氣霧化制備CoNiCrAlY合金粉末*

賈志華，王 軼，鄭 晶，操齊高，姜 婷

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

隨著現(xiàn)代航空航天工業(yè)的發(fā)展，對軍用航空發(fā)動機的單位推力和推重比提出了更高要求，即要求渦輪機葉片可以在更高的環(huán)境溫度下工作。目前，先進航空發(fā)動機的汽輪機工作溫度已達1100 ℃以上，已接近高溫合金的使用極限，為了有效解決這個問題，處了改善葉片材料外，最簡單有效的辦法是在合金表面涂覆上一層抗高溫氧化和耐磨蝕性能的優(yōu)異涂層材料[1-2]。高性能粉末涂層材料的研制是獲得理想涂層的首要條件，超聲氣體霧化MCrAlY(M=Ni，Co或CoNi)合金粉末具有粒徑細、形狀規(guī)則、成份均勻和優(yōu)異的高溫性能特點，使得通過這種粉末噴涂形成的MCrAlY涂層具有良好的耐高溫氧化性和熱腐蝕性[3-4]。本文主要針CoNiCrAlY合金，開展了真空霧化工藝研究，并對制備的粉末進行了化學成分、微觀組織結(jié)構(gòu)、顆粒形貌、松裝密度、流動性測試研究。

1 實 驗

1.1 實驗設(shè)備

CoNiCrAlY合金粉末是由自制的真空霧化裝置制備的。設(shè)備容量為50 kg，極限真空度2×10-3Pa，霧化壓力調(diào)節(jié)范圍0～5.0 MPa。

1.2 工藝流程

將原料放入坩堝，感應(yīng)加熱和熔煉，霧化室上方的中間包提前預熱。在霧化過程中，合金液從熔煉坩堝中倒入中間包底部泄漏坩堝中，液體從導流管流出。此時引入高壓氣體，通過霧化噴嘴沖擊合金液流，使之霧化分散成細小的液體顆粒，對這些細小的液體顆粒進行冷卻凝固后，得到所需的合金粉末。

1.3 實驗方法

為了滿足合金粉末對雜質(zhì)方面的要求，試驗選擇的合金原料為：材質(zhì)不低于99.95%的Co，不低于99.96%的Ni，純度不低于JCr98.5A的Cr，純度≥99.0%的Al，Y采用NiY中間合金形式加入。為了控制合金的化學成分，優(yōu)化真空感應(yīng)熔煉工藝為：使用氧化鎂坩堝，預抽真空度高于2 Pa，加熱時應(yīng)將Co、Ni和Cr等元素充分熔化精煉后，然后通過中間料斗加入鋁和NiY合金。充分熔煉均勻后，通入惰性氣體霧化。待冷卻完畢后收集粉末，篩分取樣。

實驗中制備的CoNiCrAlY合金粉，其成分配比如表1所示，利用JSM-6700F掃描電鏡觀察合金粉末形貌和粉末剖面情況，用WJL-626型激光粒度測試儀測定合金粉末粒度分布，利用PW1700型X射線衍射儀研究粉末的相組成。

表1 CoNiCrAlY合金的化學成分

2 結(jié)果與討論

2.1 霧化過程中合金組元的變化

表2給出了合金的配料成分和霧化成粉后的化學成分變化，可以看出，除元素Y外，其他元素的含量基本沒有變化，這是因為Y的化學活性高，極易與氧反應(yīng)造渣，同時高溫熔煉過程中金屬Y能與氧化鎂坩堝發(fā)生發(fā)應(yīng)，形成冶煉渣，從而造成合金元素的配比發(fā)生變化。文獻報道[5]，采用金屬Y塊進行真空熔煉，Y的燒損量通常在70%以上，本實驗采用NiY中間合金，使Y的燒損率降為57%，說明采用NiY中間合金熔煉，可以明顯減少Y的燒損率。

