等离子及超音速火焰喷涂NiCoCrAlY涂层的抗氧化性能研究

郭文勇　范薇　唐健江　李红强

【摘 要】本研究分别采用大气等离子喷涂（APS）和超音速火焰喷涂（HVOF）两种技术在高温合金表面制备NiCoCrAlY涂层，对比分析涂层的相成分、结构与抗氧化性能。结果表明：两种工艺喷涂态涂层均由γ/ γ和β-NiAl相组成。1100 ℃氧化0.5 h后，APS涂层表面形成了不连续的热生长氧化物（TGOs），而HVOF涂层形成了连续、致密的TGOs。随着氧化时间增加，HVOF涂层表面的物相以Al2O3为主，而APS涂层表面则以尖晶石相为主。HVOF涂层的氧化增重小于APS涂层，表现出更为优异的抗氧化性能。

【关键词】等离子喷涂；超音速火焰喷涂；粘结层；抗氧化性能

中图分类号： TG174 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）17-0038-002

Investigation of the Oxidation Resistance of Atmospheric Plasma Sprayed and High Velocity Oxygen Fuel Sprayed NiCoCrAlY Coating

GUO Wen-yong1 FAN Wei2 TANG Jian-jiang3 LI Hong-qiang2

（1.Xian Shaangu Power Co.， Ltd.， Xian 710611， China；

2.State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials， Xian Jiaotong University， Xian 710049， China；3.School of Materials Engineering， Xian Aeronautical University， Xian 710077）

【Abstract】In this study， atmospheric plasma spraying （APS） and high velocity oxygen fuel （HVOF） technique were employed to deposit NiCoCrAlY coatings on the surface of superalloy. The phase composition， morphology and oxidation resistance of coatings were comparatively investigated. The results suggested that both of as-sprayed coatings consisted of γ/ γ and β-NiAl. After oxidation at 1100℃ for 0.5 h， some discontinuous thermally grown oxides （TGOs） formed on the surface of APS-coating， while continuous and dense TGOs formed on HVOF-coating. With the increase of oxidation time， the TGOs in HVOF-coating mainly contained Al2O3， while spinel was observed in APS-coating. The weight gain of HVOF-coating was lower than that of APS-coating， indicating that the oxidation resistance of the former was superior to the latter.

【Key words】High velocity oxygen fuel； Atmospheric plasma spraying； Bond Coat； Oxidation resistance

0 前言

热障涂层（TBCs）是航空发动机和燃气轮机热端部件的关键防护涂层，主要由陶瓷层、热生长氧化物层、粘结层及合金基体组成[1]。其粘接层通常由MCrAlY（M主要为金属Co、Ni或其混合组分）组成，它不仅可降低基体与陶瓷层之间的热失配，而且还可以提高TBCs的抗氧化和抗热蚀性[2]。MCrAlY的保护作用依赖于它在高温下生成一层连续的、生长缓慢的热生长氧化物（TGOs），连续、致密的TGOs可以阻止高温下氧元素和合金元素的进一步扩散，从而提高TBCs的热稳定性。

目前，MCrAlY涂层的常见制备工艺有真空等离子喷涂（VPS）或低压等离子喷涂（LPPS）、超音速火焰喷涂（HVOF）、冷气动力喷涂（CGDS）、以及大气等离子喷涂（APS）等。LPPS和VPS是在普通大气等离子喷涂的基础上发展起来的，可以有效避免金属粉末粒子的氧化，但涂层制备成本相对较高[3-4]。HVOF的优点是粉末粒子在射流中的飞行速度高，可以达到APS的数倍。但由于HVOF的射流环境中有大量的氧化气氛存在，导致原料粉末粒子容易被氧化。對于采用喷涂方法制备MCrAlY涂层，当喷涂原料粉末一定时，喷涂工艺决定了MCrAlY涂层的微观结构，最终影响涂层的抗氧化性能。为此，本文分别采用APS和HVOF技术制备NiCoCrAlY涂层，对比研究两种喷涂工艺涂层的抗氧化性能。

1 试验原料与方法

1.1 粘结层的制备

粘结层原始粉末为NiCoCrAlY粉末（AMDRY 995M，Sulzer Metco），粒径约为20-60μm。基体材料采用的是镍基高温合金（GH3030）。喷涂前首先对基体表面进行超声清洗、喷砂处理，粘结层的制备分别采用大气等离子喷涂（APS，Sluzer Metco 9M）和超音速火焰喷涂（HVOF，JETKOTE），喷涂参数见表1。endprint

