高钽MCrAlY粉末及涂层组织性能研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 高钽M C r A I Y 粉末及涂层组织性能研究 田玉亮，胡敦芫，许根国，杨晓剑，任先京 北京矿冶研究总院．北京1 0 0 0 4 4 摘要采用S E M 、X R D 等研究手段观寨分析了高钽M C r A I Y 粉末、涂层形貌、相结构，井测定了H V O FT 艺喷涂的该涂层的结合强度．试验结果裹明粉末呈球状，剖面显示含有未熔的T a 片。橱末主要古o - C r 同溶体、N i 基固溶体、微量的N i 3 A 【；涂层组织涂层较致密，由N i 3 A I 、T - N i 基圊溶体组成；与唇外同类粉 末相比潦屡的结合强度无多太差剐。 关t 甸M C r A I Y ；H V O F ；防护涂层 中围分类号T G l 7 4 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 { 2 0 0 7 I S O 一0 0 1 1 0 3 S t u d yo nH i g hT a - c o n t a i n i n gM C r A I YP o w d e ra n d M i e r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t yo fC o a t i n g T I A NY u l i a n g ，H UD o n g - y u a n 。X UG e n g u o ，Y A N GX i a o - j i a n ，R E NX i a n - j i n g a e i j m gG e n i a lR e s e a r c hI n s t l t m c “M i n l n g ＆M e t M l u r g y 。B e l j l n g1 0 0 0 4 4 ，C b t m A b s t r a c t M o r p h o l o g yo fh i g hT a - e o n t a i n i n gM C r A l Yp o w d e ra n dc o a t i n g ，p h a s es t r u c t u r e 。b o n ds t r e n g t hw e r e o b s e r v e da n da n a l y z e db ym 目t l l So fS E M ＆X R D ．T h er e s u l t ss h o w m o r p h o l o g yo fp o w d e rd i s p l a ys p h e r i c i t y a n dT aa 1 1 0 ye x i s ti nC l | I O S 5s e c t i o n ；p 础c o n s i s to ft w op h a s e sa - C ra n d7 - N i ；t h e r ei sac o m p a c t e do o a d n ga n d 妇 N b A l 、} N ie t a lp h a s e s ；t h ed i f f e r e n c eo fb o n ds t r e n g t hi sn o to b v i o u sb e t w e e nd a m s c i ca n df o r e i g ne o d t i n g ． K e y w o r d s M C r A I ．Y ；H V O F ；P r o t e c t i v ec o a t i n g M c 洲Y 作为一种高温防护涂层在航空发动机 众多部件得到了广泛应用[ 1 - 2 】，在烟气轮机、燃气 轮机也得到了广泛应用口J ．但是所用的M C r A l Y 中 不含T a 或含T a 含量非常少。汪林的研究表明 M C r A I Y 中T a 含量不应超过5 ％【4 】。但是在国外高 T a 含量在1 0 ％ 国外钢铁行业的炉辊上得到了广 泛用在。在国内宝钢等钢厂采用爆炸喷涂工艺得到 了应用．基于此，本文研究了高T a 的M c f 越Y 粉末 以及采用H V O F 工艺喷涂的涂层组织、力学性能。 1 试验材料及方法 合金成分仿国外L C O - 1 7 ．粉末采用真空雾化工 艺制备，粉末粒度一0 ．0 5 3 0 ．0 3 7m m ，粉末实测 成分 ％ N i2 3 ．1 8 、C r2 5 ．8 9 、A I7 ．5 2 、T a9 ．4 2 、Y 作者筒介田玉亮 1 9 7 9 一 ．男．山西人．工程师．礤士 0 ．4 5 、S i0 ．5 6 、C o 余量，喷涂采用H V O F 工艺．基材 选用常用的4 5 号钢。