冷喷涂CoNiCrAlYZrO2复合涂层沉积特性研究

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1、第五届全国腐蚀大会论文集(2009年9月14-17日,北京)冷喷涂CoNiCrAlY+ZrO2复合涂层沉积特性研究黄国胜，李相波，王洪仁，胡雪磊海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室，中国船舶重工集团公司第七二五研究所青岛市金湖路12号甲，266071摘要：本文利用冷喷涂方法，采用压缩氮气作为载气制备了NiCoCrAlY+ZrO2复合涂层，并利用硬度计、SEM和XRD等方法研究了复合涂层的物理性质及沉积特性，并与氦气制备的涂层进行了相应的对比，研究结果表明：采用氦气可在较低的压力和温度下制备密实的CoNiCrAlY＋YPSZ复合涂层，涂层和基体结合良好（

2、25.9MPa），孔隙率低（1.2％），氧化程度低（0％），显微硬度大（HV600～800），陶瓷材料可以很均匀的分布在涂层中；而采用氮气，入口条件必须高至750℃、4MPa，但是这种条件下，所制备的涂层性能也略微低于氦气所制备的涂层，涂层和基体结合良好（22.3MPa），孔隙率低（2.5％），氧化程度低（0.44％），显微硬度大（HV400～600），但是陶瓷在涂层中的比例较低，仅占5％（质量比）左右。金属间和陶瓷间的结合主要是镶嵌式的，即陶瓷镶嵌在金属的结合边界，或由于冲击作用嵌入金属，金属起接作用。关键词：冷喷涂，复合涂层，高温合金1简介Co

3、NiCrAlY＋ZrO2是目前广泛使用的高温合金热障涂层体系，通过优化设计涂层的组合结构使涂层的内应力最小、热冲击和热疲劳过程中热应力最小、组织应力小，从而使涂层的隔热性能、耐腐蚀、抗震性能、结合强度等达到最佳。传统的金属/陶瓷涂层制备工艺是热喷涂技术，热喷涂技术是在高温下进行喷涂，对基体的热损伤大，而且热喷涂方法制备的涂层孔隙率较高。如果涂层长期处于海洋环境中会存在海洋环境腐蚀问题；在盐雾环境中，盐雾沿孔隙达到合金粘结层和基体，会造成粘结层和基体的海洋环境腐蚀，形成的腐蚀产物会导致隔热陶瓷层结合力下降，最终涂层脱落失效。新兴的冷喷涂技术为解决这些

4、问题提供了一个很好的契机，冷喷涂（ColdSpray，也被称作冷气动力喷涂）是一种相对新颖的涂层制备和部件快速成型技术，其原理是利用气体（常用的有空气或氦气）将金属粉（粒径在1～50um间）加速到300～1200m/s，金属粉由于高速撞击导致的塑性变形而黏附在基体表面导致沉积。冷喷涂最大的优点在于工艺温度相对较低（一般在常温到600℃），形成涂层的过程基本不发生氧化、相变、晶粒变大和热残余应力[1～4]等现象，在制备涂层方面具有相当的优势。目前也有一些工作者尝试采用冷喷涂技术制备CoNiCrAlY合金涂层。法国工作者F.Raletz等对Ni系合金涂

5、层冷喷涂技术进行了系统的研究，发现影响沉积的主要因素在于粉末的硬度和尺寸，对于超硬的NiCrAlY合金，速度达到900m/s以上，也无法实现沉积，而对于相对较软的CoNiCrAlY合金，800～850m/s就可实现一定的沉积；同时，为达到如此高的撞击速度，氦气的消耗率也过高，且仅对较小的粉体能达到这种撞击速度（25um以下），但是【5】硬度的影响也很复杂，其中沉积涂层的硬度变化也对涂层的沉积起到极其重要的作用。Y.Ichikawa采用CGT3000系统，尝试用压缩氮气在Inconel625基体上制备了CoNiCrAlY高温合金涂层，并对结合过程进行

6、了研究，但是其制备的试样过薄，可应用性极差，仅仅是对第五届全国腐蚀大会论文集(2009年9月14-17日,北京)【6】于涂层制备可能性能的探讨。美国NASA也对抗氧化高温合金涂层冷喷涂技术进行了研【7】究，制备了700um以上的热障涂层，获得应用性能较好的高温合金涂层。国内西安交通大学的张强利用氦气在IN738基体上制备了NiCrAlY高温合金涂层，并利用喷丸硬化方法对涂层进行了纳米化处理，认为仅经过处理的冷喷涂NiCrAlY涂层才具有较好的性能，才能在【8】热循环载荷下形成均匀的氧化物层。七二五研究所的李相波等利用氦气制备了NiCoCrAlY+Z

7、rO2复合涂层，并对其物理机械性能和耐热冲刷性能进行了评价，发现所制得【9】的复合涂层具备一定的优势。以上研究均表明，冷喷涂技术相对于热喷涂技术在制备高温合金涂层方面具有一定的优势，氧化程度小，热残余应力小，制备厚涂层不存在裂层和脱落问题。但是对于我国的实际情况来看，使用氦气制备高温合金涂层不但成本较高，而且氦气属于稀有资源，特别是对于我国来说，没有氦气资源，不掌握氦气提取技术，氦气又属于军工控制资源，所以尝试采用替代气是必然的趋势。本文尝试采用压缩氮气作为载气，制备NiCoCrAlY+ZrO2复合涂层，并就其相应的性能和采用氦气制备的涂层进行比较

8、，探索采用氮气制备高温合金涂层应用技术的可行性。2试验方法基材为907钢，采用280号和600号砂纸先后打磨除锈粗化；高温