真空雾化CoCrAlTaY热喷涂粉末的特性及其涂层的结合强度.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊 2 5 真空雾化C o C r A l T a Y 热喷涂粉末的特性 及其涂层的结合强度 胡敦芫，陈美英，于月光，曾克里，任先京，王虎年 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要采用真空雾化制备了C O C r 舢T a Y 高温合金粉末。结果表明该合金粉末呈球形，粉末粒度呈近正 态分布，粉末由C o A l 、7 、C r 2 7 Q 和T a C 相组成；合金粉末涂层与基体结合良好，其结合力达到5 2M P a 。 关键词C o C r A i T a Y 合金；真空雾化；粉末特性；涂层；结合强度 中图分类号T G l 3 2 ．3 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 S O 一0 0 2 5 0 3 C h a r a c t e r i s t i c so fC o C r A I T a YT h e r m a lS p r a yP o w d e ra n d A d h e s i v eS t r e n g t ho fC o a t i n g H U D u n - y u a n ，C H E NM e i y i n g ，Y UY u e - g u a n g ，Z E N GK e - l i ，R E NX i a n j i n g ，W A N GH u n i a n B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t C o C r A l T a Ya l l o yp o w d e r sh a v eb e e np r o d u c e db ym e a n so fg a sa t o m i z a t i o nt e c h n i q u e ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ep o w d e rm i c r o s t r u c t u r ei sc o m p o s e do fC o A l 、丫、C r 2 7 c 3a n dT a Cp h a s e sa n dt h em e a ns i z eo fp o w d e r si s4 8k t mw i t han e a r l y s p h e r i c a lm o r p h o l o g y ．T h ea d h e s i v es t r e n g t ho fc o a t i n gb yd e t o n a t i o ng u ns p r a y i n g i su pt o5 2M P a ． K e y w o r d s C o C r A l T aa l l o y ；V a c u u mm e l t i n gg a sa t o m i z a t i o n ；P o w d e rc h a r a c t e r i s t i c s ；C o a t i n g ；A d h e s i v e s t r e n g t h 在现代航空工业中，为了提高发动机单位推力、 提高推重比，要求燃气涡轮能够在更高的环境温度 下工作。目前，先进航空发动机的工作温度已达 11 0 0 ℃以上，接近高温合金的极限，有效解决这个 问题的办法是在合金表面涂覆具有耐高温性能的保 护涂层[ 卜2 | 。要获得这样的涂层制备高性能粉末 是相当关键的。真空雾化M C r A l T a Y M 代表N i ， C o 或其合金[ 2J 合金粉末具有粒度细、类球形和成 份均匀以及高温性能优良等特点，使这种粉末喷涂 后所形成的M C r A l T a Y 涂层具有很好的抗高温氧 化和抗热腐蚀性能【3 。6 ] 。本文主要探讨C o C r A l ． T a Y 合金粉末的特性以及涂层与基体的结合强度。 作者简介胡敦芜 1 9 6 4 一 ，男，江西人，高级工程师，工学博士 1实验方法 C O C r A l T a Y 合金粉末是由自制的真空雾化装 置制备的。