大气等离子喷涂镍铬涂层界面缺陷形成分析及工艺调控研究.pdf

材料研究与应用 2023，17（3）：552558Materials Research and ApplicationEmail：http：/大气等离子喷涂镍铬涂层界面缺陷形成分析及工艺调控研究靖建农1,2,张乐1,2,王纯1,2,周媛2,杨斌2,韩建兴2（1.中国航空制造技术研究院/高能束流加工技术国家级重点实验室/先进表面工程技术航空科技重点实验室，北京 100024；2.中国航发贵州黎阳航空动力有限公司，贵州 贵阳 550021）摘要：涂层/基体界面污染率是考核涂层质量的重要指标。针对某新型发动机机匣内壁镍铬涂层界面存在的严重污染问题，首先利用显微组织分析及物相分析手段确定了界面污染物主要成分为 Al2O3。然后，进行多因素对比试验重现了界面污染现象，确定了污染物来源为喷砂过程中滞留在基体表面的砂砾，并结合零件尺寸及外形开展了喷砂工艺优化研究。研究结果表明：具有较大动能的砂砾会嵌入硬度较低的基体中，造成界面污染；减少砂粒撞击动能及增加清理时间，可有效地减小涂层/基体界面污染率。关键词：等离子喷涂；镍铬涂层；界面污染；工艺优化中图分类号：TG174.442文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）03-0552-07引文格式：靖建农，张乐，王纯，等.大气等离子喷涂镍铬涂层界面缺陷形成分析及工艺调控研究 J.材料研究与应用，2023，17（3）：552-558.JING Jiannong，ZHANG Le，WANG Chun，et al.Analysis of Interfacial Defect Formation and Process Control of Ni-Cr Coatings by Atmospheric Plasma Spraying J.Materials Research and Application，2023，17（3）：552-558.航空发动机是战机的心脏，是战机飞行安全及高机动性的重要保障。航空发动机在高速运转过程中，受巨大离心力及热膨胀作用而引发的叶片变长、加工及装配偏差、变速及着陆过程中的振动等因素影响，在发动机装配过程中无法将动子与静子的径向间隙控制为零，总要预留 23 mm 的间隙以防止动子与静子发生干摩擦。然而，这种过大径向间隙不仅会使发动机效率降低，严重时会导致发动机的气动特性在加速时遭到破坏，还会引发喘振，影响发动机的运行稳定性与安全性。为解决上述问题，用于减小发动机动子与静子之间间隙的可磨耗封严技术成为提高发动机性能的关键手段1-5。封严涂层质量直接关系到航空发动机的服役安全性，为优化涂层组织结构、提高涂层质量，国内外学者开展了大量研究。赵子鹏等6综合对比了大气等离子喷涂与超音速火焰喷涂 NiCr 涂层的组织及其摩擦磨损行为，认为超音速火焰喷涂技术在制备的涂层耐磨性上更具有优势。曹玉霞等7在 NiCr-Cr3C2的基础上添加了 h-BN 以提高涂层润滑性能，从而能够在一定程度上延长涂层服役寿命。E.Ariboldi 等8对 NiCr 涂层进行时效处理，发现涂层的抗磨损寿命得到了提高。还有学者9-11在封严涂层的基础上，通过添加第二相来改善涂层摩擦磨损性能、延长服役寿命。大多数学者12-13往往通过材料成分优化以实现涂层性能优化，还有少数通过工艺优化以实现涂层性能的改进。某新型发动机一号机匣内壁，根据设计要求需喷涂镍铬涂层，以提供发动机转子与静子之间的封严作用。目前，镍铬涂层的一次喷涂合格率小于50%，主要表现为涂层界面存在污染，而无法满足底层与界面污染率不大于 25%的检验要求。涂层界面污染，严重影响了发动机的生产交付进度，并对交付后的使用存在一定的隐患。因此，针对镍铬涂层的界面污染问题，开展质量提升技术研究，并且制定解决方案以满足发动机的生产交付需求。1实验过程及方法1.1涂层制备利用 MultiCoat 型大气等离子喷涂设备，制备镍 铬涂层试样。试样基材为 TC4 钛合金，尺寸 为40 mm20 mm2 mm。涂层为两层结构，底层为粒径 45109 m 的镍包铝粉末层，面层为粒径45109 m 的 镍 铬 涂 层 粉 末 层。喷 涂 参 数 列于表 1。收稿日期：2023-03-31基金项目：航空工业制造院-中国航发黎阳公司合作项目（2021-KYGG-3-221）作者简介：靖建农，博士，工程师，从事表面工程技术研究，E-mail：。DOI：10.20038/ki.mra.2023.0003181.2涂层表征利用 Leica公司生产的 DMI-5000M 型金相显微镜，对涂层界面污染区域的金相组织进行观察，放大倍数为 200 倍，同时计算涂层界面污染率。利用Zeiss 公司生产的 GEMENISEM 300 型扫描电镜，观察样品的截面形貌。