具体的喷涂工艺参数0 2 压力 0 ．5 5M P a 、0 2 流量4 8 3L ／m i n 、丙烷压力0 ．4M P a 、 丙烷流量4 2L ／r a i n 、载人气N 2 压力0 ．4M P a 、喷涂 距离2 0 0 m m 。 ’ 2 试验结果与分析 2 ．1 粉末形貌以及成分分析 粉末成球状．与国外粉末相比，粒度分布范围较 宽．且粉末粒度较均匀 图l a ，国外特别是S u l z e r M e t c o 公司生产的粉末，细粉含量较多。从粉末剖 面可以看出粉末呈铸态．某些部位存在白色组织 图 t h ，经能谱分析，发现该组织中含有大量的T a ．可 能是雾化过程中未熔的T a 片。为了异清T a 的来 万方数据 1 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 源。特取了粉末雾化前夕液态 铸态 M c r ～Y ，利用 S E M 以及面扫描分析了该铸态组织中T a 元素的分 布，扫描的结果如图2 所示，可以看出铸态组织中也 存在一些未熔的白色组织，该组织中含有大量的 T a ，即粉末中存在未熔T a 原因是在熔炼过程中由 于T a 的熔点较高，未能完全熔化。 图l 研制粉末形貌 F i g ．1M o r p h o l o g yo fp o w d e rd e v e l o p e d 图2 铸态M C r A I Y 中T a 元素面扫描 F i g ．2 T ae l e m e n tm a po fa s - e a s tM C r A I Y X - R a y 分析结果显示该粉末主要由两相组成 图2 ．2 涂层组织成分 3 ，含N i 、C 。、n 等元素的十C r 固溶体，和N i 基固溶图4 - 6 显示的是涂层组织以及涂层中不同部 体，也存在少量的N b m 析出相，与粉末削面相对比位的成分．从图4 a 可以看出，涂层较致密，与基材结 可以明显看出粉末中析出相几乎不存在，但是削面中合较好，基本上与基材融合为一体，无明显的扩散 确实存在未熔的矗片，X - R a y 未能分析出来。总之，层；但是涂层中仍分布一些微孔，仍有一些未熔颗粒 雾化粉末中存在的组织为a - C r 固溶体、N i 基固溶体、 的存在，但与基材基本呈咬合状态 图4 b ，这是因 微量的N b A l 以及雾化过程中未熔的h 片。为由于H V O F 工艺高温高速致使粒子流与基材呈 ■N j 基同溶体 ▲n 固溶体 I I _ 址⋯。． 。⋯．． ⋯墨。 1 0∞∞4 0 5 0 6 07 0鲋q 卸／ 。 圈3 高钽M C r A I Y 粉末X R D 分析 F i g ．3 X R D a n a l y s i so fh i g hT a c o n t a i n i n g M C r A I Yp o w d e r 半熔融结合．此外，基材喷砂处理也导致基材表面凹 凸不平。使粒子易于结台。即呈咬合分布状。为了 研究涂层中组织的变化，特用能谱分析了涂层不同 部位的成分，具体分析结果见图5 ，从图5 可以看 出，涂层基体组织基本是含T a 、c r 等元素的N i C o 基固溶体，但能谱未显示涂层中含有N j 灿的迹象， 特别的是涂层中仍含有白色物，见图6 ，经能谱分 析，显示该组织为T a ，可以看出T a 由于熔点高。致 使其从熔炼到喷涂一直存在，具有一定的遗传性，其 分布在涂层的组织呈波浪状，但是在与基材结台处 未曾发现，总之，涂层的组织形态与文献中所述的基 本无多大区别”J 。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊1 3 图4 涂层形貌 F i g ．4M o r p h o l o g yo fM C r A I Yc o a t i n g T a f c r C o 绽“慨卫 B 缓扎舡 图5 涂层不同部位能谱分析 F i g ．5 E D Sa n a l y s i so fd i f f e r e n ta r e ai nc o a t i n g 图6 涂层中自色组织形态及能谱分析 F i g ．6M o r p h o l o g ya n dE D Sa n a l y s i so fw h i t e m i c r o s t r u c t u r ei nc o a t i n g ▲ _- k J ．。hu j L 上L 九0 j 。 1 02 0鲫4 05 06 07 0蛐帅 2 0 “。 图7 高钽M C r A I Y 涂层相分析 F i g 7X - R a ya n a l y s i so fh i g hT a c o n t a i n i n g M C r A I Yc o a t i n g 图7 显示的是涂层的相结构。