火焰喷涂NiCrFe-Al-hBN涂层的高温稳定性研究.pdf

第 15 卷 第 2 期 热 喷 涂 技 术 Vol.15,No.22023 年 6 月 Thermal Spray Technology Jun.,2023火焰喷涂 NiCrFe-Al-hBN 涂层的高温稳定性研究 王天颖1*，王长亮1，杜修忻1，王标2，赵浩川2，聂梓杏1(1.中国航发北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京 100095；2.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610599)摘要：采用火焰喷涂方法在 GH4169 合金基体表面制备了 NiCrFe-Al-hBN 涂层，将 NiCrFe-Al-hBN 涂层在 700和 815 进行热处理，分析了涂层的硬度、结合强度和微观形貌变化，并对不同温度热处理后的涂层与高温合金叶片的可磨耗性能进行了评价和分析。研究结果表明：NiCrFe-Al-hBN涂层经700高温处理50 h、100 h和150 h后，随着热处理时间的延长，硬度变化不明显，硬度增加 1.37%，结合强度与喷涂态相比相当。通过对涂层显微组织分析发现，在该温度热处理后涂层的显微组织未发生明显变化。在 700，线速度 450 m/s，50 m/s 进给速度刮擦试验条件下，喷涂态NiCrFe-Al-hBN涂层的IDR值为3.36%，经700下处理150h后涂层的IDR值为3.86%，均满足压气机的使用要求，涂层在 700 下热稳定性能优异，可在该温度条件下长时间应用。涂层在 815 热稳定性不理想，随着热处理时间的延长，涂层硬度和结合强度均增加，可磨耗性能明显下降。关键词：火焰喷涂；NiCrFe-Al-hBN 涂层；高温稳定性；可磨耗性中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1674-7127(2023)02-0003-08 DOI 10.3969/j.issn.1674-7127.2023.02-003Research of thermal stability of NiCrFe-Al-hBN abradable seal coatingWang Tianying1,Wang Changliang1,Du Xiuxin1,Wang Biao2,Zhao Haochuang2,Nie Zixing1(1.Key Laboratory of Advanced Corrosion and Protection for Aviation Materials,AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China；2.Institute of Sichuan Gas Turbine Research,Aero Engine Corporation of China,Chengdu 610599,China)Abstract:NiCrFe-Al-hBN coating was prepared on the GH4169 substrate using flame spraying method.The high-temperature stability of the NiCrFe-Al-hBN coating at 700 and 815 was analyzed.The variations of microstructure hardness,bonding strength,and microstructure of the coating with the increasing of temperature were analyzed,and its abradability with the mate of GH4169 alloy blade was also evaluated and researched.The research results indicate that after high temperature treatment at 700 for 50 h、100 h、and 150 h,the hardness of NiCrFe-Al-hBN coating does not change significantly,with an increase of 1.37%.The bonding strength is comparable to the sprayed state.The microstructure results