利用 EDS能谱仪，对污染物进行成分分析。2结果与讨论2.1界面污染成因分析2.1.1界面污染物分析涂层的金相组织如图 1所示。从图 1可以看出，底层与基体之间有明显黑色且形状不规则的污染物。EDS 分析结果如图 2 所示。从图 2 可见，涂层污染物主要由占比达 80%的 Al、O 元素构成，而Fe、Ni、Cr 元 素 的 占 比 较 少，表 明 主 要 污 染 物 为Al2O3。2.1.2污染物形成原因分析底层与基体间的污染物主要为 Al2O3，能够引入Al2O3主要有 3 种原因。（1）底层镍铝粉末受粉末包覆工艺影响，未完全包覆的 Al在喷涂过程中容易发生氧化而形成 Al2O3；（2）喷砂的砂粒成分为白刚玉（主要成分为 Al2O3），由于基体为硬度较小的钛合金，砂粒容易嵌入而没有清理干净；（3）金相制备过程中所使用的研磨膏含有 Al2O3成分，在磨抛过程中 Al2O3进入涂层孔隙中。2.1.2.1喷涂粉末影响分析为探究喷涂粉末对界面污染物的影响，底层喷涂粉末分别选用中科院过程所生产的 CM-66 型镍铝粉末和美科公司生产的 METCO-450NS 型镍铝粉末，面层统一采用中科院过程所生产的 KF-306型镍铬粉末，喷涂粉末影响结果如图 3所示。从图 3可以看出，2种涂层与基体界面处均出现了污染物，说明粉末对界面污染物形成影响不大，排除了喷涂粉末对界面污染物形成的影响。表 1镍铬涂层喷涂参数Table 1Spraying parameters of the Cr20Ni80 coating图 1镍铬涂层金相组织图Figure 1Metallographic image of the Ni-Cr coating图 2镍铬涂层界面污染物 EDS结果Figure 2EDS results of interfacial pollutants in the Ni-Cr coating靖建农等：大气等离子喷涂镍铬涂层界面缺陷形成分析及工艺调控研究1.2涂层表征利用 Leica公司生产的 DMI-5000M 型金相显微镜，对涂层界面污染区域的金相组织进行观察，放大倍数为 200 倍，同时计算涂层界面污染率。利用Zeiss 公司生产的 GEMENISEM 300 型扫描电镜，观察样品的截面形貌。利用 EDS能谱仪，对污染物进行成分分析。2结果与讨论2.1界面污染成因分析2.1.1界面污染物分析涂层的金相组织如图 1所示。从图 1可以看出，底层与基体之间有明显黑色且形状不规则的污染物。EDS 分析结果如图 2 所示。从图 2 可见，涂层污染物主要由占比达 80%的 Al、O 元素构成，而Fe、Ni、Cr 元 素 的 占 比 较 少，表 明 主 要 污 染 物 为Al2O3。2.1.2污染物形成原因分析底层与基体间的污染物主要为 Al2O3，能够引入Al2O3主要有 3 种原因。（1）底层镍铝粉末受粉末包覆工艺影响，未完全包覆的 Al在喷涂过程中容易发生氧化而形成 Al2O3；（2）喷砂的砂粒成分为白刚玉（主要成分为 Al2O3），由于基体为硬度较小的钛合金，砂粒容易嵌入而没有清理干净；（3）金相制备过程中所使用的研磨膏含有 Al2O3成分，在磨抛过程中 Al2O3进入涂层孔隙中。2.1.2.1喷涂粉末影响分析为探究喷涂粉末对界面污染物的影响，底层喷涂粉末分别选用中科院过程所生产的 CM-66 型镍铝粉末和美科公司生产的 METCO-450NS 型镍铝粉末，面层统一采用中科院过程所生产的 KF-306型镍铬粉末，喷涂粉末影响结果如图 3所示。从图 3可以看出，2种涂层与基体界面处均出现了污染物，说明粉末对界面污染物形成影响不大，排除了喷涂粉末对界面污染物形成的影响。表 1镍铬涂层喷涂参数Table 1Spraying parameters of the Cr20Ni80 coating涂层Ni-AlNi-Cr功率/kW36.631.6Ar流量/（NLPM）355455H2流量/（NLPM）10181送粉速度/（gmin1）2030喷枪速度/（mms1）300300喷涂距离/mm100130100130图 1镍铬涂层金相组织图Figure 1Metallographic image of the Ni-Cr coating图 2镍铬涂层界面污染物 EDS结果Figure 2EDS results of interfacial pollutants in the Ni-Cr coating553材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期2.1.2.2喷砂砂粒影响分析为研究喷砂过程中砂粒的影响，对比了喷砂、塑料喷丸及表面无处理 3 种工艺方案。