等离子喷涂CoMoCrSi涂层性能及其在航空发动机中的应用

艾鹏，刘军和，孙颖，邹卓，张眸睿

1.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 辽宁沈阳 110043

2.中国人民解放军空军装备部驻沈阳第二军代表室 辽宁沈阳 110043

1 序言

CoMoCrSi涂层是一种含高Co、Mo、Cr的合金涂层，具有优异的耐高温、耐腐蚀、耐磨损性能。其中，Co作为基体保证了涂层的韧性，Mo、Cr的加入形成了均匀分布的Lves相，可获得发挥高硬度、高熔点涂层（涂层使用温度高达800℃）[1-4]。该涂层作用于零件表面，可有效提升零件的力学性能及使用寿命，多作为表面强化或尺寸修复用，在机械、石油、化工及航空航天等领域备受青睐[5，6]。CoMoCrSi涂层的制备方式有多种，如超音速喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂、堆焊和激光熔覆等。在众多涂层制备方式中，等离子喷涂在保证涂层高性能的同时，兼具生产成本低、制备效率高的优点，因而应用更为广泛[7-9]。

本文以Co-28Mo-17Cr-3Si粉末为例，采用瑞士美科公司生产的Multicoat型等离子喷涂设备进行了涂层制备，并对涂层性能进行了表征，最后在航空发动机典型零件上进行了工程化应用。

2 试验

2.1 试验材料

试片基体材料选用GH4169高温合金钢。用于检测涂层显微组织的试片尺寸为40mm×20mm×2mm，检测涂层结合强度的试片尺寸为φ25mm×2mm，检测涂层硬度的试片尺寸为50mm×30mm×3.5mm。

试验采用的原材料粉末为北京矿治集团生产，粉末化学成分见表1。粉末中含有很高的Co、Mo、Si元素，使其能在相当宽的温度范围内保持良好的耐磨、耐蚀和抗擦伤性能。扫描电镜下Co-28Mo-17Cr-3Si粉末形貌如图1所示。从图1可看出，粉未为均匀的球形或近球形颗粒。

图1 Co-28Mo-17Cr-3Si粉末形貌（200×）

表1 粉末化学成分（质量分数） （%）

2.2 涂层制备

分别在各种试片上进行等离子喷涂Co-28Mo-17Cr-3Si涂层。喷涂前，采用丙酮对试片逐一进行清洗除油，然后用60目白刚玉对试片表面进行吹砂粗化，风压为0.4MPa，角度为75°。吹砂后采用压缩空气将试片表面浮灰及残留砂砾吹除彻底。最后进行喷涂，采用Multicoat型等离子喷涂设备，F4MB90-XL型喷枪，喷嘴直径6mm。等离子喷涂工艺参数见表2。

表2 等离子喷涂工艺参数

3 涂层性能测试及结果

3.1 外观与显微组织

制备好的涂层外观如图2所示。涂层呈均匀的灰色，无裂纹、剥落、分层和边缘翘起等缺陷。将试片切割、打磨、抛光后置于光学显微镜下观察涂层截面显微组织，其典型视场如图3所示。涂层组织均匀，由金属相及细微的氧化物组成，无未熔颗粒。根据HB 20195—2014《热喷涂涂层金相检验》规定，采用对比法对涂层中孔隙率进行分析，孔隙率≤2%。在光学显微镜下测量，涂层孔隙最大尺寸≤15μm，氧化物分散且细小，分布有少量团状氧化物，最大尺寸≤50μm。

图2 制备态涂层外观

图3 涂层显微组织典型视场（200×）

3.2 硬度

用220#砂纸将制备好的涂层试样（涂层厚度为0.39mm）表面打磨光滑，并置于洛氏硬度计下，按HB 5168—1996《金属布氏硬度试验方法》规定，选取5个不同位置点进行硬度检测，结果见表3。涂层硬度平均值为83.6HR15N。

表3 涂层不同位置硬度 （HR15N）

3.3 结合强度

3个结合强度试样的涂层厚度分别为0.36mm、0.35mm、0.37mm。按照HB 5476—1991《热喷涂涂层结合强度试验方法》执行，采用FM1000胶将试样与拉伸试棒进行粘结，加热固化后安装于万能拉伸机上。以1mm/min的恒定速率施加载荷对试样进行拉伸，直到涂层发生断裂。涂层拉断面形貌如图4所示，断裂位置均发生在涂层内部，3次测试结果均有效。涂层拉伸测试结果见表4，经计算，涂层结合强度平均值为40.5MPa。

图4 涂层拉断面形貌

表4 涂层拉伸试验结果 （MPa）

3.4 弯曲性能

弯曲试样涂层厚度为0.15mm，将试样以10°/s的速度绕直径12.7mm的芯棒弯曲90°并保持10s。弯曲后涂层表面状态如图5所示。从图5可看出，3组试片在弯曲应变集中区域均出现了局部细小裂纹，无涂层剥落现象。这是由于涂层硬度高、塑性差特性导致的，但由于涂层与基体结合良好，因此并未出现剥落现象。

图5 弯曲后涂层表面状态

4 零件喷涂

基于以上试验结果，在某型航空发动机定位杆上进行了等离子喷涂CoMoCrSi涂层工程化应用。喷涂前对零件非喷涂区域采用耐高温压敏胶带进行了保护，由于喷涂时焰流温度较高，为了防止零件过热及压敏胶带烧损，在零件周围加设了冷却风。采用ABB机械手持枪对零件进行了自动化喷涂，喷涂及机加工后零件涂层局部形貌如图6所示。

图6 喷涂及机加工后零件涂层局部形貌

由此可见，喷涂后零件上涂层状态良好，厚度均匀，无裂纹、剥落、分层和边缘翘起等缺陷，涂层磨加工后未出现开裂、剥落等现象，符合使用要求。CoMoCrSi作为耐磨涂层，可用在800℃以下工作的多种类型零件上，如盘、轴、杆、机匣等，能有效抵抗零件工作时发生的各种摩擦磨损，使零件使用寿命大大提高。此外，在发动机经过一个周期的使用后返修时，只需将零件上涂层去除再重新制备即可使用，相较于替换新零件，可有效降低发动机修理成本。

5 结束语

等离子喷涂的CoMoCrSi涂层结合强度好、硬度高，且涂层孔隙率小，团状氧化物少。作为耐磨涂层，可广泛应用于航空发动机易磨损部位，能有效保护零件，提高零件的使用寿命，并降低发动机修理成本。