第18卷第6期装备环境工程
2021年6月EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING·51·
大气等离子和超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN
唇炎是怎么引起的
涂层组织和性能对比
张昂，王长亮，王天颖，郭孟秋，崔永静，田浩亮
（中国航发北京航空材料研究院 航空材料先进腐蚀与防护重点实验室，北京 100095）
摘要：目的针对航空发动机叶片榫头/榫槽摩擦副工作中的微动磨损问题，开展CoCrAlYSi-hBN抗微动磨损涂层研究。方法通过大气等离子（APS）和超音速火焰（HVOF）喷涂工艺，制备CoCrAlYSi-hBN涂层，采用扫描电镜（SEM）研究涂层的形貌和微观组织，采用显微硬度计和拉伸试验机测试涂层的显微硬度和结合强度，采用SRV试验机探究涂层的摩擦磨损性能。结果APS喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层熔化更充分，显微组织均匀，具有更多高含量的hBN和孔隙；HVOF喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层显微组织具有明显的层状结构，涂层致密，hBN和孔隙含量少；APS喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层的硬度平均值为168.4HV0.3，结合强度平均值为44.6 MPa，远小于HVOF喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层的硬度（327.1HV0.3）和结合强度平均值（59.5 MPa）。相比HVOF喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层，APS喷涂CoC
rAlYSi-hBN涂层虽然有更低的摩擦系数（0.75），但涂层磨损更严重，涂层磨痕表面有明显的涂层剥落，HVOF喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层磨痕则出现更多的犁沟。结论HVOF喷涂工艺制备的CoCrAlYSi-hBN涂层的综合性能优于APS喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层，在摩擦过程中，两种工艺制备的CoCrAlYSi-hBN涂层都会转移到对偶件上，从而减少对偶件的磨损，有作为叶片榫头抗微动磨损涂层的潜力。
关键词：等离子喷涂；超音速火焰喷涂；CoCrAlYSi-hBN涂层；显微组织；抗微动磨损
中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2021)06-0051-08
乐是什么结构
DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2021.06.008
Comparison of the Microstructure and Properties of CoCrAlYSi-hBN
Coatings Prepared by APS and HVOF Process
ZHANG Ang, WANG Chang-liang, WANG Tian-ying, GUO Meng-qiu, CUI Yong-jing, TIAN Hao-liang
(Key Laboratory of Advanced Corrosion and Protection for Aviation Materials, AECC Beijing Institute of
Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)
收稿日期：2021-02-25；修订日期：2021-04-12
Received：2021-02-25；Revid：2021-04-12
基金项目：国家科技重大专项（2017-VII-0013-0110）
Fund：Supported by the National Science and Technology Major Project (2017-VII-0013-0110)
流泪的鱼作者简介：张昂（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为热喷涂技术。
Biography：ZHANG Ang (1992—), Male, Master, Rearch focus: thermal spray technology.
通讯作者：王长亮（1981—），男，博士，研究员，主要研究方向为表面工程、热喷涂涂层技术。
Corresponding author：WANG Chang-liang (1981—), Male, Doctor, Rearcher, Rearch focus: surface engineering, thermal spray coating technology.
引文格式：张昂, 王长亮, 王天颖, 等. 大气等离子和超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层组织和性能对比[J]. 装备环境工程, 2021, 18(6): 051-058.
ZHANG Ang, WANG Chang-liang, WANG Tian-ying, et al. Comparison of the microstructure and pro
perties of CoCrAlYSi-hBN coatings pre-
·52·装备环境工程 2021年6月
ABSTRACT: To eliminate the fretting wear in a dovetail attachment of a compress blade to a disc, CoCrAlYSi-hBN coatings are fabricated by the atmosphere plasma spray (APS) and high-velocity oxygen fuel (HVOF) spraying process. The microstruc-ture, hardness, bonding strength and wear property are studyed by using scanning electron microscopy (SEM), microhardness tester, adhesive strength measuring and SRV fretting friction wear tester. The coating prepared by APS had a uniformal micro-structure with higher content of hBN and pore. However, the coatings prepared by HVOF have a lamellar and den microstruc-ture with low content of hBN and pore. The hardness and bonding strength of coating prepared by APS is lower than that of coating prepared by HVOF. Although the friction coefficients of coating fabricated by APS is lower than that of coating prepared by HVOF, the coatings prepared by HVOF prent a better wear resistance than that prepared by APS. The worn surface of Co-CrAlYSi-hBN coatings prepared by APS shows apparent spalling and a little indentation. While the worn surface CoCrA-lYSi-hBN coatings prepared by HVOF shows apparent spalling. CoCrAlYSi-hBN coatings have the potential to be ud on compressor blades.
