等离子喷涂制备Co基TiC金属陶瓷涂层的微观形貌及耐高温腐蚀性能

曹将栋,刘 伟

(1. 南通航运职业技术学院 机电系,南通 226010； 2. 中国航发湖南南方宇航高精传动有限公司，株洲 412002)

等离子喷涂制备Co基TiC金属陶瓷涂层的微观形貌及耐高温腐蚀性能

曹将栋1,刘 伟2

(1. 南通航运职业技术学院 机电系,南通 226010； 2. 中国航发湖南南方宇航高精传动有限公司，株洲 412002)

采用等离子喷涂技术在GH586合金表面制备了一层Co基TiC金属陶瓷涂层。研究了TiC含量对Co基TiC金属陶瓷涂层显微组织及耐高温腐蚀性能的影响。结果表明：TiC陶瓷颗粒与Co基粉体有良好的润湿性，呈现相互包裹的结构，涂层结合紧密无缺陷；TiC的加入，提高了Co基TiC金属陶瓷涂层的耐磨性，但当TiC含量过高时，团聚现象严重，导致涂层的耐高温腐蚀性能降低；TiC质量分数为10%时，TiC颗粒在涂层中分布较为均匀，此时涂层的耐高温腐蚀性能和耐磨性都较优。

等离子喷涂；金属陶瓷涂层；TiC；耐高温腐蚀性能

GH586合金具有良好的高温力学性能，主要用于制造发动机叶片，但是GH586合金的耐高温腐蚀性能较差[1]，很难满足服役环境要求，所以需要在GH586合金表面制备一层高温防护涂层。目前几乎所有的发动机叶片都用到了高温防护涂层[2]。TiC具有高硬度(3 200 HV)、高熔点(3 150 ℃)、热稳定好等优点，且工业制造方便，工业成本较低[3]。

含有TiC的金属陶瓷涂层具有良好的抗高温腐蚀性能及耐磨性[4]，主要用于刀具及各类发动机的高温部件[5]，但TiC与Co、Ni等金属不能完全润湿。研究表明，在TiC中加入10% Mo(质量分数)时，TiC能完全与Co、Ni等金属润湿[6-10]。本工作采用等离子喷涂技术，在GH586合金表面制备了Co基TiC金属陶瓷涂层，研究了TiC含量对涂层显微组织和耐高温腐蚀性能的影响,望能为航空发动机叶片、燃气涡轮机叶片等关键部件涂层设计提供参考。

1 试验

采用大气等离子喷涂技术在GH586合金表面制备Co基TiC金属陶瓷涂层(以下简称涂层)。喷涂工艺参数：主气流量为60 L/min；辅气流量为25 L/min；送粉率为2 r/min；载气流量为7 L/min；喷涂距离为100 mm。基体材料为GH586合金，喷涂前采用0.30～0.71 mm粒度的钢砂，在0.8 MPa的气压下对基体进行喷砂处理，喷砂后用高压气体清除基体表面灰尘。涂层原料为MCoNiCrAl粉体(即Co基粉体)和TiC粉体。MCoNiCrAl粉体的化学成分为(质量分数):20% Cr，8% Ni，10% Al，8% W，8% Fe，10% Mo，余量为Co，其粒度小于45 μm；TiC粉体粒径为2～4 μm。喷涂前对粉体进行烘干处理(80 ℃下保温10 h)以提高粉体的流动性。粉体中TiC的质量分数分别为0%，10%，20%，30%。

将等离子喷涂后的GH586合金线切割成10 mm×10 mm的试样，将试样镶嵌并抛光，分别用金相显微镜和扫描电镜(SEM)观察试样的表面和截面形貌，并用扫描电镜附带的能谱仪(EDS)测涂层中微区化学成分；用显微硬度仪测量涂层的显微硬度，取5个点测试，测试载荷为1.961 N；采用涂盐法对涂层进行900 ℃高温腐蚀试验，盐的成分(质量分数)为75% Na2SO4+25% NaCl，试验温度为900 ℃，试验后用扫描电镜观察涂层的腐蚀形貌。

