等離子噴涂鎳鉻鋁釔涂層工藝研究

張彥飛

摘 要：渦軸16發動機上有種零件需要采用等離子噴涂技術制備鎳鉻鋁釔抗高溫氧化涂層。文章研究了等離子噴涂工藝參數對鎳鉻鋁釔涂層性能的影響，噴涂了試驗件。涂層最終通過特種工藝鑒定并應用于渦軸16發動機。

關鍵詞：等離子噴涂；鎳鉻鋁釔涂層；渦軸16發動機

1 概述

渦軸16發動機（WZ16）為哈爾濱東安發動機（集團）有限公司與法國透博梅卡（Turbomeca）公司合作研制的國際第四代先進民用渦軸發動機。中方負責研制生產的一種零件需要采用等離子噴涂技術制備鎳鉻鋁釔（NiCrAlY）涂層。鎳鉻鋁釔涂層屬于抗高溫氧化涂層，可耐800～1100℃的高溫，在高溫下能形成致密的氧化物保護膜以保護基體金屬不被氧化，并避免環境介質的腐蝕。抗高溫涂層一般同時具備抗高溫氧化、抗高溫腐蝕及抗高溫磨損性能。在鎳鉻合金中加入鋁可在高溫下形成Cr2O3與Al2O3的復合氧化物薄膜，這層薄膜十分致密，韌性好，附著牢固，熔點高，高溫化學穩定性好，具有優異的抗高溫氧化性能和抗熱震性能。Y為對氧反應活性元素，合金中加入少量的釔，可以改善鉻和氧化膜結構及結合性能，增加Cr2O3、Al2O3膜的韌性。

噴涂采用的粉末為美科公司的Amdry962粉末，該合金粉末的名義成分為Ni22Cr10Al1Y，粉末的形貌如圖1所示，粉末的粒徑為-75+45μm，該球形粉末流動性比較好，送粉順暢，比較適合等離子噴涂工藝的應用。采用該粉末制備的鎳鉻鋁釔涂層結構致密、結合強度大、耐腐蝕和氣蝕，抗氧化性能優良。常用作高溫耐熱涂層，也可作為熱障涂層的粘接底層。

圖1 等離子噴涂所用的鎳鉻鋁釔粉末表面形貌

2 結果與討論

對鎳鉻鋁釔粉末的噴涂工藝參數進行優化，研究等離子噴涂工藝參數與鎳鉻鋁釔涂層的組織和結構的相互關系。涂層需要通過金相顯微鏡檢查涂層的微觀組織結構，測試涂層的顯微硬度，涂層需通過杯突試驗，需要對涂層進行拉伸試驗以測試涂層的結合強度。

等離子噴涂工藝參數中最關鍵的是噴涂功率和送粉量，兩者是決定粉末熔化效果的最關鍵因素。研究噴涂功率、送粉量對涂層硬度的影響，每個試片噴涂20遍，結果見表1。從表1可以看出，1號至4號試片的鎳鉻鋁釔涂層的沉積效率隨噴涂功率的提高而提高，特別是1號至3號，盡管送粉量由21%減少到10%，涂層的沉積效率依然提高。說明噴涂功率增大后粉末的熔化效果更好，涂層的沉積效率因而提高。通過試驗可以發現NiCrAlY粉末的熔點較高，因此沉積效率（5～24μm/遍）較其他低熔點粉末的沉積效率低。1號涂層過薄，無法測量硬度。從2號至4號試片硬度測量結果可以看出，功率提高時熔化效果更好，鎳鉻鋁釔涂層的硬度也提高。比較4號和5號可以看出，功率增大到一定程度時，增加送粉量會降低涂層的硬度。從表1的試驗結果可以看出，NiCrAlY粉末的熔點較高，應該采用大功率才能提高涂層的沉積效率。5號樣品的噴涂功率較大，涂層沉積效率最高，制備出的涂層硬度滿足技術指標要求（Hv0.3≥200）。

圖2 鎳鉻鋁釔涂層的表面形貌（a）和截面金相照片（b-c）。

圖2a給出了5號試片涂層的表面形貌，元素分析表明粉末熔化效果較好、鋪展效果較好的表面平整區的主要成分為NiCrAl，而表面灰色區域為合金氧化后的NiCrAlY的氧化物。圖2（b-c）給出了5號試片涂層的截面金相照片，其中致密區域為NiCrAl合金，黑色區域為NiCrAlY氧化物，氧化物中Al的含量稍高，說明Al優先被氧化。

以上試驗表明5號樣品的涂層硬度及微觀組織結構滿足技術指標要求。采用此參數制備試片及試棒進行杯突試驗及結合強度測試，測試表明杯突試驗結果合格，涂層的結合強度滿足技術指標要求（≥35MPa）。

圖3 經鏜刀加工后的進氣機匣表面NiCrAlY涂層

為了測試鎳鉻鋁釔涂層的機加性能，噴涂了進氣機匣試驗件的內徑，之后用鏜刀加工至目標尺寸，發現去除涂層表面粗糙層后露出光滑的表面，呈現金屬光澤（圖3），無金屬掉渣、涂層脫落等現象，鏜刀加工也表明鎳鉻鋁釔涂層的機加性能良好，光度滿足技術指標要求。

3 結束語

研究了等離子噴涂的電流、電壓、送粉量等工藝參數對涂層沉積效率、硬度、結合參數的影響，經參數優化確定了等離子噴涂鎳鉻鋁釔涂層的工藝參數，制備出的涂層性能滿足技術指標要求。采用優化的噴涂工藝參數制備試驗件，經機加證明涂層的機加性能良好。涂層經特種工藝鑒定后投入正式生產，涂層質量穩定可靠。