结果发现，塑料喷丸工艺，由于塑料丸粒质量轻而嵌入深度较浅，因此喷丸后的基体表面较吹砂基体平整，并且喷涂过程中高温焰流可以将塑料丸吹走甚至融化，可有效避免污染物掺杂。喷砂及喷丸工艺参数列于表 2。图 4为不同基体处理工艺的试样金相图。从图4 可以看出，采用塑料喷丸和基体表面无处理的涂层试样，二者基体界面污染物较喷砂处理基体试样的显著减少，说明喷砂过程中砂粒嵌入了钛合金基体中，造成界面污染。2.1.2.3研磨膏影响分析为研究研磨膏是否在抛光过程中渗入界面孔隙而导致界面污染，采用塑料喷丸毛化基体的试样与抛光过程中无研磨膏的试样进行了对比，结果如图 5所示。从图 5可以看出，界面均没有明显的污染，说明污染物并不是研磨膏渗入界面孔隙而导致的污染。（a）CM-66+KF-306；（b）METCO-450NS+KF-306。图 3喷涂粉末影响分析对比图Figure 3Analysis and comparison of the influence of spraying powder表 2喷砂、塑料喷丸工艺参数Table 2Parameters of sand-blasting and plastic peening工艺喷砂喷丸参数砂粒/丸粒白刚玉砂脲醛树脂粒度/m500600500600风压/MPa0.20.50.20.3吹砂距离/mm15020050200吹砂角度/（）60903060喷嘴直径/mm1010（a）喷砂；（b）塑料喷丸；（c）无处理。（a）sand-blasting；（b）plastic-peening；（c）non-treatment.图 4不同基体处理方式分析对比图Figure 4Analysis and comparison of different treatment methods：2.2喷砂工艺优化研究2.2.1喷砂空气压力对界面污染的影响空气压力能够为砂粒提供动能，因此空气压力是造成砂粒滞留基体的重要因素之一。为研究喷砂空气压力对涂层界面污染的影响，设计了 3 种不同空气压力的工艺参数优化试验。喷砂工艺参数及 3种喷砂工艺基础上制备的涂层的金相图分别见表 3和图 6。从图 6 可以看出，随着喷砂压力的增大，界面污染范围逐渐增大，涂层的污染率分别为 2%、8%和 23%，但污染率均在正常范围（25%）以内。根据涂层污染率的变化规律，喷砂的空气压力建议不大于 0.3 MPa，但喷砂空气压力减小后可能会对涂层结合强度造成影响，因此最佳的喷砂吹砂压力为 0.2 MPa。2.2.2喷砂角度对界面污染的影响以一定角度喷砂可分解砂粒冲击基体时的动能，因此喷砂角度也是造成砂粒滞留基体的重要因素之一。为研究喷砂角度对涂层界面污染的影响，设计了 3种喷砂角度的工艺参数优化试验。喷砂工艺参数及 3种喷砂工艺基础上制备的涂层的金相图分别见表 4和图 7。从图 7可见：随着喷砂角度的增大，界面污染范围随之增大，涂层的界面污染率分别为 10%、19%、27%；当喷砂角度为 90 时，界面污染率超过质量检验标准（25%）。因此，建议喷砂角度不大于 60。受零件实际尺寸及形状影响，当喷砂角度不得不大于 60 时，可适当减小喷砂空气压力以减小涂层界面污染率。（a）抛光过程有研磨膏；（b）抛光过程无研磨膏。（a）polishing process with grinding paste；（b）polishing process without grinding paste.图 5研磨膏影响分析对比图Figure 5Analysis and comparison of grinding paste s influences表 3不同空气压力的喷砂工艺参数Table 3Parameters of sand blasting with different air pressures（a）0.1 MPa；（b）0.2 MPa；（c）0.3 MPa。图 6不同喷砂空气压力的涂层金相图Figure 6Metallographic images of coatings with different sand blasting air pressures554靖建农等：大气等离子喷涂镍铬涂层界面缺陷形成分析及工艺调控研究2.2喷砂工艺优化研究2.2.1喷砂空气压力对界面污染的影响空气压力能够为砂粒提供动能，因此空气压力是造成砂粒滞留基体的重要因素之一。为研究喷砂空气压力对涂层界面污染的影响，设计了 3 种不同空气压力的工艺参数优化试验。喷砂工艺参数及 3种喷砂工艺基础上制备的涂层的金相图分别见表 3和图 6。从图 6 可以看出，随着喷砂压力的增大，界面污染范围逐渐增大，涂层的污染率分别为 2%、8%和 23%，但污染率均在正常范围（25%）以内。根据涂层污染率的变化规律，喷砂的空气压力建议不大于 0.3 MPa，但喷砂空气压力减小后可能会对涂层结合强度造成影响，因此最佳的喷砂吹砂压力为 0.2 MPa。