.90～ 22.40 μm，(50)在6.83～9.68 μm時(shí)，復(fù)合量較高，達(dá)到30.58%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以上；當(dāng)CrAlY粉末(90)小于12.90 μm或大于22.4 μm，(50)小于6.83 μm或大于9.68 μm時(shí)，CrAlY顆粒復(fù)合量出現(xiàn)了顯著性下降，最低為27.42%。選擇容差為33，消除圖形鋸齒，并進(jìn)行灰度處理，可使用圖像法較準(zhǔn)確地測量出涂層中CrAlY的復(fù)合量，其測量偏差小于4.1%（體積分?jǐn)?shù)）。CrAlY粉末粒度對(duì)其在復(fù)合電沉積Ni-CrAlY涂層中的復(fù)合量有明顯影響，CrAlY粉末過細(xì)或過粗均不利于其復(fù)合量的提高，需控制CrAlY在合適的粒度區(qū)間才能獲得較高的復(fù)合量。顆粒最密嵌合機(jī)制、不同粒徑顆粒受鍍液沖擊作用的不同、顆粒間互相碰撞作用以及“微粒停泊”機(jī)制的尺寸限制作用，4種作用的協(xié)同影響是造成CrAlY顆粒粒度與復(fù)合量出現(xiàn)該規(guī)律的主要原因。通過控制容差選取、鋸齒處理、灰度處理等，可顯著提高圖像法測量CrAlY復(fù)合量的精度。

粒徑分布；復(fù)合量；電沉積；圖像法；微粒停泊

MCrAlY（M為Ni、Co或NiCo）材料在涂層領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，在包覆涂層、熱障涂層粘結(jié)層以及可磨耗封嚴(yán)涂層等中充當(dāng)關(guān)鍵材料。現(xiàn)今行業(yè)常采用熱噴涂技術(shù)[1-4]以及物理氣相沉積技術(shù)[5-7]制備MCrAlY涂層，其中熱噴涂技術(shù)包括超音速火焰噴涂（HVOF）、真空等離子噴涂（VPS）、大氣等離子噴涂（APS）、低壓等離子噴涂（LPPS）等；物理氣相沉積技術(shù)包括電子束物理氣相沉積（EB-PVD）、磁控濺射（MS）以及多弧離子鍍（AIP）等。這些方法制備MCrAlY涂層時(shí)均存在著“視線效應(yīng)”，對(duì)于復(fù)雜形狀工件涂覆完整均勻性的控制難度大。同時(shí)熱噴涂技術(shù)與物理氣相沉積技術(shù)相對(duì)于復(fù)合電沉積技術(shù)均具有“高能耗”的特點(diǎn)，現(xiàn)工業(yè)級(jí)整套熱噴涂設(shè)備的功率處于59～980 kW，工業(yè)級(jí)物理氣相沉積系統(tǒng)的核心設(shè)備功率皆在50 kW以上[8-15]。采用復(fù)合電沉積技術(shù)制備MCrAlY涂層時(shí)，具備“非視線效應(yīng)”、“低能耗”、“不損傷基體”以及鍍層組織致密等特點(diǎn)。對(duì)浸入鍍液內(nèi)的鍍件區(qū)域均可進(jìn)行均勻鍍覆，設(shè)備成本低，整套工業(yè)級(jí)設(shè)備的功率不超過10 kW，鍍前鍍件無需吹砂等機(jī)械處理，且工藝溫度處于50～60 ℃，可以確保對(duì)鍍件無熱影響[16-22]。復(fù)合電沉積技術(shù)在低成本高質(zhì)量制備MCrAlY涂層方向擁有巨大的發(fā)展前景。

CrAlY復(fù)合量是決定MCrAlY涂層抗高溫氧化性和抗熱腐蝕性優(yōu)劣的重要因素，這主要是由于Cr和Al元素能夠在涂層表面形成結(jié)構(gòu)致密且連續(xù)的Cr2O3和Al2O3氧化膜（TGO）。因?yàn)镸CrAlY涂層作為抗氧化涂層或封嚴(yán)涂層時(shí)，表面形成的氧化膜會(huì)因厚度增加、冷熱循環(huán)、沖蝕和刮削磨損等因素的影響而不斷地被破壞，所以涂層內(nèi)需要充足的Cr、Al元素形成連續(xù)且致密的新氧化膜。湖南大學(xué)李美姮等[23-25]研究表明，MCrAlY粘結(jié)層表面TGO超過一定厚度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力性質(zhì)發(fā)生改變，造成層內(nèi)裂紋萌生。中科院趙明雨等[26-29]研究表明，對(duì)于NiCrAl涂層，提高Al含量可以降低涂層TGO的生長速率。