KEY WORDS: APS; HVOF; CoCrAlYSi-hBN coatings; microstructure; antifretting wear
航空发动机叶片广泛使用榫头/榫槽结构连接到轮盘上，叶片榫头/榫槽摩擦副在服役过程中的严格工况（如振动交变应力、高温等）导致其极易发生微动磨损，因此叶片榫头/榫槽需要高温抗微动磨损涂层满足其特殊工况和实际应用的要求[1-4]。CuNiIn涂层在350 ℃以下能稳定存在，硬度低，耐腐蚀性能好，是目前广泛使用在叶片榫头的一种抗微动磨损涂层[5-8]。随着对航空发动机性能需求的提升，叶片榫头工作环境越来越苛刻，CuNiIn已无法满足叶片榫头的工况[9-11]。
MCrAlY是一类良好的抗高温氧化材料体系，能耐900 ℃的高温，常用作叶片表面的抗高温氧化涂层和热障涂层的过渡层[12-18]。以MCrAlY为基相，然后加入润滑相（如hBN、Cr2O3等），形成的高温金属基自润滑复合涂层有望作为高温抗微动磨损涂层[10,19-25]。其中，CoCrAlYSi-hBN涂层是一种具有广阔应用前景的高温抗微动磨损涂层，可以作为榫头/榫槽微动磨损的防护涂层[26-27]。CoCrAlYSi为主相，在叶片榫头上喷涂，软硬适宜且工作温度能达900 ℃，具有良好的抗氧化性能；hBN作为润滑相，进一步降低涂层与对偶件的摩擦系数，保护榫槽不被磨损[28]。
CoCrAlYSi-hBN涂层可以采用等离子（APS）喷涂和超音速火焰（HVOF）喷涂工艺制备[27,29]。等离子喷涂工艺具有焰流温度高，可喷涂材料广泛的优点；超音速火焰喷涂可以在不过分加热粒子的前提下就能使粒子获得很大的动能，火焰速度可达到5倍的
音速，获得涂层的孔隙率和氧化物夹杂低，具有高的
结合强度[30-34]。目前对CoCrAlYSi-hBN涂层喷涂工
艺的研究报道很少，而对于采用APS和HVOF两种
喷涂技术制备CoCrAlYSi-hBN涂层并进行对比的研
究未见报道。
文中采用大气等离子喷涂和超音速火焰喷涂技
术制备了CoCrAlYSi-hBN涂层，研究并比较了两种
喷涂涂层的显微组织和性能。
1 试验
1.1 涂层制备
喷涂粉末采用CoCrAlYSi和hBN的机械混合粉末，其主要化学成分见表1。喷涂粉末形貌如图1所示，方框1中的球形颗粒为CoCrAlYSi金属合金，
粒度分布在8~45 μm，方框2中衬度较深的片为
h-BN，粉末粒度分布在50~229 μm。
表1 CoCrAlYSi-hBN粉末化学成分与
含量（质量分数，%）
Tab.1 Chemical composition and content (mass fraction, %)
of the CoCrAlYSi-hBN powder
Co Cr Al Y Si hBN Balance 25 5 0.27 1.75 15
图1 CoCrAlYSi-hBN粉末形貌Fig.1 Morphology of CoCrAlYSi-hBN powder
第18卷第6期张昂等：大气等离子和超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层组织和性能对比·53·
分别采用Multicoat等离子喷涂系统和DJ2700超音速火焰喷涂设备制备CoCrAlYSi-hBN涂层。试样基体材料选用TiAl合金，喷涂前对基体表面采用丙酮或酒精清洗去油、除污，随后进行喷砂粗化处理。喷砂选用46目白刚玉，喷砂压力为0.3~0.5 MPa。等离子和超音速火焰喷涂工艺参数分别见表2和表3。
表2 大气等离子喷涂工艺参数
Tab.2 Spraying parameters of APS process
The flow rate of Ar The flow rate of H2Current The flow rate of Carrier gas Ar Stirrer speed Spray distance
50 L/min 6 L/min 400 A 4 L/min 20% 100 mm
家人群表3 超音速火焰喷涂工艺参数
Tab.3 Spraying parameters of HVOF process
The flow rate of O2The flow rate of C3H8The flow rate of Air Feed pressure Spray distance
28 L/min 28 L/min 40 L/min 15.86 kPa 325 mm
1.2 涂层性能表征
采用Quanta 600型扫描电镜分析粉末形貌、粒度及涂层表面和截面显微形貌，用孔隙率分析软件测试涂层孔隙和hBN含量。采用Struers Duramin型显微硬度计测试涂层的显微硬度，载荷为300 g，加载时间为15 s，每个试样测10个测试点。根据HB 5476— 1991《热喷涂涂层结合强度试验方法》在Instron5882型拉伸机上测试涂层与基体的结合强度，每个试样测试3个值，取其平均值。采用SRV摩擦磨损试验机线接触磨损测试CoCrAlYSi-hBN涂层的摩擦磨损性能，上试样为GH141高温合金，下试样基体为TiAl 合金，在其表面喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层。摩擦磨损试验条件：载荷为100 N，行程为0.2 mm，频率为50 Hz，温度为550 ℃。
2 结果及分析
2.1 涂层显微组织
大气等离子喷涂工艺和超音速火焰喷涂工艺制备的CoCrAlYSi-hBN涂层的表面和截面微观组织如图2所示。两种涂层都包含亮的部分和暗的部分，亮的地方为CoCrAlYSi，暗的部分为hBN和孔隙。从