2 结果与讨论

2.1 涂层的微观形貌及相组成

由图1可以看出：涂层与基体为机械咬合，涂层呈典型的等离子喷涂片层状结构，图中黑色颗粒状物质为TiC颗粒。TiC质量分数为10%时，TiC颗粒在涂层中分布较为均匀，呈弥散分布状态；当TiC质量分数为20%时，TiC出现团聚现象，主要集中分布于涂层中部；而当TiC质量分数为30%时，团聚更加明显，分布也更集中。

(a) 0% TiC (b) 10% TiC (c) 20% TiC (d) 30% TiC图1 Co基TiC金属陶瓷涂层的截面形貌Fig. 1 Cross-section morphology of Co-based TiC cermet coatings

由图2可以看到，涂层组织间结合紧密，有少量气孔但没有微裂纹等缺陷，深色区域为TiC(如图中C区域)，浅色区域为MCoNiCrAl(如图中A区域)。采用能谱仪对涂层的微区化学成分进行分析(图略)。在A处检测到了C和Ti，而MCoNiCrAl粉体中不含有这两种元素。这说明TiC在喷涂时发生了分解和原位析出。TiC熔解于MCoNiCrAl中，冷却时过饱和的C和TiC来不及全部析出。涂层中出现了很多MCoCrNiAl和TiC相互包覆的结构，即MCoCrNiAl包裹TiC，而TiC又包覆着MCoCrNiAl，如B区域所示。这表明TiC陶瓷颗粒与MCoCrNiAl具有良好的润湿性。以这种形态存在的TiC是完全熔化的TiC。这种结构保证了陶瓷相和粘结相的结合强度，也说明熔融的MCoCrNiAl与TiC有良好的润湿性。C处的TiC为近圆形，没有形成双层包覆结构。以这种形态存在的TiC是没有完全熔化的TiC。这是由于TiC的熔点较高，且在等离子弧中停留的时间极短，TiC来不及全部熔解，仅表面的TiC熔解，从而使TiC呈近圆形。涂层中还出现了一些大颗粒的TiC，这可能是由于熔融的TiC在冲击到基体表面时，动能很大，产生变形，与临近的TiC相互连接在一起，导致颗粒尺寸较大。且涂层中分布有一些白色颗粒状物质，如图中D区域，经EDS分析(图略)可知这些白色颗粒状物质为含Cr的氧化物，说明涂层在喷涂时发生了一定程度的氧化。

图2 Co基TiC金属陶瓷涂层的表面形貌(20% TiC)Fig. 2 Surface morphology of Co-based TiC cermet coating with 20% TiC

2.2 涂层的显微硬度

由图3可以看出：涂层的显微硬度分布不均匀，主要原因是涂层呈片层状分布，片层接合处硬度较低，TiC处硬度较大；加入TiC后，涂层的硬度都有所提高，这表明TiC的加入可提高涂层的耐磨性，且随着TiC含量的增加，涂层的显微硬度呈递增趋势；当TiC质量分数超过20%时，涂层的显微硬度得到了明显的提高。

图3 Co基TiC金属陶瓷涂层的显微硬度Fig. 3 Microhardness of Co-based TiC cermet coatings

2.3 耐高温腐蚀性能

由图4可以看出：在高温腐蚀过程中，GH586合金发生了严重的腐蚀；TiC质量分数为0%，10%，20%的涂层腐蚀不严重，所以其质量损失很少；TiC质量分数为30%的涂层发生了严重的腐蚀，这是由于涂层中陶瓷材料过多且团聚在一起，导致高温腐蚀过程中热应力较大引起的。

图4 Co基TiC金属陶瓷涂层和GH586合金的高温腐蚀动力学曲线(900 ℃)Fig. 4 High-temperature corrosion kinetics curves of Co-based TiC cermet coatings and GH586 alloy at 900 ℃