Foster等[30-31]國外學(xué)者研究了CrAlY粉末粒徑對(duì)Ni-CrAl(Y)涂層復(fù)合量的影響，研究表明，精確控制CrAlY粉末粒徑分布在10～15 μm對(duì)獲得高CrAlY顆粒復(fù)合量的涂層至關(guān)重要，原因在于不同粒徑的顆粒之間會(huì)存在干擾。關(guān)于復(fù)合電沉積技術(shù)制備M-CrAlY涂層方面，國內(nèi)學(xué)者劉光明等[32-35]開展了粉末濃度、溶液pH值、攪拌速率、鍍液溫度等參數(shù)的影響研究。目前國內(nèi)外對(duì)于CrAlY粉末粒徑分布對(duì)其復(fù)合量的影響研究較少，認(rèn)識(shí)深度不足。

目前主要有2種表征M-CrAlY涂層中CrAlY顆粒復(fù)合量的方式，分別為體積分?jǐn)?shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)。體積分?jǐn)?shù)的測量是通過Image J、Matlab以及Photoshop等[36]圖像處理軟件計(jì)算涂層剖面的金相照片中CrAlY顆粒的面積比，以此作為體積分?jǐn)?shù)。測量質(zhì)量分?jǐn)?shù)有2種方法：一種是對(duì)涂層進(jìn)行熱處理，使得元素充分?jǐn)U散均勻后，利用EDS進(jìn)行測量；另一種是將涂層取下后，利用化學(xué)元素分析方法測量。體積分?jǐn)?shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于可以直接觀測到CrAlY顆粒在涂層組織中的鑲嵌方式，便于研究工作者分析其沉積過程機(jī)理，不足之處在于軟件測量存在較大偏差，偏差源自于測量方式、軟件參數(shù)及涂層相片像素等因素。質(zhì)量分?jǐn)?shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于測量結(jié)果準(zhǔn)確，缺點(diǎn)在于表征過程復(fù)雜。

本文較系統(tǒng)地研究了CrAlY粉末粒徑分布對(duì)Ni-CrAlY鍍層中CrAlY顆粒復(fù)合量的影響規(guī)律及機(jī)理，并對(duì)比研究了不同表征方法測得的CrAlY顆粒復(fù)合量及其偏差。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

本文采用由德國ALD公司真空惰氣霧化系統(tǒng)制備的CrAlY粉末，粉末名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Cr 66%，Al 31%，Y 3%。將CrAlY粉末進(jìn)行篩分，獲得小于500目的粉末，并進(jìn)一步通過氣流分級(jí)機(jī)獲得不同粒度分布的粉末，共計(jì)10組。采用Mastersizer 2000型激光粒度儀對(duì)10組CrAlY粉末進(jìn)行粒度分析，結(jié)果見表1。

表1 CrAlY粉末粒度分布

Tab.1 CrAlY powder particle distribution μm

采用的CrAlY粉末的典型顯微形貌如圖1所示，顆粒呈近球狀。采用德國埃爾特生產(chǎn)的ELEMEN-TRAC ONH-P型氧氮?dú)浞治鰞x測得各組粉末中的氧含量均低于0.5%。

圖1 CrAlY粉末顯微形貌照片

1.2 涂層制備

以GH4169高溫合金為基材，采用電火花工藝切割成2 mm×15 mm×51 mm的試樣。試樣經(jīng)超聲清洗和除油處理后，采用硫酸鎳體系的鍍液進(jìn)行涂層制備。不同粒度的CrAlY粉末均采用相同的電沉積工藝參數(shù)進(jìn)行Ni-CrAlY涂層制備，主要工藝參數(shù)：CrAlY粉末質(zhì)量濃度為30 g/L，試驗(yàn)溫度為50 ℃，電沉積時(shí)間為4 h，間歇式攪拌，電流密度為2 A/dm3，陰陽極距離為40 mm，攪拌速率為650 r/min。將獲取的涂層試樣置于超高溫真空燒結(jié)爐中進(jìn)行均勻擴(kuò)散處理，擴(kuò)散溫度為1 000 ℃，時(shí)間為2 h，真空度為1.0×10–2Pa，隨爐冷卻。