2.2.2喷砂角度对界面污染的影响以一定角度喷砂可分解砂粒冲击基体时的动能，因此喷砂角度也是造成砂粒滞留基体的重要因素之一。为研究喷砂角度对涂层界面污染的影响，设计了 3种喷砂角度的工艺参数优化试验。喷砂工艺参数及 3种喷砂工艺基础上制备的涂层的金相图分别见表 4和图 7。从图 7可见：随着喷砂角度的增大，界面污染范围随之增大，涂层的界面污染率分别为 10%、19%、27%；当喷砂角度为 90 时，界面污染率超过质量检验标准（25%）。因此，建议喷砂角度不大于 60。受零件实际尺寸及形状影响，当喷砂角度不得不大于 60 时，可适当减小喷砂空气压力以减小涂层界面污染率。（a）抛光过程有研磨膏；（b）抛光过程无研磨膏。（a）polishing process with grinding paste；（b）polishing process without grinding paste.图 5研磨膏影响分析对比图Figure 5Analysis and comparison of grinding paste s influences表 3不同空气压力的喷砂工艺参数Table 3Parameters of sand blasting with different air pressures项目参数砂粒白刚玉砂粒度24#风压/MPa0.1、0.2、0.3吹砂距离/mm200吹砂角度/（）60喷嘴直径/mm10（a）0.1 MPa；（b）0.2 MPa；（c）0.3 MPa。图 6不同喷砂空气压力的涂层金相图Figure 6Metallographic images of coatings with different sand blasting air pressures555材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期2.2.3喷砂距离对界面污染的影响大气环境下的喷砂距离可影响砂粒对基体的冲击动能，从而造成砂粒滞留在基体中。为研究喷砂距离对界面污染的影响，设计了 3 种喷砂距离的工艺参数优化试验。喷砂工艺参数及 3种喷砂工艺基础上制备的涂层金相图分别见表 5 和图 8。从图 8可见，截面污染范围随着喷砂距离的增大呈现先扩大后不变的趋势，涂层的界面污染率分别为 27%、23%和 23%，界面污染率均超过质量检验标准（25%）。表明，喷砂距离对涂层界面污染有一定影响，但影响不大。2.2.4砂粒粒径对界面污染的影响在空气压力一定的条件下，砂粒粒径的大小决定了砂粒动能的大小。为研究砂粒粒径对涂层界面污染的影响，设计了 3 种不同砂粒粒径的喷砂参数优化试验，喷砂参数及 3 种喷砂工艺基础上制备的涂层的金图分别见表 6和图 9。从图 9可以看出，随着砂粒粒径的减小，涂层界面污染率逐渐下降，分别为 32%、23%和 19%。因此，建议喷砂砂粒粒径以小于 400 m 为宜。表 4不同喷砂角度的喷砂工艺参数Table 4Parameters of sand blasting with different angles项目参数砂粒白刚玉砂粒度36#风压/MPa0.2吹砂距离/mm200吹砂角度/（）30、60、90喷嘴直径/mm10（a）30；（b）60；（c）90。图 7不同喷砂角度对的涂层金相图Figure 7Metallographic images of coatings with different sand blasting angles表 5不同喷砂距离的喷砂工艺参数Table 5Parameters of sand blasting with different distances项目参数砂粒白刚玉砂粒度36#风压/MPa0.2吹砂距离/mm150、200、250吹砂角度/（）90喷嘴直径/mm10（a）150 mm；（b）200 mm；（c）250 mm。图 8不同喷砂距离对涂层金相图Figure 8Metallographic images of coatings with different sand blasting distances2.2.5压缩空气清理时间对涂层界面污染的影响涂层界面污染是由于喷砂过程中砂粒嵌入基体造成的，因此压缩空气清理嵌入砂粒的时间是影响涂层界面污染的重要因素。为研究压缩空气清理时间对涂层界面污染的影响，设计了 3 种不同清理时间的喷砂参数优化试验，喷砂工艺参数及 3 种喷砂工艺基础上制备的涂层金相图分别见表 7 和图 10。从图 10可以看出，随着清理时间的延长涂层界面污染率显著下降，分别为 32%、15%和 5%。表明，压缩空气清理是减少涂层界面污染的有效手段。