用燒結型粉末噴涂的鎳鉻－碳化鉻耐磨涂層
肇國鋒，張佳平，岳 陽等
熱 噴 涂 技 術2012年06月
摘 要：鎳鉻－碳化鉻涂層是航空發動機常用的高溫耐磨涂層之一。本研究通過優化大氣等離子噴涂工藝，用燒結型粉末制備了鎳鉻 - 碳化鉻涂層。涂層顯微組織均勻，氧化物彌散分布、孔洞及未熔顆粒較小。Cr3C2- 30%NiCr 涂層的拉伸結合強度不小于40MPa，顯著高于 Metco 81 VF- NS 粉末噴涂的涂層，用兩種粉末噴涂涂層的表面洛氏硬度及耐砂粒沖蝕性能相近。Cr3C2- 30%NiCr 涂層性能符合設計要求，噴涂工藝現已被用于某型號發動機的前軸承機匣零部件的噴涂生產。
關鍵詞：大氣等離子噴涂；鎳鉻- 碳化鉻；耐磨涂層；熱噴涂；熱噴涂粉末
鎳鉻 - 碳化鉻（Cr3C2- NiCr）是為了滿足耐高溫磨損要求而研制的一種金屬陶瓷涂層粉末，其熔點大約為1400℃。用該熱噴涂粉末噴涂的涂層主要被用于540℃～815℃溫度范圍內工作、且要求表面具有抗磨粒、高硬度、耐微動磨損、耐沖蝕性能的零部件上，是一種極為耐磨和抗氧化的復合材料涂層，主要用于發動機轉子、渦輪機葉片、渦輪機端面密封、渦輪機消聲擋板、排氣閥密封面、熱成型模輥子及燃煤鍋爐燃燒室內的高溫磨損管件。鎳鉻 - 碳化鉻粉末噴涂主要有兩種，一種是分別用鎳和鉻包覆碳化鉻顆粒而制成的包覆型粉末[1]，另一種則是由鎳鉻合金粉和結晶碳化鉻粉混合而成的粉末，如美科公司生產的METCO81VF- NS（Cr3C2- 25%NiCr）復合粉末。
粉末中的兩個組元分別為鎳鉻合金相和碳化鉻陶瓷相。碳化鉻相可增加涂層的硬度，其在高溫下能生成致密的氧化鉻保護膜，故具有優異的抗高溫氧化性能，極好的耐蝕性，高溫硬度高，有優異的高溫抗磨損性能。鎳鉻合金相則起粘結碳化鉻相的作用，其百分含量一般在 20％～25％之間，可以提高涂層的界面及涂層內聚結合強度。涂層的熔點低，約為 1400℃，熱膨脹系數為 10.9×10- 6K- 1（150℃～980℃）。該熱膨脹系數值與高溫用耐熱合金基體的膨脹系數接近，因而在高溫下與耐熱合金基體有相當好的熱膨脹性能匹配[2]。
當粉末中鎳鉻合金含量為 25.0％時，噴涂的鎳鉻 - 碳化鉻涂層非常硬且脆，在等離子噴涂過程中由于受噴涂溫度、涂層厚度以及金屬基體與涂層材料熱膨脹系數差異的影響，在涂層內極易產生縱向裂紋，因此本研究將噴涂粉末中的鎳鉻合金含量增加到30％，且該粉末用燒結法制備，并將燒結型 Cr3C2- 30%NiCr 粉末噴涂的涂層與從美國進口 Metco 81 VF- NS 粉末噴涂的涂層進行了性能比較。
1 實驗材料及方法
涂層試樣的基體材料為一種中等強度的 α－β型TC4 兩相鈦合金。該合金是試驗所用粉末為北京礦冶研究總院研制的燒結型Cr3C2- 30%NiCr粉末，其化學成分見表 1。粉末的相組成為 Cr3C2、Cr7C3以及鎳和鉻在590℃包析反應生成的 Ni2Cr有序化合物相。粉末的物理性能為：粉末粒度主要在 15～75μm之間、松裝密度 2.06 g/cm3、流動速度為40.4s/50g。
圖 1 為掃描電鏡觀察燒結型 Cr3C2- 30%NiCr粉末顆粒的表面形貌。可見燒結型 Cr3C2- 30%NiCr復合粉末形狀不規則，但粒度比較均勻，大多數在30～50μm 之間。采用美國 METCO 公司制造的 METCO 7M等離子噴涂控制設備和9MB 噴槍噴涂涂層。在噴涂過程中，為了避免產生裂紋，需要控制噴涂進度和零件溫度。