1.3 涂層中CrAlY復(fù)合量的表征方法

準(zhǔn)確測量涂層中CrAlY復(fù)合量是涂層工藝研究和性能表征的基礎(chǔ)，當(dāng)前主要的測量方法包括化學(xué)分析法、EDS法和圖像分析法。化學(xué)分析法是利用酸或堿溶解基質(zhì)金屬后測得嵌合顆粒的復(fù)合量，優(yōu)點(diǎn)是測量結(jié)果準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是樣品制備難度大。EDS法利用掃描電鏡附件進(jìn)行測量，半定量分析的準(zhǔn)確度與樣品的導(dǎo)電性、元素的原子序數(shù)及含量相關(guān)，優(yōu)點(diǎn)是制樣較簡單，大部分元素測量結(jié)果在工程上可接受，缺點(diǎn)是須將涂層進(jìn)行真空擴(kuò)散熱處理，樣品制備流程長，且會(huì)丟失一部分過程信息。圖像分析法是利用圖形軟件識(shí)別涂層組織照片中嵌合顆粒的面積占比，以此作為嵌合顆粒的體積分?jǐn)?shù)，優(yōu)點(diǎn)是方便快捷，缺點(diǎn)是受圖像處理方式的影響，結(jié)果誤差比較大。

本文采用EDS法測定涂層中CrAlY復(fù)合量，具體方法為：將經(jīng)過真空熱處理的涂層進(jìn)行剖切，制備成剖面金相試樣，置于2000X型掃描電鏡中進(jìn)行EDS元素含量分析。為了減小元素分布不均勻?qū)y量結(jié)果的影響，針對(duì)每個(gè)樣品選取涂層剖面中等距的30個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行EDS元素面掃描，獲取Cr、Al、Y元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算獲得CrAlY顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

當(dāng)前圖像分析法主要解決的問題在于調(diào)整軟件參數(shù)使測量偏差減小。本文以EDS法測量結(jié)果為參照，研究容差、鋸齒邊部識(shí)別、灰度處理對(duì)測量結(jié)果的影響。利用Adobe Photoshop 2020軟件的A、B、C三種模式，并選取熱處理前涂層組織區(qū)域中灰度最高的像素點(diǎn)，對(duì)涂層CrAlY顆粒的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測量。A模式參數(shù)：取樣大小為取樣點(diǎn)，容差為33，消除鋸齒；B模式參數(shù)：取樣大小為取樣點(diǎn)，容差為33，不消除鋸齒；C模式參數(shù)：取樣大小為取樣點(diǎn)，容差為20，消除鋸齒。隨后，對(duì)涂層組織照片進(jìn)行灰度處理，使得圖像噪點(diǎn)降至最低，獲得體積分?jǐn)?shù)信息。最后，將EDS法測得的質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)理論公式轉(zhuǎn)換為理論體積分?jǐn)?shù)，與圖像法測得的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比研究。

EDS法測量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)果按以下方法轉(zhuǎn)換為可與圖像法進(jìn)行對(duì)比的體積百分?jǐn)?shù)形式。令A(yù)、B分別代表涂層中基體金屬鎳以及CrAlY顆粒，復(fù)合涂層體積為，質(zhì)量為，則基相金屬和CrAlY顆粒體積分別為A、B，質(zhì)量分別為A、B。質(zhì)量分?jǐn)?shù)w和體積分?jǐn)?shù)v的計(jì)算見式（1）—（4）。

=A+B(2)

=A+B(4)

令、A、B分別代表涂層密度、基相金屬鎳密度及CrAlY密度，則：

由式（2）可得：

=AA+BB(6)

將式（7）代入式（5）可得：

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層組織形貌

采用10組不同粒度的CrAlY粉末為原料制備而成的Ni-CrAlY涂層在熱處理前的剖面掃描電鏡照片如圖2所示，編號(hào)與表1中CrAlY編號(hào)相對(duì)應(yīng)。圖2中，呈灰褐色的斑點(diǎn)為CrAlY顆粒，淺色區(qū)域?yàn)殒嚮?，可見CrAlY顆粒在Ni基相中分布較為均勻，涂層組織致密，未見孔隙及裂紋等缺陷。紅色箭頭所指為CrAlY顆粒在嵌合過程中被鍍液沖刷掉之后留下的痕跡，黃色箭頭所指為涂層組織中粒徑較大的CrAlY顆粒，藍(lán)色箭頭所指為涂層組織中未嵌合CrAlY顆粒的區(qū)域。