表 6不同砂砾粒径的喷砂工艺参数Table 6Parameters of sand blasting with different sand grain sizes（a）500600 m；（b）300400 m；（c）100200 m。图 9不同砂粒粒径的涂层金相图Figure 9Metallographic images of coatings with different sand grain sizes（a）0 s；（b）15 s；（c）30 s。图 10不同压缩空气清理时间的涂层金相图Figure 10Metallographic images of coatings with different cleaning times表 7不同清理时间的喷砂工艺参数Table 7Parameters of sand blasting with different cleaning times556靖建农等：大气等离子喷涂镍铬涂层界面缺陷形成分析及工艺调控研究2.2.5压缩空气清理时间对涂层界面污染的影响涂层界面污染是由于喷砂过程中砂粒嵌入基体造成的，因此压缩空气清理嵌入砂粒的时间是影响涂层界面污染的重要因素。为研究压缩空气清理时间对涂层界面污染的影响，设计了 3 种不同清理时间的喷砂参数优化试验，喷砂工艺参数及 3 种喷砂工艺基础上制备的涂层金相图分别见表 7 和图 10。从图 10可以看出，随着清理时间的延长涂层界面污染率显著下降，分别为 32%、15%和 5%。表明，压缩空气清理是减少涂层界面污染的有效手段。表 6不同砂砾粒径的喷砂工艺参数Table 6Parameters of sand blasting with different sand grain sizes项目名称砂粒粒度/m风压/MPa吹砂距离/mm吹砂角度/（）喷嘴直径/mm工艺参数白刚玉砂500600、3004000.22006010棕刚玉砂1002000.22006010（a）500600 m；（b）300400 m；（c）100200 m。图 9不同砂粒粒径的涂层金相图Figure 9Metallographic images of coatings with different sand grain sizes（a）0 s；（b）15 s；（c）30 s。图 10不同压缩空气清理时间的涂层金相图Figure 10Metallographic images of coatings with different cleaning times表 7不同清理时间的喷砂工艺参数Table 7Parameters of sand blasting with different cleaning times项目参数砂粒白刚玉砂粒度54#风压/MPa0.2吹砂距离/mm200吹砂角度/（）60喷嘴直径/mm10清理时间/s0、15、30557材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期3结论通过研究镍铬涂层界面污染原因，优化喷砂工艺参数。（1）镍铬涂层界面污染物主要来源于喷砂过程中的砂粒，其原因在于钛合金基体硬度较低且吹砂压力较大，使砂粒镶嵌于基体中，造成界面污染。（2）在不影响涂层性能的前提下，适当减少喷砂空气压力、减小喷砂角度、减小砂砾粒径和延长清理时间，可降低界面污染，使污染率低至 25%以下。参考文献：1 史周琨，徐丽萍，张吉阜，等.铝合金机匣抗微动磨损涂层材料及其制备工艺研究进展 J.材料研究与应用，2021，15（1）：60-70.2 陶敏.航空发动机热喷涂涂层工艺及金相组织分析方法研究 D.长沙：国防科技大学，2019.3 VASHISHTHA N，KHATIRKAR R K，SAPATE S G.Tribological behaviour of HVOF sprayed WC-12Co，WC-10Co-4Cr and Cr3C2-25NiCr coatingsJ.Tribology International，2016，105：55-68.4 赵素，孙会，祝林，等.超音速火焰喷涂 Cr3C2-25NiCr涂层的制备工艺及组织研究 J.热加工工艺，2014，43（14）：123-126.5 司永礼，王幸福，韩福生，等.热处理对超音速火焰喷涂NiCr-Cr3C2涂层组织及性能的影响 J.热加工工艺，2020，49（8）：136-142.6 赵子鹏，司洪利，李忠盛，等.等离子喷涂与超音速火焰喷涂 NiCr-Cr3C2涂层组织与摩擦磨损性能研究 J.表面技术，2019，48（8）：225-230.7 曹玉霞，黄传兵，杜令忠，等.等离子喷涂 NiCr/Cr3C2-hBN 复合涂层的制备及摩擦性能研究 J.