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        粘結(jié)層采用冷噴涂技術(shù)制備的研究進(jìn)展*

        2022-11-28 06:27:46付小月楊效田劉芬霞賈金鳳居春艷
        機械研究與應(yīng)用 2022年5期
        關(guān)鍵詞:熱障載氣粉體

        付小月,楊效田,劉芬霞,賈金鳳,居春艷

        (1.蘭州信息科技學(xué)院,甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州理工大學(xué),甘肅 蘭州 730030)

        0 引 言

        熱障涂層(Thermal Barrier Coatings:TBCs)主要噴涂在高溫合金表面,也被稱為絕熱涂層或隔熱涂層,現(xiàn)廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C和航空發(fā)動機的高溫部件。 目前主要采用MCrAlY 粘結(jié)層和YSZ 陶瓷層雙層結(jié)構(gòu)形成的熱障涂層體系。 大量研究表明,在高溫服役過程中,粘結(jié)層和陶瓷層界面生成的熱生長氧化物(TGO)的生長應(yīng)力是導(dǎo)致熱障涂層失效的關(guān)鍵因素之一。 TGO 的生長受到粘結(jié)層成分、結(jié)構(gòu)以及表面狀態(tài)的影響,而粘結(jié)層的制備方法很大程度決定其本身的結(jié)構(gòu)和特性。 由于粘結(jié)層的性能影響著整個熱障涂層的性能和壽命,因此,研究粘結(jié)層成分,尤其是粘結(jié)層制備方法的研究對粘結(jié)層性能及熱障涂層性能和壽命的提高有重要意義。 總之,對粘結(jié)層制備方法的研究是提高熱障涂層性能的前提和基礎(chǔ)。 由于粘結(jié)層粉體硬度較高,故常采用爆炸噴涂、超音速火焰噴涂等熱噴涂工藝制備該涂層,但采用熱噴涂工藝制備粘結(jié)層的整個過程中溫度較高,會使得部分粉體在制備過程中已經(jīng)發(fā)生氧化,失去原始顆粒的性能,對涂層的使用性能產(chǎn)生了一定的影響。

        隨著噴涂技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善,冷氣動力噴涂受到越來越多的關(guān)注,該技術(shù)可以減少或避免熱噴涂技術(shù)在制備過程中出現(xiàn)的氧化、相變等問題。 冷氣動力噴涂(Cold Gas Dynamic Spray,簡稱CGDS)是利用事先預(yù)熱的高壓氣體(He、Ar、N2、空氣或者混合氣體)帶動固態(tài)粒子高速撞擊基體表面,從而實現(xiàn)涂層的沉積,是能實現(xiàn)材料表面多功能化的一種有效手段[1,2]。 1980 年中期,前蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院的科學(xué)家們在超聲風(fēng)洞實驗中研究發(fā)現(xiàn),示蹤粒子的速度越過某個臨界值時,對靶材表面的效果不再是沖蝕,而是轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e,基于此科學(xué)家們于1990 年提出了冷噴涂的概念。 該技術(shù)隨后在德國,加拿大等多個國家進(jìn)行了研究和應(yīng)用,現(xiàn)已成為國際噴涂技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一[3]。

        筆者綜述了冷噴涂技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及冷噴涂在制備熱障涂層粘結(jié)層方面的進(jìn)展,包括冷噴涂技術(shù)制備粘結(jié)層的抗氧化性能及抗腐蝕性能等。 此外還探究了冷噴涂技術(shù)制備粘結(jié)層的優(yōu)勢和不足,在保證涂層性能的前提下,以減少噴涂過程產(chǎn)生高昂的經(jīng)濟成本為目標(biāo),對冷噴涂技術(shù)制備粘結(jié)層的優(yōu)化過程提出了改進(jìn),揭示了其未來的發(fā)展方向。

        1 冷氣動力噴涂技術(shù)

        1.1 冷噴涂制備涂層原理

        冷噴涂技術(shù)是基于氣體動力學(xué)原理發(fā)展起來的一種新型表面工程技術(shù),其噴涂原理示意圖如圖1 所示[4]。 事先預(yù)熱的氦氣、氮氣、空氣等高壓氣體通過噴槍拉瓦爾噴管產(chǎn)生超音速氣流,在低于600 ℃的溫度下帶動粒度范圍為5~50 μm 的粉體粒子進(jìn)入拉瓦爾噴嘴,然后以300~1 200 m/s 的速度以固體形態(tài)撞擊基體表面,使得粉體粒子在該過程中產(chǎn)生較大的塑性變形,從而實現(xiàn)基體表面涂層的沉積。