真空熱處理后，涂層剖面組織的微觀形貌如圖3所示。由圖3可見，涂層中CrAlY顆粒已與鎳基相充分?jǐn)U散。第1—9組涂層組織的孔隙率低，與基體結(jié)合緊密，而第10組中涂層與基體的界面處出現(xiàn)了較多孔隙缺陷。

真空熱處理后，涂層元素面掃描的典型照片如圖4所示。由圖4可見，涂層中Ni、Cr、Al、Y各元素分布較為均勻，在該狀態(tài)下進(jìn)行EDS元素含量分析可獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.2 CrAlY粒度分布對(duì)復(fù)合量的影響

利用EDS元素分析法測得涂層組織中CrAlY顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2。

CrAlY粉末(90)、(50)及(10)與CrAlY顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖5所示。從圖5中可見，CrAlY顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著CrAlY粉末(90)和(50)大小的增加，呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，而CrAlY顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CrAlY粉末(10)大小無明顯規(guī)律性關(guān)系。當(dāng)CrAlY粉末(90)處于12.90～22.4 μm，(50)處于6.83～9.68 μm時(shí)，復(fù)合量為30.58%～31.39%；當(dāng)CrAlY粉末(90)小于12.90 μm或大于22.4 μm，(50)小于6.83 μm或大于9.68 μm時(shí)，CrAlY顆粒復(fù)合量出現(xiàn)了顯著性下降。

本文分析該規(guī)律的原因來源于以下幾個(gè)方面。

1）鍍液中的CrAlY顆粒形成了雙電層結(jié)構(gòu)，表面吸附基質(zhì)金屬Ni2+的CrAlY顆粒向陰極移動(dòng)，完成電沉積過程，具有相同雙電子層結(jié)構(gòu)的CrAlY顆粒相互之間存在靜電斥力。由此，本文建立了理想狀態(tài)下僅受庫侖力的CrAlY顆粒最密嵌合狀態(tài)的模型，如圖6所示。

圖2 10組Ni-CrAlY涂層熱處理前微觀形貌

圖3 10組Ni-CrAlY涂層熱處理后微觀形貌

圖4 Ni-CrAlY涂層熱處理后典型元素分布

表2 EDS法測得涂層中CrAlY的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Tab.2 CrAlY percentage of mass in the coatings measured by EDS wt.%

圖5 D(90)、D(50)及D(10)與復(fù)合量之間的關(guān)系

圖6 CrAlY顆粒最密嵌合模型

此時(shí)，CrAlY顆粒復(fù)合量的計(jì)算見式（9）—（12）。

將式（9）、（10）和（11）代入式（12）可得：

當(dāng)CrAlY顆粒的半徑越小時(shí)，比表面積越大，吸附的電荷密度越大，顆粒間靜電斥力越強(qiáng)，顆粒間距越大。由此，根據(jù)式（13）可知，涂層CrAlY顆粒的復(fù)合量越低。涂層CrAlY顆粒復(fù)合量大小與

CrAlY顆粒半徑大小呈正相關(guān)關(guān)系，這便是粒徑過小時(shí)涂層復(fù)合量出現(xiàn)下降現(xiàn)象的機(jī)理。

2）在CrAlY顆粒電沉積過程中，不斷沉積的基質(zhì)金屬對(duì)吸附在陰極表面的CrAlY顆粒進(jìn)行包覆，期間鍍液沖擊導(dǎo)致部分嵌合不牢的顆粒從涂層中脫落。在Ni-CrAlY涂層熱處理前的表面微觀形貌中，發(fā)現(xiàn)了CrAlY顆粒脫落留下的凹坑，如圖7所示。