表面技术，2015，44（6）：27-31.8 ARIBOLDI E，ROVATTI L，LECIS N，et al.Tribological and mechanical behaviour of Cr3C2-NiCr thermally sprayed coatings after prolonged agingJ.Surface and Coatings Technology，2016，305：83-92.9 杨柯楠，李海新，魏敏，等.超音速火焰喷涂制备 WC-Co系涂层缺陷形成机理与组织结构调控研究概述 J.材料导报，2022，36（S2）：332-337.10 王超，牛少鹏，黄益聪，等.超音速火焰喷涂 WC-17Co涂层氧化行为研究J.材料研究与应用，2022，16（3）：418-424.11 马玉夺，杨勇，王磊，等.等离子喷涂碳化钛-硅化钛涂层的组织结构与性能 J.材料研究与应用，2022，16（1）：136-141.12 杨康，陈诚，徐国正，等.冶金严苛服役环境中热喷涂技术的应用现状及展望 J.表面技术，2022，51（1）：16-32.13 李长久.热喷涂技术应用及研究进展与挑战 J.热喷涂技术，2018，10（4）：1-22.Analysis of Interfacial Defect Formation and Process Control of Ni-Cr Coatings by Atmospheric Plasma SprayingJING Jiannong1，2，ZHANG Le1，2，WANG Chun1，2，ZHOU Yuan2，YANG Bin2，HAN Jianxing2（1.Science and Technology on Power Beam Processes Laboratory/Aviation Key Laboratory of Science and Technol-ogy on Advanced Surface Engineering，AVIC Manufacturing Technology Institute，Beijing 100024，China；2.AECC Guizhou Liyang Aero-engine Co.，Ltd.，Guiyang 550000，China）Abstract：The pollution ratio of the coating/substrate interface is an important metric to assess the quality of the coating.To address the serious pollution of the Ni-Cr coating interface on the inner wall of a new engine casing manufactured by Liyang Company，the major component of the interfacial pollutant was firstly determined to be Al2O3 by microstructure analysis and phase analysis.Then，multi-factor comparative test was used to reproduce the phenomenon of interface pollution，and the source of pollutants was determined to be the sand remaining on the substrate surface during the sand blasting process，and the optimization of the sand blasting process was carried out based on the size and shape of the parts.Results show that sand grits with higher kinetic energy will embed into the substrate with lower hardness and cause interfacial contamination.Reducing the kinetic impact energy of the sand grits and increasing the cleaning time can effectively reduce the contamination rate at the coating/substrate interface.Keywords：plasma spraying；Ni-Cr coating；interface pollution；process optimazation（学术编辑：褚欣）558