        圖1 冷氣動力噴涂系統(tǒng)示意圖

        1.2 冷噴涂制備涂層特點

        與高速火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂等熱噴涂技術(shù)相比較,冷噴涂技術(shù)有其獨特的優(yōu)點,其中尤為突出的是:粒子在冷噴涂過程中自始至終未發(fā)生熔化,而是以固體形態(tài)高速飛行,然后撞擊基體表面,該過程中噴涂粒子發(fā)生了純塑性變形后聚合,使動能轉(zhuǎn)化成了熱能以及應(yīng)變能,從而形成涂層。 與此同時,冷噴涂技術(shù)采用較低的溫度,使得該技術(shù)制備的涂層孔隙率及含氧量較低。 同時,熱噴涂過程中存在的多孔[5]、氧化夾雜物、殘余應(yīng)力危害[6]等問題被克服,氧化、燒損、相變等現(xiàn)象[7,8]也均有不同程度的改善。冷噴涂技術(shù)適用的材料以及通過該技術(shù)所獲得的涂層類型逐漸在增加,目前已成功噴涂在金屬、陶瓷和玻璃表面。 近年來,該技術(shù)甚至可以制備鎳基高溫合金MCrAlY 涂層(M 通常是Ni、Co 或Ni 與Co 的混合)。 與熱噴涂技術(shù)相比,冷噴涂技術(shù)顯示出諸多優(yōu)勢,甚至能夠?qū)崿F(xiàn)熱噴涂技術(shù)難以獲得的涂層,如氧敏感、熱敏感、非晶涂層等[9-10]。

        1.3 冷噴涂涂層的結(jié)合方式

        冷噴涂的沉積效果主要有三大影響因素,分別為所選粉體的粒度、噴涂時的溫度以及噴涂壓力。 大量實驗結(jié)果表明[11,12],粒子形成涂層的關(guān)鍵主要取決于其碰撞時的臨界速度。 不同組合的粒子與基體存在確定的臨界碰撞速度范圍,當(dāng)粒子速度不及臨界速度時,僅出現(xiàn)沖蝕和反彈現(xiàn)象,使得沉積效率下降;當(dāng)粒子速度超過臨界速度時,則可以形成涂層;然而當(dāng)粒子遠(yuǎn)超于臨界速度時,此時則對基體產(chǎn)生了侵蝕作用。 對于不同的材料,由于其性質(zhì)各異,臨界速度也不同。

        冷噴涂技術(shù)制備涂層的結(jié)合方式主要有三種,分別為機械結(jié)合、物理結(jié)合及冶金結(jié)合。 在冷噴涂過程中,粒子會高速撞擊基體表面,因而會發(fā)生強烈的塑性變形,但由于溫度較低,碰撞時間也較短,形成的塑性功轉(zhuǎn)變的熱量還未能散失,故整個過程被認(rèn)為是絕熱的。 而當(dāng)材料出現(xiàn)絕熱剪切失穩(wěn)現(xiàn)象且在壓力的作用下產(chǎn)生塑性流動時,塑變后的顆粒與界面相互嵌合,從而形成機械互鎖結(jié)構(gòu),即被稱為機械結(jié)合。 據(jù)研究,機械結(jié)合所產(chǎn)生的強度在總結(jié)合強度中占很大比重[13]。

        絕熱剪切失穩(wěn)及局部產(chǎn)生的射流帶走了粒子和基體表面的氧化膜,使得粒子及基體表面干凈,在高壓條件下,因范德華力的作用,形成了物理結(jié)合,并且研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒子和基體都產(chǎn)生射流時有助于物理結(jié)合的形成[14]。 絕熱剪切失穩(wěn)發(fā)生后,所產(chǎn)生的熱可能會使接觸界面的溫度接近材料的熔點,從而使涂層與界面處形成冶金結(jié)合,這種結(jié)合方式通??梢允沟猛繉拥慕Y(jié)合強度提高[15-16]。