由图5可以看出： TiC质量分数为0%的涂层在高温腐蚀1 h后，其腐蚀产物主要为针状的θ-Al2O3，其间夹杂少量颗粒状的α-Al2O3，而腐蚀5 h后，其腐蚀产物几乎全部变为致密的颗粒状和长条状的α-Al2O3；随高温腐蚀时间的延长，TiC质量分数为10%的涂层的腐蚀产物同样发生了由针状θ-Al2O3向颗粒状和条状α-Al2O3的转变，但高温腐蚀5 h后，转变尚未完全，腐蚀产物中仍有针状的θ-Al2O3；TiC质量分数为20%的涂层经高温腐蚀5 h后，局部区域发生过了脱落；TiC质量分数为30%的涂层经高温腐蚀5 h后，发生了较严重的脱落。

(a) 0% TiC，1 h (b) 0% TiC，5 h (c) 10% TiC，1 h (d) 10% TiC，5 h

(e) 20% TiC，1 h (f) 20% TiC，5 h (g) 30% TiC，1 h (h) 30% TiC，5 h图5 900 ℃高温腐蚀不同时间后Co基TiC金属陶瓷涂层表面的SEM形貌Fig. 5 SEM morphology of surface of Co-based TiC cermet coatings corroded for different times at high temperature of 900 ℃

由图6可以看到：高温腐蚀后的涂层表面没有检测到Ti，Co，Ni等元素，但有少量Cr2O3。这说明在高温腐蚀过程中，Al优先氧化生成了一层致密的Al2O3膜，该Al2O3膜阻止了其余元素的继续氧化。

(a) 0% TiC

(b) 10% TiC图6 900 ℃高温腐蚀1 h后Co基TiC金属陶瓷涂层的EDS谱Fig. 6 EDS spectra of Co-based TiC cermet coatings corroded for 1 h at high temperature of 900 ℃

3 结论

(1) TiC陶瓷颗粒与Co基粉体有良好的润湿性，呈现相互包裹的结构，涂层结合紧密无缺陷。

(2) TiC的加入，提高了Co基TiC金属陶瓷涂层的耐磨性，但TiC含量过高时，团聚现象严重，导致涂层的耐高温腐蚀性能降低。TiC质量分数为10%时，TiC颗粒在涂层中分布较为均匀，此时涂层的耐高温腐蚀性能和耐磨性都较优。

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Microstructure and High-Temperature Corrosion Resistance of Co-based TiC Cermet Coating Prepared by Plasma Spraying

CAO Jiangdong1, LIU Wei2

(1. School of Electromechanics, Nantong Shipping College, Nantong 226010, China； 2. NFAIC High Precision Transmission Co., Ltd., Zhuzhou 412002, China)

A Co-based TiC cermet coating on the sarface of GH586 alloy was prepared by plasma spray. The influence of TiC content on the microstructure and high-temperature corrosion resistance of the coating was investigated. The results showe that TiC ceramic particles had good wettability with Co powder. A microstructure of TiC particles and Co powder wrapping with each other formed and the coating was tightly bound to the substrate without defects. Addition of TiC in the Co-based alloy powder improved the abrasion resistance of the coating. However, the agglomeration became serious when the content of TiC was overhigh, which reduced the high-temperature corrosion resistance of the coating. The coating with 10% (mass) TiC showed excellent high-temperature corrosion resistance and abrasion resistance because TiC particles were evenly distributed in the coating.

plasma spraying; cermet coating; TiC; high-temperature corrosion resistance

10.11973/fsyfh-201706002

2015-11-24

江苏省高校自然科学基金(16KJB430035); 南通市科技项目(GY12015032)

曹将栋(1979-)，副教授，硕士，主要研究方向为高温合金的防护，0513-85965530，caojd@ntsc.edu.cn

TG174

A

1005-748X(2017)06-0416-04