爆炸喷涂Cr3C2-35NiCr涂层的组织及性能研究

崔永静，孙晓萍，陈斌，郭孟秋，汤智慧

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015; 3.北京新立机械有限公司，北京 100039)

热喷涂技术制备Cr3C2-NiCr涂层可以显著提高零部件的磨损、冲刷、燃气腐蚀性能，最高使用温度可达900℃，广泛应用于航空发动机、地面燃气轮机、汽轮机及泵轴部件防护[1-3]。

涂层的性能主要依赖于喷涂粉末、工艺和喷涂参数。常用的喷涂粉末主要Cr3C2-20NiCr及Cr3C2-25NiCr等，其中NiCr为粘结相和Cr3C2为硬质相。喷涂过程中NiCr相受工艺影响产生一定非晶化转变，Cr3C2相在高温下发生脱碳反应生成Cr7C3或Cr3O2相，组织结构的转变在一定程度上影响涂层的性能。

目前，制备Cr3C2-NiCr涂层常用的喷涂工艺有爆炸喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂等。目前工艺研究的重点主要集中于超音速火焰喷涂技术，由于受到美国等发达国家对爆炸喷涂技术的垄断，爆炸喷涂技术制备Cr3C2-NiCr涂层的研究较少，但应用非常广泛。如美国ELLIOTT 公司生产的10MW烟气轮机的叶片的涂层便是由联合碳化物公司采用爆炸喷涂技术喷涂的金属陶瓷涂层( LC-IC涂层) 其性能指标如下:硬度HV0.3775；硬度HRC63；结合强度≥68.9 Mpa；金相表观孔隙率≤l%。

另外，西屋公司等采用采用爆炸喷涂在汽轮机末级叶片制备碳化铬涂层解决汽轮机末级叶片的气蚀问题，效果显著。

本项目针对燃气轮机、汽轮机及泵轴的防护需求，采用爆炸喷涂技术制备了Cr3C2-35NiCr涂层，利用SEM、EPMA、XRD等手段对涂层显微组织和基本性能进行了表征和分析。

1 实验方法

1.1 实验材料

试验基体材料选用45#钢，金相试样尺寸为100mm×10mm×1mm，结合力试样尺寸为Ф25.4mm×33mm，试样喷涂表面光洁度为Ra0.8。喷涂前，对试样喷涂面进行喷砂处理，喷砂采用白刚玉砂粒，砂粒尺寸250μm，工作气压0.4MPa。

喷涂设备为改进的俄罗斯OB型爆炸喷涂系统，设备燃气为氧气和乙炔，送粉载气为氮气，喷涂工艺参数为：氧/乙炔比1.20，工作压力0.15MPa，送粉速度0.12g/s，喷枪频率为4枪/s。

喷涂粉末选用国内某公司生产的Cr3C2-35NiCr粉末，并用激光粒径分析仪对Cr3C2-35NiCr粉末进行粒度检测，测试结果见图1所示。

1.2 分析表征

采用Quanta 600型环境扫描电子显微镜观察粉末和涂层的显微形貌，利用电子探针（EPMA）分析涂层的化学成分，用X射线衍射技术分析粉末和涂层的相组成。

采用Struers Duramin型显微硬度计测试涂层的显微硬度，载荷为2.94N，加载时间15s，每个试样测 10个点，结果取10次的平均值。断裂韧度测试时载荷为49.035N，每个试样保证3个有效点。参照ASTMC 633标准的方法进行涂层结合强度的测试，用FM1000胶将有涂层的试样与对偶件喷砂后粘接，经190ºC固化2h后，采用拉伸法，在JDL-50KN型万能电子拉力机上测量涂层的结合强度，每种涂层由3个试样组成。涂层孔隙率测试采用金相处理软件，连续选取10张涂层截面图谱分析求取平均值作为孔隙率值。

依据ASTM G99，采用MMW-1A型摩擦磨损试验机进行球-盘式摩擦磨损试验，记录涂层的摩擦系数和磨损失重情况；高温摩擦磨损试验采用兰州产HT-1000 型高温摩擦磨损试验机，以6mm 的Si3N4陶瓷球(硬度≥HV1400)为摩擦上试样，下试样圆盘尺寸为Ф24 mm×7.88mm；热震性能测试采用水冷循环，750℃保温10min，放入25℃水中记为一次循环，热震试验基体材料选用Ni基高温合金，试样尺寸30mm×30mm×1.5mm，选取2个平行试样，记录试样形貌变化。

图1 Cr3C2-35NiCr粉末形貌：(a)粉末SEM； (b)粉末粒径分布图Fig.1 Morphology of Cr3C2-35NiCr powder:(a)SEM of powder;(b)Powder particle size distribution

2 结果及讨论

2.1 涂层显微组织

图2a为Cr3C2-35NiCr粉末和涂层XRD图谱，可看到喷涂粉末和涂层主要由NiCr合金相和Cr3C2相组成，不同的是涂层中产生了Cr7C3相，这主要是由于喷涂过程中的Cr3C2发生脱碳反应引起的[1,4]，反应原理见公式1所示。

图2 涂层横截面貌及XRD图谱 (a)粉末及涂层的XRD图谱; (b)涂层截面形貌(EPMA)Fig.2 Cross sectional morphology of the coating and XRD image(a)XRD image of the powder and coating; (b) Cross sectional morphology of the coating（EPMA）

