等離子噴涂CuNiIn涂層性能研究

陳雄偉，牟治國，陳利剛

上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司表面工程事業(yè)部，上海 201900

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于航空業(yè)中．但是，鈦合金硬度低、耐磨性差，尤其是微動磨損時(shí)，嚴(yán)重的會造成部件失效．鈦合金對微動疲勞特別敏感的特性，限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用．表面工程技術(shù)是降低鈦合金微動損傷、提高鈦合金抗微動疲勞性能的最有效的途徑之一[1]．

CuNiIn涂層是一種綜合性能優(yōu)異的軟質(zhì)固體潤滑膜層，其具有耐微動磨損性能好、耐腐蝕性和抗高溫性能(使用溫度上限500 ℃)良好的特性[2]．外國的一些發(fā)動機(jī)制造商如GE，Rolls-Royce和SNECMA等，已將CuNiIn涂層作為航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片之間及葉片和輪盤榫槽之間的抗微動磨損防護(hù)層．鈦合金表面噴涂CuNiIn金屬涂層后，其微動疲勞強(qiáng)度為常規(guī)疲勞強(qiáng)度的63%，而未噴涂的鈦合金僅為48%[3]．

等離子噴涂是一種材料表面強(qiáng)化和表面改性的技術(shù)，可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能．等離子噴涂技術(shù)是采用由直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法．采用等離子噴涂制備CuNiIn 涂層因其具有較好的高溫抗微動磨損性能，已成為航空發(fā)動機(jī)葉片中最常用的一種涂層．因此，研制和開發(fā)CuNiIn 涂層具有重要的實(shí)際意義．

1 試驗(yàn)部分

1.1 試 樣

試樣基體材料為Ti 6-4，其中金相和硬度試樣尺寸為50 mm×25 mm×1.6 mm，剪切試樣尺寸為100 mm×25 mm×1.6 mm，彎曲試樣尺寸為150 mm×25 mm×1.6 mm．

粉末材料采用PAC公司(Powder Alloy Corporation)生產(chǎn)的CuNiIn粉末，粉末的化學(xué)成分列于表1．該粉末具有粒子粒度分布均勻，粉末粒徑分布為15～45 μm(圖1)，粉末流動性好等特點(diǎn)．

表1 CuNiIn 粉末的化學(xué)成分

圖1 CuNiIn粉末金相形貌Fig.1 The microstructure of CuNiIn powder

1.2 噴涂設(shè)備及工藝參數(shù)

采用美科Unicoat F4等離子噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂試驗(yàn)．噴涂前首先用丙酮清洗試樣，然后對試樣表面進(jìn)行噴砂粗化處理，砂子材料為250 μm的白剛玉，噴砂壓力為0.25 MPa，噴砂距離150 mm．為了研究不同的噴涂參數(shù)對涂層性能的影響，一共設(shè)定了三組噴涂參數(shù)．主要改變氫氣流量，通過不同的氣體配比來改變火焰的溫度和速度，從而影響涂層的性能．噴涂過程中，利用壓縮空氣對基體背面進(jìn)行強(qiáng)行冷卻，控制涂層的平均溫度在60 ℃以下．噴涂的工藝參數(shù)列于表2．

表2 噴涂工藝參數(shù)

1.3 涂層檢測

分別對噴涂制備的CuNiIn涂層試樣截取橫截面，經(jīng)金相冷鑲嵌、研磨、拋光后，采用卡爾蔡司Observer倒置式金相顯微鏡，及系統(tǒng)內(nèi)置的AxioVision圖像分析軟件，觀察涂層的微觀形貌和涂層與基體界面的結(jié)合情況，并進(jìn)行孔隙率測量．采用Struers公司的DuraSan-50顯微硬度計(jì)，測試涂層硬度．采用Sans的CMT5305萬能試驗(yàn)機(jī)，測試涂層的剪切強(qiáng)度．采用自制的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)裝置測試涂層的抗彎曲性能，測試在直徑為12.7 mm的支撐芯軸上進(jìn)行，彎曲角度為180 °，彎曲速度為2～5 s完成彎曲．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層的金相組織

三種不同噴涂工藝參數(shù)制備的CuNiIn涂層金相形貌見圖2．從圖2可以看出：涂層與基體之間均形成了良好的界面結(jié)合，呈典型的熱噴涂涂層機(jī)械咬合形貌；涂層均無分層、橫向裂紋、團(tuán)聚氧化物和界面分離；涂層呈明顯的層狀結(jié)構(gòu)，組織均勻，涂層中孔隙和氧化物均勻分布．

