等離子噴涂鎳鉻鋁釔涂層工藝研究

張彥飛

摘 要：渦軸16發(fā)動機上有種零件需要采用等離子噴涂技術(shù)制備鎳鉻鋁釔抗高溫氧化涂層。文章研究了等離子噴涂工藝參數(shù)對鎳鉻鋁釔涂層性能的影響，噴涂了試驗件。涂層最終通過特種工藝鑒定并應(yīng)用于渦軸16發(fā)動機。

關(guān)鍵詞：等離子噴涂；鎳鉻鋁釔涂層；渦軸16發(fā)動機

1 概述

渦軸16發(fā)動機（WZ16）為哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司與法國透博梅卡（Turbomeca）公司合作研制的國際第四代先進民用渦軸發(fā)動機。中方負責(zé)研制生產(chǎn)的一種零件需要采用等離子噴涂技術(shù)制備鎳鉻鋁釔（NiCrAlY）涂層。鎳鉻鋁釔涂層屬于抗高溫氧化涂層，可耐800～1100℃的高溫，在高溫下能形成致密的氧化物保護膜以保護基體金屬不被氧化，并避免環(huán)境介質(zhì)的腐蝕。抗高溫涂層一般同時具備抗高溫氧化、抗高溫腐蝕及抗高溫磨損性能。在鎳鉻合金中加入鋁可在高溫下形成Cr2O3與Al2O3的復(fù)合氧化物薄膜，這層薄膜十分致密，韌性好，附著牢固，熔點高，高溫化學(xué)穩(wěn)定性好，具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能和抗熱震性能。Y為對氧反應(yīng)活性元素，合金中加入少量的釔，可以改善鉻和氧化膜結(jié)構(gòu)及結(jié)合性能，增加Cr2O3、Al2O3膜的韌性。

噴涂采用的粉末為美科公司的Amdry962粉末，該合金粉末的名義成分為Ni22Cr10Al1Y，粉末的形貌如圖1所示，粉末的粒徑為-75+45μm，該球形粉末流動性比較好，送粉順暢，比較適合等離子噴涂工藝的應(yīng)用。采用該粉末制備的鎳鉻鋁釔涂層結(jié)構(gòu)致密、結(jié)合強度大、耐腐蝕和氣蝕，抗氧化性能優(yōu)良。常用作高溫耐熱涂層，也可作為熱障涂層的粘接底層。

圖1 等離子噴涂所用的鎳鉻鋁釔粉末表面形貌

2 結(jié)果與討論

對鎳鉻鋁釔粉末的噴涂工藝參數(shù)進行優(yōu)化，研究等離子噴涂工藝參數(shù)與鎳鉻鋁釔涂層的組織和結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系。涂層需要通過金相顯微鏡檢查涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)，測試涂層的顯微硬度，涂層需通過杯突試驗，需要對涂層進行拉伸試驗以測試涂層的結(jié)合強度。

等離子噴涂工藝參數(shù)中最關(guān)鍵的是噴涂功率和送粉量，兩者是決定粉末熔化效果的最關(guān)鍵因素。研究噴涂功率、送粉量對涂層硬度的影響，每個試片噴涂20遍，結(jié)果見表1。從表1可以看出，1號至4號試片的鎳鉻鋁釔涂層的沉積效率隨噴涂功率的提高而提高，特別是1號至3號，盡管送粉量由21%減少到10%，涂層的沉積效率依然提高。說明噴涂功率增大后粉末的熔化效果更好，涂層的沉積效率因而提高。通過試驗可以發(fā)現(xiàn)NiCrAlY粉末的熔點較高，因此沉積效率（5～24μm/遍）較其他低熔點粉末的沉積效率低。1號涂層過薄，無法測量硬度。從2號至4號試片硬度測量結(jié)果可以看出，功率提高時熔化效果更好，鎳鉻鋁釔涂層的硬度也提高。比較4號和5號可以看出，功率增大到一定程度時，增加送粉量會降低涂層的硬度。從表1的試驗結(jié)果可以看出，NiCrAlY粉末的熔點較高，應(yīng)該采用大功率才能提高涂層的沉積效率。5號樣品的噴涂功率較大，涂層沉積效率最高，制備出的涂層硬度滿足技術(shù)指標(biāo)要求（Hv0.3≥200）。

圖2 鎳鉻鋁釔涂層的表面形貌（a）和截面金相照片（b-c）。

圖2a給出了5號試片涂層的表面形貌，元素分析表明粉末熔化效果較好、鋪展效果較好的表面平整區(qū)的主要成分為NiCrAl，而表面灰色區(qū)域為合金氧化后的NiCrAlY的氧化物。圖2（b-c）給出了5號試片涂層的截面金相照片，其中致密區(qū)域為NiCrAl合金，黑色區(qū)域為NiCrAlY氧化物，氧化物中Al的含量稍高，說明Al優(yōu)先被氧化。

以上試驗表明5號樣品的涂層硬度及微觀組織結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。采用此參數(shù)制備試片及試棒進行杯突試驗及結(jié)合強度測試，測試表明杯突試驗結(jié)果合格，涂層的結(jié)合強度滿足技術(shù)指標(biāo)要求（≥35MPa）。

圖3 經(jīng)鏜刀加工后的進氣機匣表面NiCrAlY涂層

為了測試鎳鉻鋁釔涂層的機加性能，噴涂了進氣機匣試驗件的內(nèi)徑，之后用鏜刀加工至目標(biāo)尺寸，發(fā)現(xiàn)去除涂層表面粗糙層后露出光滑的表面，呈現(xiàn)金屬光澤（圖3），無金屬掉渣、涂層脫落等現(xiàn)象，鏜刀加工也表明鎳鉻鋁釔涂層的機加性能良好，光度滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

研究了等離子噴涂的電流、電壓、送粉量等工藝參數(shù)對涂層沉積效率、硬度、結(jié)合參數(shù)的影響，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化確定了等離子噴涂鎳鉻鋁釔涂層的工藝參數(shù)，制備出的涂層性能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。采用優(yōu)化的噴涂工藝參數(shù)制備試驗件，經(jīng)機加證明涂層的機加性能良好。涂層經(jīng)特種工藝鑒定后投入正式生產(chǎn)，涂層質(zhì)量穩(wěn)定可靠。