indicate that there is no significant change with 700 heat treatment temperature.When the abradability test conditions are:temperature is 700 ,linear speed is 450 m/s,with a feed speed of 50 m/s，the IDR value of NiCrFe-Al-hBN coating is 3.36%,and after treatment at 700 for 150 hours,the IDR value is 3.86.Both of the above coatings are meet the requirements of compressor.The results indicate that NiCrFe-Al-hBN coating shows excellent thermal stability for long term service at or below 700.第一作者：王天颖(1990 年)，女，博士研究生，工程师，tywang_。通讯作者：王天颖，tywang_。20 热 喷 涂 技 术 15 卷Thermal stability is unsatisfactory at 815 ,the hardness and bonding strength increased with the extension of heat preservation time，the abradability of the coating degenerates significantly.Keywords:flame spraying;NiCrFe-Al-hBN coating;thermal Stability;abradability0 引言可磨耗封严涂层是发动机中的重要功能涂层，该类涂层主要是通过叶尖对涂层的刮削作用，有效地保护转子叶尖并控制径向气流间隙，提高发动机效率并降低油耗1,2。研究表明发动机高压涡轮叶尖间隙每减少 0.13 mm 0.25 mm，油耗可以减少 0.5%1%，发动机的效率可提高 2%左右3,4。随着航空发动机性能要求的不断提高，可磨耗涂层将发挥越来越重要的作用。随着航空技术的发展，对封严涂层提出了使用温度高和服役时间长的要求，然而传统的封严涂层存在在高温下随着服役时间延长，涂层组织发生烧结致密化或者挤压致密化的问题，涂层失去可磨耗性，不仅磨损叶片叶尖，严重时还会发生大面积脱落掉块等问题5。为解决该问题，美国美科公司和 NASA 等机构经过二十多年的研究，研究出了 NiCrFe-Al-hBN 体系可磨耗封严涂层，该涂层的高温稳定性较好，在适宜温度下不易烧结6。NiCrFe-Al-hBN 主要用于航空发动机高压压气机和涡轮等零部件的封严涂层，最高使用温度可达到 815，广泛应用于航空发动机压气机、涡轮封严部件，适用于镍基高温合金和钛合金。可磨耗涂层的主要作用是密封和减少对叶尖的磨损，需要涂层既不磨损叶尖，又能够抵抗发动机环境中砂砾的冲蚀，因此需要可磨耗涂层有适宜的硬度和结合强度。结合强度过高会导致硬度偏高，导致叶尖磨损，硬度适宜可能致使结合强度过弱，导致涂层易剥落，因此如何平衡可磨耗封严涂层的低硬度和高结合强度成为其获得良好耐磨度和长久寿命的关键。为满足可磨耗封严涂层在压气机部件的使用要求，需要 NiCrFe-Al-hBN 涂层具有合适的硬度范围(55 75)HR15Y，具有良好的结合强度 4 MPa 以及优异的高温稳定性和可磨耗性能。传统的等离子喷涂制备的涂层较致密，涂层硬度较高，易对叶尖产生磨损损伤。而火焰喷涂可以通过优化工艺窗口实现对涂层显微组织、孔隙和润滑相的调控以达到减磨和密封的作用。可磨耗涂层在发动机环境下存在与转子叶片碰磨、冷热循环、环境条件对涂层产生烧结等情况，因此需要综合评估涂层的高温稳定性能。本研究采用氧乙炔火焰喷涂技术制备 NiCrFe-Al-hBN 涂层，火焰喷涂沉积效率较高，同时，其火焰焰流速度低且具有一定的发散性，适用于制备孔隙率较高的封严涂层，所制备的封严涂层具有适中的硬度和良好的可磨耗性7,8。本研究分别在 700 和 815 下对 NiCrFe-Al-hBN 涂层进行热处理，对涂层的硬度、结合强度、微观组织、可磨耗性能进行研究，评估涂层的高温稳定性。1 试验1.1 喷涂材料火焰喷涂粘结层材料为矿冶科技集团提供的镍铝合金粉末(牌号为 KF-6)，粉末粒度为45 m 106 m。