為了減少涂層孔隙和氧化物，提高結合強度和涂層質量，噴涂角度應盡量接近 90（°）。在上述工藝過程控制的基礎上，先根據設備情況和涂層指標要求大致確定噴涂過程的送粉速率，然后再通過涂層的噴涂工藝試驗確定氬氣、氫氣流量和等離子體電流強度，以保證粉末顆粒的鎳鉻合金組元在噴涂焰流中剛好被熔融，且其飛行速率達到最大值。選擇的噴涂距離則應保證粉末顆粒在達到噴涂表面時處于最佳的熔融和動能狀態。表 2 給出了噴涂Cr3C2- 30%NiCr 涂層及其相應 Ni- Al 底層的優化工藝參數。
 
為了評定涂層的耐尖銳、硬質顆粒沖刷引起的磨損性能，采用自制的吹砂沖蝕設備對涂層進行耐沖蝕磨損性能試驗。涂層試樣尺寸為 50mm×25mm×2mm，所用沖蝕磨料為剛玉砂。表 2 和表 3 分別給出了剛玉砂的粒度分布范圍和沖蝕試驗的條件。完成沖蝕試驗后，根據試驗前后的試樣重量差計算試樣單位面積的沖蝕失重值。
2試驗結果與討論
2.1 涂層組織
噴涂態 Cr3C2- 30%NiCr涂層的表面光潔度在 6微米左右,其表面均勻、平整，沒有裂紋、翹起、剝落和鼓泡等現象。涂層顏色一致，沒有過熱變色現象。
圖2 為等離子噴涂 Cr3C2- 30%NiCr 的截面形貌。可以看出，燒結型鎳鉻 - 碳化鉻涂層內沒有裂紋，組織均勻，各相均勻分布，氧化物彌散分布，沒有團狀和連續塊狀氧化物出現、孔洞和未熔物都小于20μm，沒有分層且界面污染不超過 20％。
2.2 涂層性能
涂層主要性能包括拉伸結合強度和表面洛氏硬度。兩組噴涂涂層試樣的拉伸結合強度測量結果見表 5。該結果表明，Cr3C2- 30%NiCr涂層的結合強度平均值皆明顯大于美國進口Metco 81 VF- NS 粉末噴涂涂層的結合強度。這說明涂層中的粘結相NiCr 合金含量增加，有利于提高涂層的結合強度。肉眼觀察拉斷涂層試樣的斷裂表面發現，試樣斷裂的位置皆在涂層內部，說明涂層界面的結合強度大于其內聚強度。
鎳鉻－碳化鉻涂層的表面洛氏硬度 HR15N 測試結果見表6。可見兩種粉末噴涂的涂層表面硬度測量結果比較接近，另外不同位置的硬度測量值變化不大，這說明噴涂工藝穩定，涂層組織比較均勻，與圖2的涂層顯微組織觀察結果一致。Cr3C2- 30%NiCr 涂層的上述機械性能皆符合設計要求，因此噴涂工藝現已被用于某型號發動機的前軸承機匣零部件的噴涂生產。
表 7 為國產燒結型鎳鉻 - 碳化鉻粉末噴涂的涂層與進口Metco 81 VF- NS粉末噴涂涂層耐沖蝕性能試驗結果的比較。
為了更好地進行比較，根據試樣尺寸對沖蝕試樣的重量差進行了單位面積失重的歸一化處理。從兩種粉末噴涂涂層的試樣失重平均值可以看出，國產粉末噴涂涂層的試樣失重為3.68 mg/cm- 2，略大于進口粉末噴涂涂層的試樣失重值（3.56 mg/cm- 2），說明兩種粉末噴涂涂層的耐沖蝕性能基本上接近。
由于沖蝕角度較小，涂層的沖蝕機制以微切削為主，并發生涂層剝落[3]。
3結論
（1）以燒結型 Cr3C2- 30%NiCr 粉末作為噴涂材料，采用大氣等離子噴涂工藝制備的鎳鉻－碳化鉻耐磨涂層顯微組織均勻，氧化物彌散分布、孔洞及未熔顆粒較小。
（2）Cr3C2- 30%NiCr 涂層的拉伸結合強度不小于 40MPa，顯著高于用 Metco 81 VF- NS 粉末噴涂的涂層。兩種粉末的涂層表面洛氏硬度及耐砂粒沖蝕性能相近。
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