        2 冷噴涂技術(shù)制備粘結(jié)層的研究現(xiàn)狀及趨勢

        整個冷噴涂過程中溫度較低,顆粒未熔化并以固態(tài)形式直接沉積在基體材料上,故可以最大限度地保留噴涂粉末的原始性能。 因此,目前很多研究者采用該技術(shù)來制備作為粘結(jié)層的MCrAlY 合金涂層。

        Ichikawa Y 最初意識到MCrAlY 型涂層的抗氧化及抗腐蝕能力,他仍期望通過涂層工藝的選擇或原始材料的創(chuàng)新來改進(jìn)。 故利用冷噴涂技術(shù)在Inconel 625 制備了具有高密度和高粘附性的MCrAlY 型涂層[17]。

        李相波等采用冷噴涂技術(shù),在載氣為氦氣、溫度為600℃、氣壓為2.3 MPa 的條件下制備了致密的NiCoCrAlY 合金涂層。 研究表明,使用空氣和氮氣作為載氣時,利用冷噴涂技術(shù)無法制備NiCoCrAlY 合金涂層,只有使用氦氣作為載氣時才可以。 并且在整個噴涂過程中粉體是通過塑性變形的方式緊密結(jié)合而形成涂層,原始粉末顆粒并沒有發(fā)生熔化,雖然形成的涂層局部有一些小孔隙,卻并未貫通。 同時他們觀察到制備NiCoCrAlY/ZrO2混合粉體更容易沉積,并且制備的涂層有更低的孔隙率、更高的顯微硬度[18]。

        李勇、李長久等采用冷噴涂技術(shù)制備NiCoCrAlY粘結(jié)層,其厚度為150 μm,載氣為氦氣,同時采用等離子噴涂在粘結(jié)層上制備了YSZ 陶瓷涂層,利用熱循環(huán)考察了熱處理后的熱障涂層的失效特征。 研究表明,后續(xù)粒子缺乏夯實,使得冷噴涂粘結(jié)層表面的粒子幾乎保留了球狀,這種球體形狀粒子的形成導(dǎo)致TGO 在低谷處均勻分布,在半球狀凸起部位呈層狀結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)的快速形成對其周圍為層狀結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層產(chǎn)生了破壞性的作用[19]。

        Li 等采用了兩種不同成分的粉末,分別為Ni23Co20Cr8.5Al4.0Ta0.6Y 和Ni20Cr10AlY,在Inconel 738 高溫合金基體上利用冷噴涂技術(shù)制備出了MCrAlY 涂層,載氣為氦氣,研究了元素對涂層壽命的影響。 研究結(jié)果表明,后者的熱生長氧化物的生長速率和厚度均高于前者[20]。

        胡雪磊等利用高壓冷噴涂設(shè)備,以氮氣為載氣的條件下制備了NiCoCrAlY 與NiCoCrAlY/ZrO2復(fù)合涂層,研究了涂層表面及截面的顯微結(jié)構(gòu),結(jié)果表明,在氮氣為載氣的條件下可以制備結(jié)構(gòu)致密的NiCoCrAlY 合金涂層,并且加入ZrO2粉體后涂層的顯微硬度有了明顯提高[21]。

        Kalsi S S 采用冷噴涂技術(shù)在鐵基Superfer 800H高溫合金表面成功沉積NiCoCrAlY 涂層,并發(fā)現(xiàn)與裸高溫合金相比,冷噴涂NiCoCrAlY 涂層在抗熱腐蝕方面表現(xiàn)更好,研究發(fā)現(xiàn),通過冷噴涂技術(shù)獲得的致密涂層結(jié)構(gòu)和頂部的保護(hù)性氧化層是涂層具有更好性能的原因[22]。

        張林偉等利用低壓冷噴涂設(shè)備,以氦氣為載氣在鎳基高溫合金(GH49)上制備了CoNiCrAlY 合金涂層,分析了涂層在900 ℃時在75%Na2SO4+25%NaAl熔鹽中的熱腐蝕行為和機理。 研究結(jié)果表明,冷噴涂可以成為低氧含量、高致密度CoNiCrAlY 涂層制備的一種有效手段,并發(fā)現(xiàn)真空預(yù)氧化與冷噴涂方法的結(jié)合使涂層抗腐蝕性能提高了近一倍[23]。 隨后,該團隊采用低壓冷噴涂設(shè)備制備了NiCoCrAlY 涂層,并對涂層進(jìn)行了真空熱處理,分析了真空預(yù)氧化對NiCo-CrAlY 涂層高溫氧化行為、顯微組織及循環(huán)氧化性能的影響,研究結(jié)果表明,真空預(yù)氧化在一定程度上抑制了尖晶石氧化物的形成,并且降低了涂層中Al 的消耗速度和表面TGO 的生長速率,從而提高了涂層的抗氧化性能。 同時發(fā)現(xiàn)冷噴涂NiCoCrAlY 涂層表面除抗氧化薄膜外還伴有少量尖晶石,但氧化膜未見明顯脫落,預(yù)計還有較長的抗氧化壽命[24-25]。