圖7 CrAlY顆粒脫落留下的凹坑

本文根據(jù)CrAlY顆粒被鍍液沖擊脫落的難易程度，以及CrAlY顆粒脫落留下的凹坑大小，將顆粒的嵌合過程分為未嵌合狀態(tài)、弱嵌合狀態(tài)、強(qiáng)嵌合狀態(tài)及完全嵌合狀態(tài)4個(gè)狀態(tài)，如圖8所示。顆粒的脫落主要發(fā)生在未嵌合狀態(tài)和弱嵌合狀態(tài)，強(qiáng)嵌合狀態(tài)顆粒不易脫落，完全嵌合的顆粒則不會(huì)脫落。

第二相顆粒的粒徑越大，形成強(qiáng)嵌合所需要的時(shí)間越長，被鍍液沖刷掉的幾率更大，留下的凹坑形成未嵌合區(qū)。在圖2中，10組涂層組織中均發(fā)現(xiàn)了嵌合過程中的CrAlY顆粒被沖刷掉之后留下的痕跡（紅色箭頭所指區(qū)域），證實(shí)了電沉積過程中鍍液對(duì)CrAlY顆粒沖擊作用的存在。本文以第10組試驗(yàn)結(jié)

果為例來說明嵌合過程中鍍液對(duì)不同粒徑顆粒的沖擊效果的差異性。試驗(yàn)采用磁力攪拌35 s停止40 s的間歇式攪拌，鍍覆4 h獲得的涂層厚度為147 μm，鍍覆過程中涂層以勻速進(jìn)行生長。由此，完全嵌合25 μm的CrAlY顆粒需要2 449 s，承受液流1 142 s的沖擊；完全嵌合10 μm的CrAlY顆粒需要979 s，承受液流456 s的沖擊。因此，顆粒粒徑較大時(shí)，完全被嵌合需要的時(shí)間長，更容易被鍍液沖刷掉，留下未嵌合區(qū)。這便解釋了當(dāng)CrAlY粉末(90)大于 22.4 μm、(50)大于9.68 μm時(shí)，CrAlY顆粒的復(fù)合量呈現(xiàn)顯著性下降趨勢(shì)的原因。

3）不同粒徑CrAlY顆粒之間會(huì)發(fā)生碰撞，對(duì)CrAlY顆粒的沉積會(huì)產(chǎn)生不利影響。從圖2中可見，第1、2組涂層組織中存在一些13 μm左右的較大CrAlY顆粒（黃色箭頭所指區(qū)域），這些較大的CrAlY顆粒與周圍粒徑較小的CrAlY顆粒發(fā)生碰撞，阻礙了沉積過程的進(jìn)行。這可能是當(dāng)CrAlY粉末(90)小于12.90 μm，(50)小于6.83 μm時(shí)CrAlY顆粒復(fù)合量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的一方面原因。

4）在電沉積過程中，CrAlY顆粒沉積在涂層表面上，被基質(zhì)金屬包覆后，形成了類圓形凸起，如圖9所示。涂層凸起區(qū)域的場強(qiáng)相對(duì)更大，吸引靠近凸起區(qū)域的CrAlY顆粒優(yōu)先附著沉積，從而使得凸起區(qū)域擴(kuò)大，涂層最終形成了三維溝壑狀形貌，如圖10所示。

先嵌合的顆粒使得涂層形成了三維溝壑狀的空間區(qū)域，對(duì)后續(xù)嵌合的顆粒具有一定的尺寸限制，當(dāng)顆粒不滿足溝壑間尺寸限制時(shí)，溝壑內(nèi)無法及時(shí)被CrAlY顆粒填充，從而形成未嵌合區(qū)域，該現(xiàn)象稱為“微粒停泊”現(xiàn)象。粉末粒度分布決定了是否有合適大小的微粒滿足“微粒停泊”機(jī)制的尺寸限制來進(jìn)行沉積過程。圖2中10組涂層組織中均存在大量的未嵌合CrAlY顆粒的區(qū)域（藍(lán)色箭頭所指區(qū)域），這說明了電沉積過程中CrAlY顆粒的粒度分布對(duì)涂層的復(fù)合量具有重要的影響作用。粒徑大小與粒徑分布的協(xié)同作用可能是造成CrAlY顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著CrAlY粉末(90)和(50)大小的增加而呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)的根本原因。

圖8 顆粒嵌合過程中的不同狀態(tài)

