HVOF和APS喷涂T800涂层性能研究

陈雄伟，牟治国，陈利刚

上海宝钢工业技术服务有限公司表面工程事业部，上海201900

T800涂层是一种高Co、高Mo、高Cr的合金涂层，具有优异的耐腐蚀、抗氧化和耐磨损的高温性能.T800涂层能在最高800 ℃下长期稳定使用，在航空、航天飞行器中都到了广泛应用[1-2].目前，制备T800涂层通常是采用超音速火焰喷涂(HVOF)和大气等离子喷涂(APS)法.针对某些特定需求，对两种方法制备涂层的异同进行分析对比.

1 试样制作及测试

选用Inconel 718作基体材料.喷涂时先用丙酮清洗、吹干、喷砂，然后在1h内完成喷涂.HVOF喷涂是采用Stellite公司JK Ⅲ氧气/氢气HVOF喷涂系统喷涂，APS喷涂是采用Oerlikon Metco公司的F4喷涂系统喷涂.喷涂粉末为Stellite T800粉末，粉末成分列于表1，粉末形貌见图1，粉末粒径为10～45 μm.HVOF和APS喷涂工艺参数分别列于表2和表3.

表1 T800粉末的化学成分

图1 T800粉末形貌Fig.1 The morphology of T800 powder

分别用HVOF和APS在Inconel 718基体表面制备T800涂层试样，然后截取喷涂样品的横截面，经金相冷镶嵌、研磨、抛光后，采用卡尔蔡司Observer倒置式金相显微镜及系统内置的AxioVision图像分析软件，观察涂层的微观形貌和涂层与基体界面的结合情况，并进行孔隙率测量.在涂层表面选取10个点，采用上海光学精密机械研究所生产的HRRD-150P数显双洛氏硬度计分别测量HVOF和APS制备的T800涂层的表面硬度HR15N.采用国产Sans的CMT5305万能试验机测试HVOF和APS制备的涂层的结合强度，按ASTM C633标准进行测试，加载速度1 mm/min，试样直径25.4 mm，涂层厚度0.2～0.3 mm，采用E-7胶100 ℃下加热3 h.

表2 HVOF的工艺参数

表3 APS的工艺参数

2 试验结果及讨论

2.1 涂层微观分析

用HVOF和APS制备的T800涂层的微观形貌如图2所示.从图2可见，用两种喷涂工艺制备的T800涂层与基体之间均形成了良好的界面结合，呈典型的热喷涂涂层机械咬合形貌；涂层均无分层、横向裂纹、团聚氧化物和界面分离；涂层均未见明显的未熔颗粒；涂层呈明显的层状结构，组织均匀，涂层中的孔隙和氧化物分布均匀.同时，还可看出，用HVOF制备的T800涂层的孔隙率较低，平均孔隙率约为1%～2%；用APS制备的T800涂层的孔隙率相对略高，平均孔隙率约为3%～5%.从图2可明显看出，用APS制备的T800涂层的层状氧化物比用HVOF制备的多.

图2 T800涂层微观形貌(a)HVOF；(b)APSFig.2 The microstructure of T800 coating

2.2 涂层的维氏显微硬度

用HVOF和APS制备的涂层的表面硬度列于表4.由表4可知，这两种方法制备的涂层的表面硬度HR15N相差不大，只是HVOF制备的涂层硬度略高.影响涂层硬度的因素很多，其中涂层的微观组织和相结构对涂层硬度有重要影响.涂层越致密、微裂纹越少及平整光滑，涂层硬质相越多，涂层的硬度就越高.

从两种方法制备的涂层来看，APS制备的涂层孔隙率略高，涂层氧化物也较高.一般APS制备的涂层氧化物为Laves相CoMoSi 和Co3Mo2Si，由于占比小，因而硬度变化不大[3].

表4 T800涂层的HR15N硬度

2.3 涂层结合强度

HVOF和APS制备的涂层结合强度的测试结果列于表5.从表5可知，HVOF制备的T800涂层结合强度平均值为47.2 MPa，APS制备的T800涂层结合强度平均值为28.7 MPa.APS制备的T800涂层结合强度明显较低，一方面超音速火焰喷涂(HVOF)时火焰焰流速率大，粉末沉积速率快，与基体碰撞扁平化变形充分，颗粒与颗粒之间结合更为紧密，因而结合强度更高；另一方面，粉末原料中的Co，Mo，Cr，以及ε-Co相、Co-Mo相和Co-Cr相熔点范围为1495～2623 ℃，不仅低于HVOF的焰流温度3000～4000 ℃，更远远低于等离子焰流中心高达15000 ℃以上的温度.在T800涂层喷涂时，喷涂粒子在飞行过程中均极易与空气中的氧发生反应生成氧化物为Laves相CoMoSi和Co3Mo2Si[4].因APS的焰流温度高，焰流速度慢，导致粒子高温停留时间长，与空气中氧接触时间也更长，产生氧化物的概率较HVOF制备的T800涂层多，所以APS制备的涂层氧化物更多，特别是层间氧化物.这些氧化物的存在，降低了涂层间的结合强度.因此APS制备的T800涂层结合强度低于HVOF制备的T800涂层.

表5 T800涂层的结合强度

3 结 论

采用HVOF和APS两种工艺制备的T800涂层均与基体间形成良好的以机械咬合为主的界面结合，涂层组织均匀；与APS制备的T800涂层相比，HVOF制备的T800涂层孔隙率略低，表面硬度HR15N略高，结合强度较高.