表2 合金組元真空霧化制粉前后化學成分變化

2.2 霧化參數(shù)對粉末球形度的影響

合金粉末的霧化制備是一個復雜的物理化學過程，受多種因素的影響。霧化顆粒尺寸及其分布受霧化介質(zhì)、霧化溫度、氣體壓力、導流管直徑、金屬熔體質(zhì)量流量(Jm)和氣體質(zhì)量流量(Jg)的影響。在導流管直徑、霧化壓力和噴嘴結(jié)構(gòu)不變的情況下，金屬液的溫度越高，細粉末產(chǎn)出率也越高，且更容易得到球形粉末。圖2是1600 ℃條件下CoNiCrAlY合金粉末的形貌圖?？梢钥闯稣婵諝怏w霧化制取的合金粉末大都為球形，且球形度很好，但也有部分非球形顆粒，這是由于出離噴嘴的顆粒，有的完全凝固、有的完全為液態(tài)、有的部分凝固，在飛行過程中受到氣流和重力的作用，由于運行速度不同，它們可能相互碰撞或與霧化室內(nèi)壁碰撞發(fā)生變形，從而可能形成各種非球形的粉末顆粒，如衛(wèi)星式粘連顆粒、包覆式顆粒、異形顆拉等。但隨著熔煉溫度的提高，金屬熔體的粘度和表面張力降低，表面張力使液滴表面長時間收縮，因此很容易得到球形粉末。圖3是1650 ℃條件下得到的金屬粉末球形度明顯好于圖2的球形度。并且球形顆粒表面變得更為潔凈和光滑，“衛(wèi)星球”的比例減少。說明此種條件下獲得的粉末具有較好的流動性及松裝密度，為獲得高質(zhì)量的涂層提供保障。

圖2 1600 ℃下的真空霧化的CoNiCrAlY合金粉末形貌

圖3 1650 ℃下的真空霧化的CoNiCrAlY合金粉末形貌

2.3 合金粉末的粒度分布

圖4顯示了CoNiCrAlY合金粉末的粒度分布曲線?？梢钥闯?，真空霧化制備的合金粉末的粒度接近正態(tài)分布，平均粒度約為40 μm。合金粉末的粒度大小與分布與霧化過程參數(shù)有關(guān)。其中，合金熔液與霧化氣體的質(zhì)流比對合金粉末粒度及分布的影響最為顯著，通常情況下質(zhì)流比越小合金粉末就越細。根據(jù)噴涂粉的實際使用效果，并不是合金粉末越細越好。通常質(zhì)流比控制在0.5左右為宜。本實驗通過對霧化參數(shù)的控制，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)了粒度可控。

圖4 CoNiCrAlY合金粉末的粒度分布

2.4 粉末形貌及微觀結(jié)構(gòu)

圖5為合金粉末XRD分析結(jié)果，對于NiCoCrAIY五元合金，其組織為α+γ雙相組織，其中α相為固溶Ni，Co元素的體心立方Cr，γ相為面心立方Ni基固溶相。粉末斷面觀察可看到：其組織為均勻、細小的胞晶，無明顯的成份偏析(圖6)。

圖5 NiCoCrAIY合金粉末的衍射圖

圖6 真空霧化NiCoCrAIY合金粉末的顯微組織

2.5 粉末的松裝密度、流動性測試

由于NiCoCrAlY合金粉是在全系統(tǒng)的真空設(shè)備下制備的，粉末的真密度大，球形度好，經(jīng)測試，合金粉末的松裝密度為4.2 g/cm3，粉末的流動性為22 s/50 g，均達到了噴涂合金粉末的使用要求。

3 結(jié) 論

(1)對氣霧化過程中元素的損耗進行分析，Y元素的燒損量最大，通過采用NiY中間合金熔煉，可以明顯減少Y的燒損率。

(2)合金粉末的霧化制備是一個復雜的物理化學過程，受多種因素的影響。在其他條件和參數(shù)不變的情況下，合金熔體溫度對粉末粒度的影響最大，更高的熔融溫度有利于獲得更細的粉末。

(3)采用氣體霧化制備了CoNiCrAlY合金粉末，粒度呈正態(tài)分布，平均粒度為40 μm。

(4)CoNiCrAlY合金粉末由為α+γ雙相組織。粉末斷面顯微組織為均勻、細小的胞晶。