图2b是NiCr-Cr3C2涂层截面背散射电子探针图谱，采用EPMA测试图2b中1、2、3不同衬度区域化学成分，测试结果见表1。结合XRD和EPMA测试结果可知图中黑色区域为孔隙，浅白色区为NiCr合金相，深灰色区域为Cr3C2相，浅灰色区域为固溶相，一般认为Cr7C3相分布于Cr3C2相周围。由图可知，爆炸喷涂Cr3C2-35NiCr涂层非常致密，孔隙率较低，未发现裂纹及分层，Cr3C2颗粒均匀分布于NiCr相中。

表1 EPMA测试涂层化学成分Table 1 Composition of the coating by EPMA

2.2 涂层孔隙率

图3是孔隙率测试的典型形貌图，其中深黑色点为孔洞。可以看到涂层内部的孔隙为封闭孔，且分布均匀，采用金相法测得涂层孔隙率见表2所示。观察孔洞产生的位置可以发现，涂层孔隙主要分布于Cr3C2相与NiCr相的交界面及NiCr相内部，这主要是源于喷雾干燥制粉过程中遗留的气孔。

图3 孔隙率测试的典型形貌Fig.3 Cross sectional morphology for Porosity tests

表2 涂层孔隙率和显微硬度Table 2 Porosities and hardness of the coating

2.3 涂层硬度与断裂韧性

涂层硬度和韧性是影响涂层使用的关键，但二者有时是矛盾的统一体。Cr3C2-35NiCr涂层显微硬度测试结果见表2所示，涂层硬度分布较为均匀，硬度均值为HV803。一般来说，爆炸喷涂Cr3C2-NiCr类型涂层显微硬度HV大约在700～950之间，随着喷涂工艺参数、粉粒尺寸及测试条件的不同略有波动。如G.SLmdararaji m（印度）［5］等在D-gun（乌克兰设备）Cr3C2-25NiCr涂层上测得HV972；美国Praxair公司测得D-gun喷涂Cr3C2-35NiCr涂层（即LC-IB）的显微硬度为HV700，Cr3C2-20NiCr涂层（即LCIC）的显微硬度为HV775；中国闵小兵等［2］爆炸喷涂（乌克兰第聂伯-3）Cr3C2-25NiCr涂层测得显微硬度为HV824。可以发现美国Praxair公司爆炸喷涂制备Cr3C2-NiCr涂层硬度明显处于一个较低的水平。

通常认为涂层硬度的提高会降低涂层的韧性，试验采用压痕法表征涂层的断裂韧性，采用金刚石维氏压头，载荷为49.035N，测得3个压痕裂纹平均值计算断裂韧度。裂纹参数见表3，0.6

其中KIC为断裂韧度，P为载荷，a为压痕半对角线长，c为压痕中心到裂纹尖端长。

表3 5kgf载荷下涂层的断裂参数Table3 Fracture toughness parameters of the coating under load

图4 涂层压痕形貌SEM图谱Fig.4 SEM image showing indentation crack of the coating

2.4 涂层结合强度

参考ASTM C633的标准测试涂层结合强度，测试结果见表4所示。断裂位置为胶界面断裂，表明涂层实际结合强度大于测试值。

表4 涂层的结合强度测试结果Table4 Bond strength of the coatings

2.5 摩擦磨损性能

采用ASTM G99 球-盘式摩擦磨损试验来表征涂层的干滑动磨损性能。磨损试样表面喷涂后经磨削至Ra0.4。采用MMW-1A型摩擦磨损试验机磨损性能测试，对磨球选用单个直径6.35mm氮化硅球，磨损试验参数：载荷为30N，转速400r/min，试验时间30min。试验结果见下表5，涂层试样经30min磨损后，涂层失重0.00128g，对磨球失重0.00027g，涂层室温摩擦系数测试结果见图5所示，室温稳定摩擦系数为0.60。

2.6 涂层热震性能

为检验涂层在极端条件下的高温性能，对Cr3C2-35NiCr涂层试样进行热震(水冷)循环试验，实验结果见图6所示，可以发现Cr3C2-35NiCr涂层经20次水淬后，表面逐渐出现蓝色，分析认为是NiCr的氧化物，未发现涂层剥落或翘起。经过50次水淬循环后，涂层表面完整颜色发生一定变化，但未发现涂层剥落或起皮现象。

图5 球-盘法测试涂层摩擦系数图谱Fig.5 Friction coefficient of the coating by ball on disk test

表5 涂层和对磨球的重量变化Table5 Weight changes of the coating and ball

图6 涂层750℃热震表面形貌演变图谱Fig.6 Surface morphology evaluation of the coating by thermal shock test at 750℃

3 结论

采用爆炸喷涂技术（D-gun）制备了Cr3C2-35NiCr涂层，并对涂层性能进行了分析，得出主要结论如下：

（1）爆炸喷涂制备的Cr3C2-35NiCr涂层孔隙率为0.52%，显微硬度为HV803，断裂韧度为4.55 MPa·m0.5，结合强度大于 87.5MPa；

（2）滑动磨损试验结果表明，与氮化硅组成摩擦副，爆炸喷涂Cr3C2-35NiCr涂层室温摩擦系数为0.6；

（3）热震试验结果表明Ni基高温合金爆炸喷涂Cr3C2-35NiCr涂层750℃下50次水冷循环无剥落，涂层抗冷热交变性能优良。