该设备容量为5 0k g ，I G B T 一1 0 0k W 的 电源，真空度达到1 0 _ 3P a 。制备该合金粉末的技术 参数环缝限制式喷嘴、雾化介质为纯氩气、雾化压 力2 ．8M P a 、雾化温度16 0 0 ℃、导流管直径7m m 。 利用H I T A C H IS 一3 5 0 0 扫描电镜观察合金粉末形 貌和粉末剖面情况，用J L 一1 1 6 6 型激光粒度测试仪 测定合金粉末粒度分布，利用P H I L I P SA P B 一1 0 型 x ．射线衍射仪研究粉末的相组成，合金粉末的化学 成分 ％ C r2 5 ．5 、A l7 ．9 、T a9 ．8 、Y1 ．0 、S i0 ．6 、C 1 ．9 、C o 余量。 本试验涂层制备采用枪的型号为D N B 一3 爆炸 万方数据 2 6 有色金属 冶炼部分2 0 0 6 年增刊 喷涂，喷涂的基体材料成分 ％ C r2 3 ．5 、N i 1 8 ．9 7 、S i1 ．1 1 、M n0 ．9 1 、W0 ．1 6 、M o0 ．1 2 、F e 余 量。喷涂工艺参数氧气压力0 ．4M P a 、氧气流量 1 2m 3 ／h 、乙炔压力0 ．2M P a 、乙炔流量1 0I T l 3 ／h 、氮 气压力0 ．2M P a 、氮气流量1 ．2r n 3 ／h 、空气压力0 ．2 M P a 、空气流量1 8m 3 ／h 、一次喷涂厚度0 ．4 肚m 、爆 炸频率0 ．2 5H z 、炮距1 7 0m m 、炮行走速度5 0 0 m m ／m i n 、粉末粒度一5 3 ～ 5 肛m 。 2实验结果与分析 2 ．1 合金粉末的粒度分布 图2 真空雾化C o C r A I T a Y 的显微组织 图1 为C o C r A J T a Y 合金粉末 一5 3 ～ 2 5 耻m F i g 2 M i c r o s t r u c t u r eo fC o C r A I T a Yp o w d e r 的粒度分布曲线。可以看出，真空雾化制备的该合 以T a C 的形式存在，图中最强峰是由基体C o 形成 金粉末的粒度呈近正态分布，其平均粒径约为4 8 的C o A l 相，其它强峰对应的主要相有7 、C r 2 7 C 3 和 肛m 。，其细粉组织为细小的胞晶结构 图2 。气体T a C ，在图示2 0 为4 7 4 8 。 处发生了C r z 7 C ，3 和T a C 雾化制备合金粉末是一个受诸多因素影响的复杂的 的叠加。 物理化学过程，雾化喷嘴结构、雾化介质、雾化温度、 雾化气体压力、导流管直接、合金熔液的质量流与雾 化气体的质量流之比 质流比 。其中，合金熔液与 雾化气体的质流比对合金粉末粒度的影响是最显著 的，一般质流比越小合金粉末就越细[ 3 l 。根据实际 使用效果，并不是合金粉末越细好。通常质流比控 制在0 ．5 左右。 美 、 豁 惫 虹 图1C o C r A I T a Y 合金粉末的粒度分布 F i g ．1 S i z ed i s t r i b u t i o no fC o C r A I T a Yp o w d e r 2 ．2 合金粉末的形貌及其结构组成 图3 为C o C r A I T a Y 合金粉末的S E M 形貌，可 以看出真空雾化的该合金粉末为球形，且球形度很 好，这就大大地提高了合金粉末的流动性及松装密 度，流动性好保证了在喷涂过程中喷枪的送粉稳定， 以获得质量高的涂层，由于该粉末是在全系统的真 空设备下制备的，材料的真密度大，粉末的球形好， 则松装密度大 4 ．2 6g ／c m 3 ，流动性好 2 1 ．2s ／ 5 0 9 ，喷涂时粉末的沉积速率高。图4 为该合金粉 末的X 一射线衍射曲线，结果表明，合金组元T a 主要 图3 真空雾化C o C r A I T a Y 粉末的形貌 F i g ．3 S E Mm e t a l l o g r a p ho fC x 心A I I h Yp o w d e r 7 0 0 6 0 0 5 0 0 ∽水J o 山 U 3 0 0 2 0 1 1 x l 【 Z U U4 Uh U6 U7 0珏U 灿1 0 0 l I Ul Z 0 2 0 ／ o 图4C o C r A I T a Y 合金的X ．射线衍射曲线 F i g ．