圖9 CrAlY顆粒完全嵌合后形成的凸起

圖10 Ni-CrAlY三維溝壑狀形貌

2.3 圖像識(shí)別法的應(yīng)用

純鎳的密度為8.908 g/cm3，CrAlY合金顆粒的密度為4.688 g/cm3，將表2中的數(shù)據(jù)分別代入式（8），可獲得理論CrAlY顆粒體積分?jǐn)?shù)，見表3。利用Adobe Photoshop 2020軟件的A、B、C三種模式測得涂層CrAlY顆粒體積分?jǐn)?shù)見表4。

在圖像法3種模式下獲取的CrAlY顆粒體積分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)與理論體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。相較于B、C測量模式，A模式各組復(fù)合量最接近理論體積分?jǐn)?shù)，A模式中復(fù)合量大小隨CrAlY顆粒粒徑變化的趨勢(shì)也最為接近理論體積分?jǐn)?shù)的趨勢(shì)，偏差范圍為1.90%～12.93%。

表3 CrAlY理論體積分?jǐn)?shù)

Tab.3 Theoretical volume percentage of the CrAlY vol.%

表4 圖像法CrAlY體積分?jǐn)?shù)

Tab.4 CrAlY volume percentage by the image method vol.%

圖11 CrAlY理論體積分?jǐn)?shù)

在A模式下，對(duì)不同涂層組織照片進(jìn)行灰度處理修正，使得圖像識(shí)別軟件噪點(diǎn)降低，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出CrAlY顆粒區(qū)域，灰度處理后的修正結(jié)果見表5。

表5 CrAlY體積分?jǐn)?shù)灰度處理后修正值

Tab.5 Revised values of CrAlY volume percentage after gray scale treatment vol.%

不同參數(shù)試驗(yàn)組的CrAlY顆粒復(fù)合量如圖12所示。由圖12可見，灰度處理修正值與理論體積分?jǐn)?shù)的偏差范圍為0.10%～4.05%，數(shù)值大小非常接近，能有效地反應(yīng)各試驗(yàn)組的真實(shí)復(fù)合量大小。這表明利用Adobe Photoshop 2020軟件測量Ni-CrAlY涂層的CrAlY顆粒復(fù)合量時(shí)，選擇合適的容差大小，消除圖形鋸齒，并進(jìn)行灰度處理，使得涂層噪點(diǎn)降至最低，就可以較為準(zhǔn)確地測量出涂層組織的復(fù)合量大小，偏差大小在4.1%以內(nèi)。

圖12 CrAlY修正體積百分?jǐn)?shù)

3 結(jié)論

1）利用復(fù)合電沉積技術(shù)制備Ni-CrAlY涂層時(shí)，CrAlY顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著CrAlY粉末(90)和(50)大小的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，而CrAlY顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CrAlY粉末(10)大小無明顯規(guī)律性關(guān)系。當(dāng)CrAlY粉末(90)處于12.90～22.4 μm，(50)處于6.83～9.68 μm時(shí)，復(fù)合量為30.58%～31.39%；當(dāng)CrAlY粉末(90)小于12.90 μm或大于22.4 μm，(50)小于6.83 μm或大于9.68 μm時(shí)，CrAlY顆粒復(fù)合量出現(xiàn)了顯著性下降。

2）CrAlY粉末粒度對(duì)復(fù)合電沉積Ni-CrAlY涂層的復(fù)合量有明顯影響，CrAlY粉末過細(xì)或過粗均不利于其復(fù)合量的提高，需控制CrAlY在合適的粒度區(qū)間才能獲得較高的復(fù)合量。顆粒最密嵌合機(jī)制、不同粒徑顆粒受鍍液沖擊作用的不同、顆粒間互相碰撞作用以及“微粒停泊”機(jī)制的尺寸限制作用，4種作用的協(xié)同影響是造成CrAlY顆粒粒度與復(fù)合量出現(xiàn)該規(guī)律的主要原因。

3）利用Adobe Photoshop 2020軟件測量Ni- CrAlY涂層的CrAlY顆粒復(fù)合量時(shí)，通過控制容差選取、鋸齒處理、灰度處理等，可顯著提高圖像法測量CrAlY復(fù)合量的精度，偏差大小在4.1%以內(nèi)。

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Effect of CrAlY Granularity on the Composite Amount of Composite Electrodeposited Ni-CrAlY Coating

1,1,2,1,2,1,2,1,2

(1. BGERIMM Technology Group, Beijing 100160, China; 2. Beijing Engineering Technology Research Center of Surface Strengthening and Repairing of Industry Parts, Beijing 102206, China)

Composite electrodeposition technology with non-line-of-sight and low energy consumption is promising in preparing Ni-CrAlY coatings. The composite amount of CrAlY particles is one of the most important parameters that determine the coating performance. This experiment studied the influence law and mechanism of CrAlY powder granularity on the composite amount of composite electrodeposited Ni-CrAlY coating, and explored the method to accurately measure the composite amount of CrAlY in the coating using image software.