        Lee 等將氮氣作為載氣,Inconel 738LC 作為基體材料,混合粉末按照Ni ∶NiCoCrAlY 為1 ∶9 的質(zhì)量比進(jìn)行配制,制備出了致密的復(fù)合涂層,并將樣品分為兩部分,其中一部分做預(yù)熱處理,研究表明,預(yù)處理后具有Ni-CoNiCrAlY 粘結(jié)涂層的熱障涂層比預(yù)處理前具有更長的使用壽命[26]。

        Borchers 等研究了冷噴涂和球磨MCrAlY 粉末的微觀結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了比較。 在冷噴涂和球磨后都觀察到相變的產(chǎn)生。 此外,有證據(jù)表明冷噴涂后晶粒顯著細(xì)化,而在球磨后未觀察到[27]。

        李長久團隊利用低溫球磨技術(shù)制備了NiAl 及ZrC 改性的NiAl 冷噴涂粉末,然后采用冷噴涂技術(shù)將粉體粒子預(yù)制到基體表面,再經(jīng)過高溫?zé)釘U散的方法制備NiAl 及ZrC 改性的NiAl 涂層。 研究表明,冷噴涂技術(shù)可以制備幾乎無氧化的Ni/Al 粉末粘結(jié)層,且經(jīng)過熱處理后原噴涂態(tài)涂層中的亞微米的層狀結(jié)構(gòu)已基本消失,變成了較為均勻的組織[28]。

        通過國內(nèi)外的現(xiàn)狀研究發(fā)現(xiàn),大部分研究者以高溫合金為基底,采用冷噴涂技術(shù)制備了致密的粘結(jié)層,常用的載氣為氦氣或氮氣,該過程保留了粉末的原始性能。 并發(fā)現(xiàn)真空預(yù)氧化與冷噴涂方法的結(jié)合可以大幅度提高涂層的抗腐蝕性能,還可以有效抑制尖晶石氧化物的形成,同時提高了涂層的抗氧化性能。 有些研究者甚至利用元素對粘結(jié)層性能的影響,按照一定的配比混合粉末后再經(jīng)過預(yù)處理得到性能優(yōu)化的粘結(jié)層,從而延長粘結(jié)層的使用壽命。 這表明冷噴涂可以成為制備低氧含量、高致密度粘結(jié)層的一種有效手段。

        3 結(jié) 語

        綜上所述,利用冷噴涂技術(shù)可以在高溫合金基體上制備幾乎無氧的致密粘結(jié)層,使粘結(jié)層具有良好的性能,并且可以利用預(yù)熱處理等方法生成連續(xù)致密的氧化薄膜,提高熱障涂層的整體性能和壽命,為熱障涂層的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ),使冷噴涂工藝較熱噴涂技術(shù)體現(xiàn)出了良好的優(yōu)勢。

        但冷噴涂技術(shù)在制備過程中依然存在需要改進(jìn)的地方。 例如因商用的粘結(jié)層粉末硬度較高而采用氦氣加速會極大地增加經(jīng)濟成本。 為了降低成本,已有研究者采用預(yù)熱處理或混合其他粉體進(jìn)行預(yù)制涂層的制備,將載氣更換為氮氣,同樣可以制備出致密的粘結(jié)層。 基于國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,冷噴涂技術(shù)制備粘接層仍有許多技術(shù)難題亟待解決,例如利用空氣為載氣制備粘接層還未實現(xiàn)等。 相信隨著未來研究的不斷深入,冷噴涂技術(shù)在熱障涂層制備領(lǐng)域的發(fā)展空間將得到更大的拓展,從而實現(xiàn)成本的降低、經(jīng)濟效益的提升。

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