4X r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n o fC O C r A l T a Yp o w d e r 2 ．3 爆炸喷涂涂层与基体的结合强度 图5 为爆炸涂层纵截面形貌，图中上半部分为 涂层，层与层之间结合紧密，涂层与基体之间”咬合” 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年增刊2 7 情况比较好。涂层的结合强度达到5 2M P a 。加入 的稀土Y 活性较高，可以使得涂层中的杂质元素在 晶界的偏聚程度降低，改善了晶界状态，强化了晶 界，增大了界面结合力，从而提高了基体与涂层之间 的结合强度。另外，稀土Y 表面活性较强，它可以 降低喷涂熔滴的表面张力，减少涂层内应力，从而提 高结合强度。 国内某喷涂公司使用我们的C o C r A l T a Y 合金 粉末应用于钢铁公司中的退火炉辊，使用效果很好。 3结论 1 真空雾化制备的C o C r A l T a Y 合金粉末 一 5 3 ～ 2 5 t z m 呈近正态分布，平均粒径约4 8 _ u m ； 2 C o C r A I T a Y 合金粉末由C o A l 、- ／、C r 2 ，c 3 和 T a C 相组成，显微组织为均匀细小的胞晶结构； 3 C o C r A l T a Y 合金粉末涂层与基体结合良 好，结合力达到5 2M P a ，能满足实际使用要求。 参考文献 图5 爆炸涂层形貌 i n g si nt h eg a st u r b i n e [ J ] ．S u r f a c aa n dc o a t i n g st e c h n o l o F i g ．5M 唧h o l o g yo fd e t o n a t i 蚰g 衄 g Y ，1 9 9 4 ，6 8 ／6 9 卜8 - s p r a y i n gc 。a t i n g ‘3 1L e eD G ，J 。h n 8 D n ’A n ．i n v e s t i g a t i o n o fa C o N i c L 触_ ⋯。尊圭登∑登有量耋曼套皂兰中登璺竺型 嘶o v e r l a n y 嘲c o a t 。i n 删ga n ，d ，j ‘ d M a f i ％o n 搠b e h 2 a v 瑚i o r 。b 3 y 肛m ， 的化合物，起弥散强化、细化晶粒的作用。同时有资。。，。 。 料‘7 1 报道A I 的加入，是为了使C o C r A l T a Y 涂层在 【4 ] 嘶hN ，K o l a r i kV ，Q u a d a k k e r sJ ，e ta 1 ．o 试d el a y e r 高温及氧化的条件下形成保护性的业0 3 膜，保护 p h a S es t r u c t u r eo fN i C r A I Yc o a t i n g S [ J ] ．s u r fE n g ，1 9 9 7 ， 基体，防止其被氧化；加入C r 不仅可改善涂层抗热腐1 3 5 3 8 4 3 8 8 ． 蚀性能，而且能促进鸽Q 膜的形成；T a 的加入是为 [ 5 ] L i hW ，C h a n gW ，C h a oCH ，e ta 1 ．E f f e c to fp r e a l u m i n i z a 一 了提高涂层的高温强度，T a 是固溶于基体相中的硬t i o n o nt h ep r o p e r t i e so fZ r 0 3 8 ％Y 2 0 3 ／C o 一2 9 C r 6 A I 一 质相，在涂层中起固溶强化的作用，颜色较浅相为T a 1 Y t h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g s [ J ] O x i d M e t ，1 9 9 2 ，3 8 1 1 2 及西和Y 的固溶体；Y 的加入起活性元素效应，不仅 “ 一“钆 竺篓亨苎竺量竺量竺间竺薰竺妻，兰可以消除由要№1 裟霎纛蠹蒿竺襄三篙} 艺探柏1 空位聚合而形成的空洞。由此可知，由C o C r A l T a Y 粉 [ 7 ] 李美拴- I - - r ．1 ．．茹“；；吾蚀[ 品．；E 某冶金主业出版社， 末喷涂后形成的涂层具有很好的性能。 2 0 0 1 4 3 0 一4 3 2 ． 万方数据