图2 大气等离子和超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层表面和截面形貌
Fig.2 Surface (a, b) and (c, d) cross ction microstructures of CoCrAlYSi-hBN coatings under (a, c) APS and (b, d) HVOF
·54·装备环境工程 2021年6月
表面形貌来看，超音速火焰喷涂工艺制备的CoCrA-lYSi-hBN涂层表面大部分仍呈现未熔颗粒形态（图2b）。相比超音速火焰喷涂工艺制备的涂层，等离子喷涂工艺制备的CoCrAlYSi-hBN涂层粒子虽然也有少部分未熔球形颗粒，但整体上看铺展更充分，扁平化程度更高（图2a）。由于等离子喷涂工艺是采用等离子弧作为热源，其焰流温度远大于超音速火焰，因此，在等离子喷涂过程中，粉末粒子熔融更充分，撞击表面后充分变形扁平化，堆积紧密。在超音速火焰喷涂过程中，火焰温度相对较低，焰流速度快，使得粒子处于半熔融态，凝固后仍保持颗粒状。
运球
从截面形貌（图2c和图2d）来看，等离子喷涂工艺制备的CoCrAlYSi-hBN涂层的截面微观组织比较均匀，超音速火焰喷涂工艺制备的CoCrAlYSi-hBN涂层的截面微观组织具有典型的层状结构。这是由于高速高温的喷涂粒子喷涂到基体时，在高冲击力的作用下变形充分，经历急速冷却、凝固，并不断堆积、重叠，最终形成片层堆积结构，但等离子喷涂热源温度高，粉末熔化更充分，等离子喷涂涂层层状结构不明显，组织较均匀。另外，相比等离子喷涂涂层，超音速火焰喷涂得到的CoCrAlYSi-hBN具
有更多的未熔颗粒，与表面形貌对应。两种工艺喷涂的CoCrAlYSi-hBN涂层都由3部分组成：浅灰色基体，灰色及黑色夹杂。其中浅灰色部分为CoCrAlYSi合金，灰色部分为氧化物夹杂，黑色部分为hBN相及涂层孔隙，CoCrAlYSi合金相作为骨架基体支撑着整个涂层。等离子喷涂得到的CoCrAl-YSi-hBN涂层具有更多的hBN和孔隙。通过image J 图像处理软件对涂层显微照片进行分析，采用面积法测定了涂层中hBN相和孔隙所占比例。等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层中hBN+孔隙的占比为10.09%，超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层中hBN+孔隙的占比为1.59%。这是由于在超音速喷涂过程中，一方面，火焰速度很快，但hBN不熔融，hBN撞击到基体上被反射出去；另一方面，每遍涂层增加的厚度很低，hBN 嵌入涂层中的量很少，最终导致涂层中的hBN和孔隙含量很低。因此最终超音速火焰喷涂的CoCrAlYSi-hBN 涂层的显微组织主要由致密的CoCrAlYSi、氧化物夹杂和细小的孔隙组成；而等离子喷涂的CoCrAlYSi-hBN 涂层则含有较高的孔隙和hBN。
2.2 涂层硬度
大气等离子和超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层的硬度值见表4。超音速火焰喷涂CoCrAlYSi- hBN涂层的硬度平均值为327.1HV0.3，远远高于等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层（168.4HV0.3）。超音速火焰喷涂工艺喷涂粒子速度快，超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层致密，且涂层中hBN含量少，涂层硬度更高。涂层截面金相也证实了超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层比等离子喷涂CoCrAlYSi- hBN涂层更加致密，孔隙和hBN含量更低。因此超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层硬度远远高于等
离子喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层。
2.3 涂层/基体结合强度
涂层结合强度的测试结果见表5。超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层结合强度的平均值为59.5 MPa，高于等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层（44.6 MPa）。这是由于与等离子喷涂工艺相比，超音速火焰喷涂工艺粒子焰流速度快，喷涂粉末粒子具有更大的动能，形成的涂层具有更高的结合强度。
表4 大气等离子和超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层显微硬度测试结果
Tab.4 Testing results of hardness of CoCrAlYSi-hBN coatings prepared by APS and HVOF
Hardness(HV0.3)
Process
fail的过去式1’ 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ 7’ 8’ 9’ 10’
Average(HV0.3) APS 124.4 131.0 222.4 155.7 164.488.7 213.0121.5217.6 244.9 168.4 HVOF 374.4 292.4 342.1 309.2 354.7287.6338.7289.5310.5 371.6 327.1