面层材料为矿冶科技集团研制的 NiCrFe-Al-hBN(牌号为 KF-1252)，该粉末是由细小的铝粉和片状 hBN 包覆 NiCrFe 合金粉复合型粉末，具体形貌见图 1，粉末化学成分见表 1，粉末的粒径分布为 45 m 125 m。采用Multicoat等离子/火焰喷涂设备制备涂层，氧气和乙炔为燃料。试样基体材料为 GH4169，喷涂前采用丙酮或酒精对试样表面进行清洗，然后采用白刚玉砂对试样表面进行喷砂粗化处理，白刚玉砂粒径为 46 目，喷砂压力为 0.3 MPa 0.6 MPa。NiAl 底层采用 Metco F4 大气等离子喷涂系统制备，喷涂参数见表 2，厚度为 0.07 mm 0.1 mm。NiCrFe-Al-hBN 面层采用 Metco 6P-氧乙炔喷涂系统制备，厚度为 1.0 mm 2.0 mm。喷涂NiCrFe-Al-hBN 复合粉末工艺参数见表 3。第 2 期 21 表 1 NiCrFe-Al-hBN 粉末化学成分(质量分数,wt%)Table 1 Chemical composition of the NiCrFe-Al-hBN composite powder(mass fraction,wt%)表 2 NiAl 底层等离子喷涂参数Table 2 Plasma spraying paramerers of NiAl bond layer表 3 火焰喷涂 NiCrFe-Al-hBN 涂层工艺参数Table 3 Flame spraying parameters of NiCrFe-Al-hBN coating图 1 NiCrFe-Al-hBN 粉末形貌Fig.1 SEM images of NiCrFe-Al-hBN composite powderAlhBNCrFeSiO2Ni有机物2.54.53.57.511.516.06.59.51.0603.0Ar 流量(Lmin-1)H2 流量(Lmin-1)电流(A)功率(kW)喷距(mm)424881248052036401355工艺参数参数范围乙炔流量(NLPM)2530氧气流量(NLPM)3040喷涂距离(mm)2005050 m(b)1.2 静态氧化实验为了研究 NiCrFe-Al-hBN 涂层在不同温度下的热稳定性，将涂层试样放置于 DC-B/10 型高温箱式炉中进行 700 和 815 的恒温氧化实验，氧化时间分别为 50 h、100 h 和 150 h，研究不同处理温度和时间对涂层组织结构、硬度、结合强度和高温可磨耗性能的影响。1.3 涂层性能表征粉末形貌和涂层截面显微组织采用 JSM-7610FPLUS 型扫描电镜观察，EDXS 能谱仪分析粉末和涂层的化学成分，采用 Image J 软件测试涂层孔隙率。涂层的显微硬度采用 StruersDuramin 型显微硬度计测试，载荷为 300 g，加载时间为 15 s，每个试样取 10 个测试点，并计算平均值。根据行标 HB5476-1991热喷涂涂层结合强度试验方法在 Instron 5882 型拉伸机上测试涂层与基体的结合强度。涂层厚度为 0.50.8 mm，为保证试验结果的可靠性，每组测试 5 个试样，取其平均值。可磨耗试验在矿冶科技集团的 BGRIMM-ART 型高温超高速磨耗实验平台开展，对磨叶片材料为 GH4169，实验参数见表 4。试验完成后，通过对试样的表面磨损形貌、磨损质量以及叶片试验前后高度变化与总进给深度的比值即叶片高度磨损比(IDR)进行分析，进而评价涂层试样的可磨耗性能，IDR 值的计算公式如下：50 m(a)火焰喷涂 NiCrFe-Al-hBN 涂层的高温稳定性研究 22 热 喷 涂 技 术 15 卷表 4 NiCrFe-Al-hBN 封严涂层可磨耗试验参数Table 4 Abrasion test parameters of NiCrFe-Al-hBN Coating温度()线速度(m/s)进给速率(m/s)进给深度(m)7004505050080(a)(b)IDR=h/(I+h)100(1)IDR=h/I100(2)h 为叶片高度差，即叶片刮削前高度减去刮削后高度；I 为涂层磨痕深度。其中，当叶片高度减小时(h0)时，按公式(1)计算，当叶片高度增加时(h0)时，按照公式(2)计算。IDR 值是判定涂层可磨耗性能优劣的关键指标，当 IDR 绝对值越小时，涂层的可磨耗性能越佳。2 结果与讨论2.1 热处理对火焰喷涂 NiCrFe-Al-hBN 涂层硬度及结合强度的影响规律火焰喷涂 NiCrFe-Al-hBN 涂层经在 700 和815 条件下分别热处理50 h、100 h 和 150 h后，与喷涂态涂层的硬度和结合强度相比，变化规律如图 2 所示，根据图 2(a)可以看出 NiCrFe-Al-hBN涂层经700热处理不同时间后硬度较稳定，与喷涂态涂层的硬度值相当，均为65 HR15Y左右。