1.2 粘结层氧化试验

将已称重的涂层试样置于氧化铝坩埚中，分别在1100℃的马弗炉中氧化不同时间后称重，绘制氧化增重曲线，并对其物相和形貌进行分析。

1.3 粘结层性能表征

运用X射线衍射仪（XRD，D/MAX-2400X，Rigaku，Japan）分析粘结层的物相组成，测试条件为Cu Kα（λ=0.1542 nm），工作电压40 kV，工作电流40 mA。运用扫描电子显微镜（SEM，JSM-7000F）及能谱仪（EDS）对涂层的形貌及成分进行分析。

2 实验结果及分析

2.1 氧化增重分析

通过对两种涂层试样在1100 ℃氧化一定时间后进行称重，计算氧化增重，然后用增重值除以试样的总表面积，氧化增重结果如表2所示。

由表中可知，HVOF涂层的氧化增重速率低于APS涂层，表明HVOF涂层的抗氧化增重性能优于APS涂层，这主要和两种涂层的结构、物相及氧化物成分和形貌有关。

2.2 物相與结构分析

图1为两种工艺制备的涂层喷涂态及氧化后的XRD图。图1a看出，两种涂层在喷涂态主要由γ/γ（γ相为Co或Ni的固溶体相，γ为Ni3Al相）和β-NiAl相组成；由图1b看出，APS涂层氧化40h后，除Al2O3外，有明显的尖晶石氧化物产生，随着氧化时间增加，尖晶石的衍射峰变得更强；图1c表明，HVOF涂层氧化40h后，氧化物主要为Al2O3与尖晶石相，与APS涂层相比，HVOF涂层氧化100～200h后，尖晶石相的衍射峰较弱。

图2为APS和HVOF涂层氧化不同时间后的截面形貌。由图可知，氧化0.5h后，APS涂层表面的氧化膜是不连续、不均匀的，同时也存在浅灰色的氧化层；HVOF涂层表面的氧化膜则基本是以连续、致密、均匀的黑色氧化层为主。由EDS能谱检测结果可知，黑色的氧化物为Al2O3，灰色氧化物为Co、Cr、Ni的混合氧化物。氧化40h后，涂层中TGOs层厚度增加（双层结构）；APS涂层的Al2O3层厚度较薄，约为2μm，相对而言，HVOF涂层的Al2O3层厚度较均匀，约为4μm；随着氧化时间的增加（100～200h），APS涂层内氧化较严重，其表面灰色氧化层厚度增加明显，且变为多孔结构（Ni、Co的尖晶石相），相对而言，HVOF涂层的TGOs层厚度均匀，表面的灰色氧化层厚度增加较少。

Fig.2 SEM morphologies of APS- and HVOF-coatings after oxidation for different times

相对于APS涂层的层状结构，HVOF涂层中含有大量的未熔颗粒，氧化0.5 h后即形成了连续的氧化膜，对氧化过程中元素的扩散（氧元素的向内及金属元素的向外扩散）起到很好的阻碍作用，使得氧化增重比起APS涂层逐渐变小。虽然HVOF涂层氧化200 h后出现了少量的NiO，但因其保护性氧化膜Al2O3几乎完整，使得其在100～200 h的氧化过程中增重速率变慢；而APS涂层由于较多尖晶石结构氧化物的形成，使其氧化增重速率相对较快。

3 结论

（1）APS涂层等温氧化动力学符合四次方规律，HVOF涂层的符合五次方规律，HVOF涂层在较短时间内氧化增重较快，随着氧化时间的延长逐渐变慢；

（2）APS涂层氧化0.5 h后，表面生成了不连续的氧化膜，由于Al2O3保护膜不致密且较薄，其氧化增重速率较快；而HVOF涂层氧化0.5 h后，生成了连续、致密的氧化膜，Al2O3膜层相对较厚且均匀，使得其氧化增重速率降低，显示出比APS涂层更好的抗氧化性能。

【参考文献】

[1]Padture N P，Gell M，Jordan E H. Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications[J].Science，2002，296（5566）：280-284.

[2]Chen WR，Wu X，Marple BR，et al.TGO growth behaviour in TBCs with APS and HVOF bond coats[J].Surface and Coatings Technology，2008，202（12）：2677-2683.

[3]唐健江，白宇，张平，等.热障涂层体系中MCrAlY合金粘接层结构设计及高温氧化行为研究[J].热喷涂技术，2015，7（2）： 22-33.

[4]李长久.中国冷喷涂研究进展[J].中国表面工程，2009，22（4）：5-14.endprint