空床卧听南窗雨
表5 大气等离子和超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层结合强度试验结果
Tab.5Testing results of bonding strength of CoCrAlYSi-hBN coatings prepared by APS and HVOF
Bonding strgenth/MPa
Process
1’ 2’ 3’
Average/MPa APS 42.4 47.9 43.4 44.6 HVOF 62.8 57.6 58.1 59.5 2.4 涂层摩擦磨损性能
采用SRV销盘线接触磨损的方式对分别采用等离子和超音速火焰喷涂工艺制备的CoCrAlYSi-hBN 涂层与CH141基体组成的摩擦副的摩擦磨损性能进行测试。涂层与GH141摩擦副的磨损系数如图4所示，摩擦系数出现一个迅速上升的过程，然后摩擦系数趋于稳定。超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层的摩擦系数约为0.75，略大于等离子喷涂CoCrAlYSi- hBN涂层的摩擦系数。
磨痕的磨损形貌采用扫描电镜和白光干涉仪进行测试分析，如图5和图6所示。观察实验后磨痕形貌，超音速火焰喷涂和等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层与GH141摩擦副都有明显的摩擦痕迹。大气等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN涂层磨痕表面有明显的涂
第18卷 第6期 张昂等：大气等离子和超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层组织和性能对比 ·55·
图4 大气等离子和超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层与GH141合金摩擦副摩擦系数曲线
Fig.4 Friction coefficient curves of CoCrAlYSi-hBN coatings prepared by APS and HVOF and CH141 alloy
层剥落坑，超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层磨痕更多的是犁沟，也有轻微剥落现象出现。等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层磨痕表面有明显的涂层剥离，是由于在高温下，涂层发生软化，强度降低，并且等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层本身硬度偏低，在摩擦副的挤压下更容易发生塑性变形。变形区在反复摩擦的应力作用下，会产生大块的疲劳剥落，形成剥落坑，从而导致等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层的明显剥离。超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层磨痕表面剥离轻微，出现一些犁沟。这是由于超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层硬度高，磨屑中的磨粒导致涂层表面出现犁沟。随着摩擦时间的延长，超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层在反复摩擦的应力作用下出现涂层剥落。
图5 大气等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层与对磨副GH141合金磨痕形貌及三维轮廓
Fig.5 (a, b) SEM morphology and (c, d) three-dimensional contours of (a, c) CoCrAlYSi-hBN coatings prepared by APS and (b, d) GH141 alloy worn surfaces
白光干涉测得的三维轮廓清晰地表明超音速火焰喷涂和等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层磨痕低出基准面很多，磨损严重，对偶件GH141合金表面磨痕则高出基准面，出现了材料的增加，表明等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层转移到了GH141对偶件上。等离子喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层磨痕表面凹凸不平，磨痕宽度约为650 μm ，最大磨痕深度达到47.5 μm ，涂层磨损体积为61 137 537 μm 3。相应对偶件的磨痕
花卉纹样宽度也约为650 μm ，磨痕表面出现了材料的增加，增加高度最高处约为55 μm 。超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层磨痕表面整体较平整，宽度约为650 μm ，最大磨痕深度达到6.5 μm ，涂层磨损体积为19 458 315 μm 3。相应对偶件的磨痕宽度也约为650 μm ，磨痕表面出现了材料的增加，测得的增加高度最大值约为 3.75 μm ，表明超音速火焰喷涂CoCrAlYSi-hBN 涂层转移到了GH141对偶件上。由