结果显示涂层中 存在的主要相仍为N b A l 、y - N i 基固溶体，这与文献 中阐述的一直，但与粉末的X - R a y 相比。涂层中 N ；3 A I 相明显增多，可能的原因是在喷涂过程中由 于高温的缘故N i 与～发生了化学反应．又由于M 原子数与A l 原子数比例大于3 1 ，因此在喷涂过程 中优先形成N 1 3 A I 相。 2 ．3 涂层性能 为了研究该涂层的结合强度。同时为了与国外 同类型的C o N i C r A I Y 粉末做比较，考察T a 元素对 涂层力学性能的作用，特选用国外A M D R Y 9 9 5 4 粉 末作了比较，二者的区别在于T a 含量的不同，国产 的含高T a ，国外的不含T a 。3 次结合强度测试结 果国产分别是5 0 ．9 6 、5 1 ．9 3 和3 1 ．1 7 M P a ；国外分 别是4 3 ．7 8 、4 6 ．0 9 和4 5 ．8 3M P a 。从结合强度平均 水平看。二者没有多大区别，但是从国产前两次的结 合强度而言。其要优于国外粉末．国内相关文献[ 4 1 也报道，随着T a 含量和Y 含量的增加，涂层的结合 强度和抗热震性能要显著提高。具体T a 含量对涂 层结合强度的影响机理有待进一步研究。 下转第2 l 页 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 2 1 由于N i c r 台金黏度大。水雾化时冷速快。雾化 时N i c r 台金液滴在表面张力作用下的球化速度远 远小于冷却速度，所以粉末呈现不规则形状．表面凹 凸不平。N i C r 台金中加入微量A 时．可以明显降低 合金黏度，提高台金的表面张力，水雾化时球化速度 加快，所以粉末随A 含量的增加，球形度明显增加。 3 结论 微量的A 能够提高N i C r 台金粉末的球形度， 进而显著提高粉末的流动速度和松比。当N i C r 合 金中A 含量在0 ～0 ．2 ％时，粉末的流动速度和松比 随A 台量的增加而直线增加．当A 含量 0 ．2 ％ 时，这种影响变缓。 上接第1 3 页 3 结论 高钽M c r A l Y 粉末呈球状，剖面显示含有未熔 的T a 片。粉末主要含e - C r 固溶体N i 基固溶体、微 量的N i 3 A 1 ；涂层组织涂层较致密，由N i A J 、7 一N i 基 固溶体组成；与国外同类粉末相比涂层的结合强度 无多大差别。 参考文献 [ 1 ] B a u f d dB ，M ．S c h n q c k e r ．M i c m s t c m r a le v o l u t i o no fa N i C o C r A l Yc o a t i n gO na nI N l 0 0s u b s t r a t e [ J ] ．S u r f a c e ＆ C o a t i n g sT e c h ．, d o g y ，2 0 0 ．5 ，1 9 9 4 9 5 6 ． [ 23 J u r g e aM ．D i e t e xN ．E f f i c i e n c yo fa ．a l u m i n aa 3d i f f u s i o n b a r r i e rb e t w e e nb o n dC O a ta n db u l km a t e r i a lo fg a st u r h ／a e b h d o [ J ] ．V a c u u m ，2 0 0 3 ，7 1 2 4 7 2 5 1 ． [ 3 ] 孙金寅，叶瑞曾，吴和元，等．烟气轮机肪护涂层的研究 及应用[ J 】．石油化工设备技术，1 9 9 6 ，1 7 3 7 4 0 ． C 4 ] 汪林。黎建，宋铂，等．不同钽音量的钻镍铬铝钇涂层舍 金的氧化动力学[ A 】，，．第六届垒国高温舍金会议论文 集[ c ] ，北京冶金工业出版社，1 9 8 6 5 7 5 5 7 7 ． 【5 ] u as h u s ∞．S o n gJ i 删，Z h o uC h u n g e n ．M i c m s t m c t u r e e v o l u d o ao fN i C O C r A I Yo v e r l a yc o a t i n ghN i 3 A tb 缸e d 丑1 ． t o y1 0 6t u r b i n ev a n ed u r i n gl o n gt e r me n g i n et e s t [ J ] ．I n t e t m e t a l l i c a ．2 0 0 5 ，1 3 3 0 9 3 1 4 ． 上接第1 5 页 3 结论 霎詈差言篇鬻嚣羹兰霁誓誓善薯誓囊姜 通过新型表面活化剂的添加可以显著提高石墨可靠的方法。 万方数据