而在 815 处理后的 NiCrFe-Al-hBN 涂层硬度随着热处理时间的延长不断增高，当热处理150 h后，涂层的表面洛氏硬度达到了 73 HR15Y，与喷涂态涂层相比，硬度增加了 11.79%，超出发动机机匣对封严涂层的硬度使用要求。图 2(b)为涂层结合强度随热处理温度和时间的变化柱状图，根据图 2(b)可以看出，700 处理不同时间后结合强度与喷涂态相当，结合强度分布在 6 MPa 左右。而经过 815 热处理后结合强度显著增加，处理150 h 后涂层的结合强度达到 11.68 MPa，较喷涂态提升了 88.6%。图 2 NiCrFe-Al-hBN 涂层经高温处理后硬度和结合强度的变化：(a)涂层的硬度变化；(b)结合强度变化Fig.2 Superficial Rockwell Hardness and bonding strength of NiCrFe-Al-hBN coating after high-temperature treatment:(a)Superficial Rockwell Hardness variation of coatings;(b)bonding strength variation of coatings表面洛氏硬度/HR15Y结合强度/MPa8070605040302010014121086420第 2 期 23 SpectrumLaberSpectrum 1(wt.%)Spectrum 2(wt.%)Spectrum 3(wt.%)B3.6835.76N0.3221.51O34.277.67Al1.9830.513.29Cr16.7727.856.00Fe9.001.272.96Ni72.262.1022.80Total100.00100.00100.002.2 热处理对火焰喷涂 NiCrFe-Al-hBN 涂层显微组织影响火焰喷涂 NiCrFe-Al-hBN 制备态涂层的典型截面形貌如图 3 所示，由图 3(a)可以看出底层与基体界面、底层与面层界面结合良好、无翘起、分层现象，面层组织均匀、无分层和裂纹现像，hBN 均匀分布在涂层中。可磨耗封严涂层不同于耐磨涂层，涂层中存在一定的孔隙率具有一定的优势，涂层由金属骨架、孔隙和 hBN 组成，涂层亮区为 NiCrFe 基相，而灰黑色暗区为孔隙和 hBN，经过测试，孔隙率和 hBN 相总占比为42%(图 3(b)。从图 3(c)高倍 SEM 图和图 3(d)能谱测试结果可以看出，经过火焰喷涂粉体中的NiCrFe 和 hBN 均在涂层中很好的保留，而小颗粒的铝粉在喷涂过程中部分被氧化成 Al2O3。500 m500 m10 m(a)(c)(b)(d)图 3 火焰喷涂 NiCrFeAl-hBN 涂层典型金相图：(a)低倍 SEM 图；(b)涂层孔隙率+hBN 含量占比统计图；(c)高倍 SEM 图；(d)能谱结果Fig.3 Typical microscopic structure of flame sprayed NiCrFeAl-HBN coating:(a)Low magnification SEM image;(b)Estimation content map of porosity+hBN of coating;(c)High magnification SEM image;(d)Results of energy spectrum图 4 为经过在 700和 815 分别热处理50h、100 h 和 150 h 后的截面形貌变化图，根据图 4(a)(c)可知，在 700下热处理 50 h、100 h 和 150 h 后涂层面层的显微组织较喷涂态相差不大，均为亮灰色 NiCrFe 骨架、深灰色 hBN 可磨耗相和孔隙均匀相间。因此涂层经过在 700 的热处理后涂层的硬度和结合强度变化不大，与前面所得结果相符合。而图 4(d)(f)依次为在火焰喷涂 NiCrFe-Al-hBN 涂层的高温稳定性研究 24 热 喷 涂 技 术 15 卷图 4 在高温处理不同时间后 NiCrFe-Al-hBN 涂层的截面显微组织图：(a)700 下热处理 50 h；(b)700下热处理 100 h；(c)700 下热处理 150 h；(d)815 下热处理 50 h；(e)815 下热处理 100 h；(f)815 下热处理 150 hFig.4 Cross section microstructure SEM image of of NiCrFe-Al-hBN coating after high-temperature treatment for