等離子噴涂CoMoCrSi涂層性能及其在航空發動機中的應用

艾鵬，劉軍和，孫穎，鄒卓，張眸睿

1.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 遼寧沈陽 110043

2.中國人民解放軍空軍裝備部駐沈陽第二軍代表室 遼寧沈陽 110043

1 序言

CoMoCrSi涂層是一種含高Co、Mo、Cr的合金涂層，具有優異的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損性能。其中，Co作為基體保證了涂層的韌性，Mo、Cr的加入形成了均勻分布的Lves相，可獲得發揮高硬度、高熔點涂層（涂層使用溫度高達800℃）[1-4]。該涂層作用于零件表面，可有效提升零件的力學性能及使用壽命，多作為表面強化或尺寸修復用，在機械、石油、化工及航空航天等領域備受青睞[5，6]。CoMoCrSi涂層的制備方式有多種，如超音速噴涂、爆炸噴涂、等離子噴涂、堆焊和激光熔覆等。在眾多涂層制備方式中，等離子噴涂在保證涂層高性能的同時，兼具生產成本低、制備效率高的優點，因而應用更為廣泛[7-9]。

本文以Co-28Mo-17Cr-3Si粉末為例，采用瑞士美科公司生產的Multicoat型等離子噴涂設備進行了涂層制備，并對涂層性能進行了表征，最后在航空發動機典型零件上進行了工程化應用。

2 試驗

2.1 試驗材料

試片基體材料選用GH4169高溫合金鋼。用于檢測涂層顯微組織的試片尺寸為40mm×20mm×2mm，檢測涂層結合強度的試片尺寸為φ25mm×2mm，檢測涂層硬度的試片尺寸為50mm×30mm×3.5mm。

試驗采用的原材料粉末為北京礦治集團生產，粉末化學成分見表1。粉末中含有很高的Co、Mo、Si元素，使其能在相當寬的溫度范圍內保持良好的耐磨、耐蝕和抗擦傷性能。掃描電鏡下Co-28Mo-17Cr-3Si粉末形貌如圖1所示。從圖1可看出，粉未為均勻的球形或近球形顆粒。

圖1 Co-28Mo-17Cr-3Si粉末形貌（200×）

表1 粉末化學成分（質量分數） （%）

2.2 涂層制備

分別在各種試片上進行等離子噴涂Co-28Mo-17Cr-3Si涂層。噴涂前，采用丙酮對試片逐一進行清洗除油，然后用60目白剛玉對試片表面進行吹砂粗化，風壓為0.4MPa，角度為75°。吹砂后采用壓縮空氣將試片表面浮灰及殘留砂礫吹除徹底。最后進行噴涂，采用Multicoat型等離子噴涂設備，F4MB90-XL型噴槍，噴嘴直徑6mm。等離子噴涂工藝參數見表2。

表2 等離子噴涂工藝參數

3 涂層性能測試及結果

3.1 外觀與顯微組織

制備好的涂層外觀如圖2所示。涂層呈均勻的灰色，無裂紋、剝落、分層和邊緣翹起等缺陷。將試片切割、打磨、拋光后置于光學顯微鏡下觀察涂層截面顯微組織，其典型視場如圖3所示。涂層組織均勻，由金屬相及細微的氧化物組成，無未熔顆粒。根據HB 20195—2014《熱噴涂涂層金相檢驗》規定，采用對比法對涂層中孔隙率進行分析，孔隙率≤2%。在光學顯微鏡下測量，涂層孔隙最大尺寸≤15μm，氧化物分散且細小，分布有少量團狀氧化物，最大尺寸≤50μm。

圖2 制備態涂層外觀

圖3 涂層顯微組織典型視場（200×）

3.2 硬度

用220#砂紙將制備好的涂層試樣（涂層厚度為0.39mm）表面打磨光滑，并置于洛氏硬度計下，按HB 5168—1996《金屬布氏硬度試驗方法》規定，選取5個不同位置點進行硬度檢測，結果見表3。涂層硬度平均值為83.6HR15N。

表3 涂層不同位置硬度 （HR15N）

3.3 結合強度

3個結合強度試樣的涂層厚度分別為0.36mm、0.35mm、0.37mm。按照HB 5476—1991《熱噴涂涂層結合強度試驗方法》執行，采用FM1000膠將試樣與拉伸試棒進行粘結，加熱固化后安裝于萬能拉伸機上。以1mm/min的恒定速率施加載荷對試樣進行拉伸，直到涂層發生斷裂。涂層拉斷面形貌如圖4所示，斷裂位置均發生在涂層內部，3次測試結果均有效。涂層拉伸測試結果見表4，經計算，涂層結合強度平均值為40.5MPa。

圖4 涂層拉斷面形貌

表4 涂層拉伸試驗結果 （MPa）

3.4 彎曲性能

彎曲試樣涂層厚度為0.15mm，將試樣以10°/s的速度繞直徑12.7mm的芯棒彎曲90°并保持10s。彎曲后涂層表面狀態如圖5所示。從圖5可看出，3組試片在彎曲應變集中區域均出現了局部細小裂紋，無涂層剝落現象。這是由于涂層硬度高、塑性差特性導致的，但由于涂層與基體結合良好，因此并未出現剝落現象。

圖5 彎曲后涂層表面狀態

4 零件噴涂

基于以上試驗結果，在某型航空發動機定位桿上進行了等離子噴涂CoMoCrSi涂層工程化應用。噴涂前對零件非噴涂區域采用耐高溫壓敏膠帶進行了保護，由于噴涂時焰流溫度較高，為了防止零件過熱及壓敏膠帶燒損，在零件周圍加設了冷卻風。采用ABB機械手持槍對零件進行了自動化噴涂，噴涂及機加工后零件涂層局部形貌如圖6所示。

圖6 噴涂及機加工后零件涂層局部形貌

由此可見，噴涂后零件上涂層狀態良好，厚度均勻，無裂紋、剝落、分層和邊緣翹起等缺陷，涂層磨加工后未出現開裂、剝落等現象，符合使用要求。CoMoCrSi作為耐磨涂層，可用在800℃以下工作的多種類型零件上，如盤、軸、桿、機匣等，能有效抵抗零件工作時發生的各種摩擦磨損，使零件使用壽命大大提高。此外，在發動機經過一個周期的使用后返修時，只需將零件上涂層去除再重新制備即可使用，相較于替換新零件，可有效降低發動機修理成本。

5 結束語

等離子噴涂的CoMoCrSi涂層結合強度好、硬度高，且涂層孔隙率小，團狀氧化物少。作為耐磨涂層，可廣泛應用于航空發動機易磨損部位，能有效保護零件，提高零件的使用壽命，并降低發動機修理成本。