從圖2還可以看出：試樣1涂層未熔顆粒較多(見圖2(a))，孔隙率相對較高，約為3%～5%，涂層氧化物相對較少；試樣2涂層未熔顆粒明顯減少，但也存在少量未熔顆粒(見圖2(b))，涂層孔隙率有所減少，約為3%左右，涂層層間細(xì)長氧化物增多；試樣3涂層未見明顯未熔顆粒(見圖2(c))，涂層孔隙率最少，約為2%～3%，涂層層間氧化物最多．這是由于氫氣流量少時(shí)，噴涂功率低，粉末加熱熔化效果不佳，涂層氧化物相對較少．而且在較低的等離子功率下，粒子撞擊速度小，粒子還未獲得充分的加速，撞擊后變形不充分，層與層之間孔隙增加，因而孔隙率高．隨著氫氣流量增加，噴涂功率的增大，焰流溫度增加，速度加快，涂層未熔顆粒減少，涂層孔隙率減少，涂層氧化物也相應(yīng)增多．特別是CuNiIn涂層中In的存在，In在高溫下特別容易燒損，更容易形成氧化物[3]．

2.2 涂層顯微硬度

三種不同噴涂工藝參數(shù)制備的CuNiIn涂層顯微硬度見表3．由表3可知，試樣1涂層平均硬度最低，隨著氫氣流量增多，硬度升高．這是由于隨著氫氣流量增加，功率增大，涂層內(nèi)氧化物增，硬度提高．CuNiIn涂層是一種軟質(zhì)涂層，主要是抵抗微動磨損，硬度低時(shí)在載荷反復(fù)接觸過程中容易產(chǎn)生韌性變形，釋放應(yīng)力．因此，在滿足其它要求的前提下涂層顯微硬度應(yīng)盡量低[2]．

圖2 CuNiIn 涂層金相形貌(a)試樣1；(b)試樣2；(c)試樣3Fig.2 The microstructure of CuNiIn coating (a)specimen No.1；(b)specimen No.2；(c)specimen No.3

試樣編號硬度值HV0.3平均值1169.4,162.8,152.6,162.8,189.8,165.6,172.8,162.5,173.2,162.8167.42188.8,186.2,191.0,191.4,189.8,187.2,187.3,188.2,188.1,190.6188.93208.2,216.7,211.9,191.9,209.8,197.7,197.9,208.5,198.3,210.9205.2

2.3 涂層抗彎曲性能

三種不同噴涂工藝參數(shù)制備的CuNiIn涂層的彎曲測試結(jié)果如圖3所示．從圖3可見，試樣1涂層(圖3(a))彎曲部位涂層裂紋最少，最細(xì)小，試樣2(圖3(b))涂層的裂紋相對多一些，試樣3(圖3(c))涂層彎曲部位的裂紋最多且相對最大．這與涂層噴涂時(shí)功率增大，涂層內(nèi)部氧化物增多有關(guān)．但采用三種參數(shù)制備的涂層整體上看均抗彎曲性能較好，涂層均沒有發(fā)生起皺、翹起、層裂和剝落等現(xiàn)象．

2.4 涂層剪切性能

三種不同噴涂工藝參數(shù)制備的CuNiIn涂層剪切測試結(jié)果列于表4．由表4可見，試樣1的剪切強(qiáng)度值最小，次之為試樣3，試樣2的最大．這是由于試樣1的等離子焰流溫度相對最小，因而涂層內(nèi)具有較多的未熔顆粒，涂層熔化狀態(tài)不良會導(dǎo)致涂層層間結(jié)合強(qiáng)度下降，從而使涂層剪切結(jié)合強(qiáng)度下降，試樣3的功率最大，等離子焰流溫度最高，涂層最致密，但涂層內(nèi)部氧化物也相對較多，因而剪切強(qiáng)度相比試樣2的略有降低．

表4 CuNiIn涂層剪切強(qiáng)度

圖3 CuNiIn 涂層彎曲測試結(jié)果(a)試樣1；(b)試樣2；(c)試樣3Fig.3 The bend test results of CuNiIn coating(a)specimen No.1；(b)specimen No.2；(c)specimen No.3

3 結(jié) 論

采用三種等離子噴涂工藝參數(shù)制備了CuNiIn涂層，并對其涂層性能進(jìn)行分析．隨著氫氣流量的增加，噴涂功率的增大，涂層更加致密，涂層氧化物也相應(yīng)增多，涂層顯微硬度增大，涂層彎曲測試時(shí)裂紋也相應(yīng)增多，而涂層剪切強(qiáng)度先增后減．