different times:(a)Heat treatment at 700 for 50 hours;(b)Heat treatment at 700 for 100 hours;(c)Heat treatment at 700 for 150 hours;(d)Heat treatment at 815 for 50 hours;(e)Heat treatment at 815 for 100 hours;(f)Heat treatment at 815 for 150 hours815下热处理 50 h、100 h 和 150 h 后涂层面层的截面显微组织图，根据图可知，涂层中孔隙率和 hBN 尺寸均有减小的趋势，白色氧化铝相存在增加趋势，个别区域出现 NiCrFe 合金偏聚和堆积的现象9。氧化铝陶瓷相的含量的增加和金属骨架相的偏聚会造成涂层硬度和结合强度的增加。因此可以看出火焰喷涂 NiCrFe-Al-hBN 涂层在700 下具有较好的结构稳定性。(a)(d)(b)(e)(c)(f)500 m500 m500 m500 m500 m500 m2.3 可磨耗性能结果与分析本研究设计的刮削试验参数是基于发动机机匣的实际服役工况提出的，能够间接地反映封严涂层的综合服役性能。本研究采用 GH4169 模拟叶片与 NiCrFe-Al-hBN 涂层试验件配合组成碰磨试验副，分别将喷涂态、在 700 和 815 处理150 h 后的涂层试验件在 700 下考核其可磨耗性能，可磨耗性能具体测试结果见表 5。根据结果可知，700 热处理 150 h 后 NiCrFe-Al-hBN 涂层的IDR值与喷涂态涂层相当，分别为3.36%和3.86%，说明喷涂态和 700 下的 NiCrFe-Al-hBN 涂层可磨耗性能较好，满足发动机的使用要求，不会对叶片产生严重磨损。而经过815 热处理150 h后，涂层的磨损比 IDR 值大幅度增加，为 61.93%，说明涂层对叶尖的磨损较严重。表 5 不同温度处理后涂层刮削深度、叶片磨损高度和总磨损深度Table 5 Coating scraping depth,blade wear height,and total wear depth after different temperature treatments编号热稳定温度()热稳定时间(h)涂层刮削长度(mm)计算刮削深度(mm)叶片试验前高度(mm)叶片试验后高度(mm)叶片高度变化(mm)总进给深度(mm)IDR(%)1喷涂态喷涂态39.600.57652.8752.850.020.5963.36270015036.840.49852.8252.800.020.5183.86381515021.270.16652.8952.620.270.43661.93第 2 期 25 图 5 NiCrFe-Al-hBN 涂层可磨耗试验后涂层宏观形貌图：(a)喷涂态；(b)700 处理 150 h 后；(c)815 处理 150 h 后Fig.5 Appearance of NiCrFe/Al hBN coating after the abradable test:(a)Spray state;(b)700 150 h;(c)815 150 h 高速刮削试验后对涂层和模拟叶片的宏观形貌和微观形貌进行观察，其中宏观形貌如图 5 所示，微观形貌如图 6 所示。根据图 5 可知，随着热处理温度的升高，涂层刮削区域有明显的颜色变化，由灰黑色变为淡蓝色和淡黄色。采用能谱法，分别对不同处理温度、不同刮削试验温度后的刮削区域涂层表面进行金属元素Fe和Mo含量测试，发现随着热处理温度的升高，涂层表面的 Fe 元素和 Mo 元素含量逐渐升高，具体测试结果见表 6。分析原因可能是由于涂层在热处理过程和刮削试验过程中加热温度较高，涂层表面发生了金属相变或叶尖金属元素的转移，导致涂层颜色发生改变。根据图 5 和图 6 可知，涂层均发生了不同程火焰喷涂 NiCrFe-Al-hBN 涂层的高温稳定性研究 (a)(c)度的摩擦磨损，表面也均有明显的刮削弧形凹槽。其中，刮削完成后大部分涂层表面粗糙度较小，均匀程度较高，质地比较有光泽，涂层的刮削区域有明显的切削状痕迹和“麻坑”，但整体刮削区域无涂层的大面积剥落与掉块，说明涂层被刮削的机制以喷涂沉积颗粒间的断裂为主5，随着热处理温度的升高，涂层的裂痕逐渐变多。涂层在 700处理后，涂层的 IDR 值与喷涂态相当，说明 NiCrFe-Al-hBN 涂层材料在 700热处理工艺后的可磨耗性较好，可在该温度下长期使用。经过815热处理后的涂层的刮削痕迹逐渐均匀，麻面状刮痕面积减小，分析原因是涂层发生硬化，耐磨性增加。