CrAlY powder prepared by vacuum inert gas atomizer (VIGA-16) with nominal composition (weight percentage): Cr, 66wt.%; Al, 31wt.%; Y, 3wt.%. CrAlY powder was screened to obtain a powder less than 500 mesh, and powder of different particle sizes was further obtained by airflow grading machine (LHB). Ten types of CrAlY powder were analyzed using a laser particle size analyzer (Mastersizer 2000). The oxygen content was measured at less than 0.5% by using an oxygen and nitrogen hydrogen analyzer (ONH-P). GH4169 nickel-based superalloy as substrate was made into samples of size 2mm×15mm×51mm by electrospark machine. Samples were prepared after ultrasonic cleaning with plating solution of nickel sulfate system. The particle distribution micro-morphology of the coating structure was observed using a scanning electron microscope (2000X). The obtained coating samples were placed in ultra-high temperature vacuum sintering furnace with uniform diffusion temperature of 1000 ℃, time of 2 h, vacuum degree of 1.0×10–2Pa and cooled with the furnace. The 30 areas of the coating for each sample element were scanned by EDS to obtain the element mass percentage of Cr, Al and Y, and the CrAlY particle mass percentage was calculated. At the same time, the effect of image processing method on the accuracy of image-based characterization of CrAlY composite content in coatings was also studied by using Adobe Photoshop software.

CrAlY laser granularity(90) and(50) were significantly associated with the composite amount of CrAlY, and the size of the CrAlY composite in the coating increased first and then decreased with the increase of the CrAlY powders(90) and(50). When the CrAlY powder(90) was at 12.90～22.40μm and(50) was at 6.83～9.68 μm, the composite amount was higher, reaching 30.58wt.% above; when the CrAlY powder(90) is less than 12.90 μm or greater than 22.4μm and(50) is less than 6.83 μm or greater than 9.68 μm, the composite amount of CrAlY particles decreased significantly, and the minimum value was 27.42wt.%. By selecting the tolerance size of 33, eliminating the aliasing of the graphics and performing grayscale processing allows the image method to accurately measure the composite amount of CrAlY in the coating, with a measurement deviation of less than 4.1vol.%.

CrAlY powder granularity has obvious effect on its composite amount in composite electrodeposited Ni-CrAlY coating. Too fine or too thick CrAlY powder is not conducive to improve its composite amount. It is necessary to control CrAlY in the appropriate granularity range to obtain higher composite amount. The synergistic effect of the mechanism of the closest fitting of the particles, the different impact of particles with different particle sizes on the impact of the plating solution, the collision between particles and the size limitation of the "particle docking" mechanism is the main reason for the regularity between particle size and composite amount of CrAlY. By controlling tolerance selection, sawtooth processing and gray scale processing, etc., the accuracy of measuring CrAlY composite amount by image method can be significantly improve.

particle size distribution; composite amount; electrodeposition; image method; particle parking

2021-09-03；

2022-01-05

CAI Ying-hui (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: composite electrodeposition theory and technology.

劉建明（1983—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榉鈬?yán)涂層技術(shù)。

LIU Jian-ming (1983-), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: seal coating technology.

蔡穎輝, 劉建明, 黃凌峰, 等. CrAlY粒度對(duì)復(fù)合電沉積Ni-CrAlY涂層復(fù)合量的影響研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(9): 206-216.

TG174.4

A

1001-3660(2022)09-0206-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–09–03；

2022–01–05

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2018YFB2002000）

Fund：National Key R & D Program of China (2018YFB2002000)

蔡穎輝（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閺?fù)合電沉積理論及工藝。

CAI Ying-hui, LIU Jian-ming, HUANG Ling-feng, et al. Effect of CrAlY Granularity on the Composite Amount of Composite Electrodeposited Ni-CrAlY Coating[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 206-216.

責(zé)任編輯：劉世忠