(b)表 6 刮削区域涂层表面金属元素含量能谱测试结果Table 6 EDS results of metal element content of the NiCrFe/Al hBN coating after the abradable test涂层处理状态可磨耗试验温度()Fe 元素含量(wt.%)Mo 元素含量(wt.%)喷涂态RT4.480喷涂态7005.530.797007007.330.7781570013.982.66 26 热 喷 涂 技 术 15 卷(a)(b)(c)图 6 NiCrFe-Al-hBN 涂层可磨耗试验后涂层 SEM 形貌图：(a)喷涂态；(b)700处理 150h 后；(c)815 处理 150 h 后Fig.6 SEM images of NiCrFe/Al hBN coating after the abradable test:(a)Spray state;(b)700 150 h;(c)815 150 h50 m50 m50 m3 结论本文采用火焰喷涂工艺在 GH4169 基体上制备了 NiCrFe-Al-hBN 涂层，重点研究了涂层在700 和815 的高温稳定性，主要得到以下结论:(1)所制备的 NiCrFe-Al-hBN 涂层硬度为 65 HR15Y，结合强度为 6.19 MPa，孔隙和 hBN 相总占比为 42%，满足航空发动机高压压气机对封严涂层的使用要求。(2)NiCrFe-Al-hBN 涂层经 700 高温处理 50 h、100 h 和 150 h 后，随着热处理时间的延长，硬度增加 1.37%，变化不大，结合强度与喷涂态相当，通过对涂层显微组织分析发现，在该温度热处理后涂层的显微组织未发生明显变化，表明涂层在 700下热稳定性能优异，可在该温度条件下长时间应用。(3)NiCrFe-Al-hBN 涂层在 815 温度下热处理，随着热处理时间的延长，涂层硬度和结合强度均增加，处理 150 h 后涂层的硬度增加 11.79%，结合强度增加 88.69%。涂层显微组织分析结果表明，在该温度下涂层中 hBN 尺寸变小、氧化铝陶瓷相的含量的增加和金属相偏聚是导致硬度和结合强度增加的主要原因，因此 NiCrFe-Al-hBN 涂层在该温度下仅能短时应用。(4)在 700，线速度 450 m/s，50 m/s 进给速度刮削试验条件下，喷涂态 NiCrFe-Al-hBN涂层的 IDR 值为 3.36%，经 700下处理 150 h后涂层的 IDR 值为 3.86%，均满足压气机的使用要求。经 815 下处理 150 h 后涂层的 IDR 值为61.93%，涂层硬化严重，会对叶尖产生一定磨损。参考文献1 DORFMAN M,ERNING U,MALLON J.Gas turbines use abradable coatings for clearance control seals J.Sealing Technology,2002,2002(97):7-8.2 DOWSON P,WALKER M S,Watson A P.Development of abradable and rub-tolerant seal materials for application in centrifugal compressors and steam turbines J.Sealing Technology,2004(12):5-10.3 王薇，张琦，黄予勋发动机封严涂层的研究进展 J.航空工程与维修，1996(11):3-44 于月光，侯伟骜，尹春雷，等.可磨封严涂层材料喷涂过程中石墨含量变化研究 J.热喷涂技术，2009，1(1):20-24.5 杨晓剑，程旭莹，刘通，等.镍铬铁铝氮化硼可磨耗封严涂层与 Ti2AlNb 基材及叶片的匹配性研究 J.热喷涂技术，2017，9(3):21-25.6Yang S Y，GUO D，CHENG X W，et.alCorrosion behaviour of NiCrFeAl-hBN seal coatings in oxidation environments at a high temperatureJ.Rare metals,2021,40(1):212-218.7 陈凌云航空发动机新型可磨耗封严涂层耐热蚀性能研究 D.北京：北京科技大学，2018.8 周 子 民，熊 声 健，陈 皓 晖，等.热 喷 涂 工 艺 对NiCrFeAl/hBN 复合涂层性能的影响 J.金属热处理,2022,47(6):208-215.9 杨晓剑，刘通，刘建明，等.铝硅氮化硼封严涂层热稳定性及可磨耗性能评价研究 J.热喷涂技术，2016，8(4):7-13.