CN117626161A - 一种高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层及其制备方法。所述高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层的元素组成包括：以质量百分比计，Mo：27.0～33.1wt.％，Cr：16.9～18.5wt.％，Si：3.1～4.9wt.％，Co：42.1～48.5wt.％，O：1.9～4.6wt.％。
Description
技术领域
本发明属于热喷涂合金涂层制备技术领域，具体涉及一种高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层及其制备方法。
背景技术
航空发动机的性能在一定程度上代表着一个国家的综合国力、工业基础和科技发展水平。其中，密封结构是航空发动机重要的结构组成单元，直接影响着发动机的工作效率和使用寿命。密封结构在服役过程中要长时间承受高温、高磨损、热冲击等严苛的工况环境，传统的金属密封结构往往难以满足性能要求。采用热喷涂技术在金属密封结构件关键表面制备一层结合牢固并且高温耐磨、耐热冲击的涂层可以有效增强密封结构的性能和服役寿命。
发动机工作时，工件由于受热膨胀存在相对运动，加上发动机振动，涂层需要具有良好的耐微动磨损性能。发动机的启停会使涂层频繁经受热冲击，涂层必须具备高结合强度、高抗热冲击的特性才能满足其复杂的工况环境要求。另外，飞机发动机在沿海环境使用或停置时往往还会经受盐雾腐蚀，因此涂层还需具有优异的耐盐雾腐蚀性能。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有良好的高温耐磨、耐热冲击、耐盐雾腐蚀性能的合金涂层，并且所述合金涂层与基材具有较高的结合强度，能够有效提高发动机密封结构的使用寿命。
第一方面，本发明提供了一种高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层，所述合金涂层的元素组成包括：以质量百分比计，Mo：27.0～33.1wt.％，Cr：16.9～18.5wt.％，Si：3.1～4.9wt.％，Co：42.1～48.5wt.％，O：1.9～4.6wt.％。
较佳地，所述合金涂层的物相组成包括Co7Mo6、Mo5Si3、Co3Mo2Si、CrSi2、Cr-Co-Mo固溶体、Co2Si、Cr5Si3中的至少一种。
较佳地，所述Co7Mo6以金属间化合物的形式存在，所述Co3Mo2Si以Laves相的形式存在。
较佳地，所述合金涂层的厚度为50～350μm。
第二方面，本发明提供了一种上述高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：采用超音速火焰喷涂技术，在基材表面喷涂合金涂层粉体原料，得到所述高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层。
较佳地，所述基材为高温合金基材，优选为GH3128和GH4169中的一种。
较佳地，所述合金涂层粉体原料的元素组成包括：以质量百分比计，Mo：27.5～33.6wt.％，Cr：16.9～18.5wt.％，Si：3.1～4.9wt.％，Co：余量。
较佳地，所述合金涂层粉体原料的物相组成包括Co7Mo6、Mo5Si3，Co3Mo2Si、CrSi2、Cr-Co-Mo固溶体。
较佳地，所述超音速火焰喷涂技术中，采用的燃气为氢气和氧气，燃气流量为860～901SLPM，其中所述氧气和氢气的流量比为0.20～0.50，优选为0.30～0.35；送粉盘转速为15～25％；喷涂遍数为8～30。
有益效果
相较于大气等离子体喷涂等方式，本发明采用超音速火焰喷涂工艺制备的涂层结构更为致密，涂层表面粗糙度更低，高温摩擦系数更为稳定；相较于煤油和氧气、丙烯/丙烷和氧气等燃料/燃气，本发明中超音速火焰喷涂技术采用的燃气为氢气和氧气，燃气不含C，可以避免在涂层中引入碳残留，且射流速度大，能够获得更为致密的涂层；另外，超音速火焰喷涂射流速度随氧气占比的增大而减小，氧气占比较大易对涂层显微结构造成不利影响。
附图说明
图1为实施例1制备得到的合金涂层样品的数码照片、截面SEM图像；
图2为实施例1制备得到的合金涂层样品的XRD图谱；
图3为实施例1制备得到的合金涂层样品热震50次(500℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像；
图4为实施例2制备得到的合金涂层样品热震50次(500℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像；
图5为实施例3制备得到的合金涂层样品热震50次(900℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像；
图6为实施例4制备得到的合金涂层样品热震50次(900℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像；
图7为对比例1制备得到的合金涂层样品的数码照片、截面SEM图像和XRD图谱；
图8为对比例1制备得到的合金涂层样品热震50次(500℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像；
图9为对比例2制备得到的合金涂层样品热震50次(500℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像；
图10为对比例3制备得到的合金涂层样品热震50次(900℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像；
图11为对比例4制备得到的合金涂层样品热震50次(900℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像。
具体实施方式
通过实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
首先，本发明提供了一种高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层。其中，所述合金涂层的元素组成可以包括：以质量百分比计，Mo：27.0～33.1wt.％，Cr：16.9～18.5wt.％，Si：3.1～4.9wt.％，Co：42.1～48.5wt.％，O：1.9～4.6wt.％。
本发明提供的高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层主要成分为CoMoCrSi合金。其中，CoMoCrSi合金具有优异的性能，在基质相和Laves相中分布的Cr元素有助于提高Tribaloy等合金的耐腐蚀性能，Mo元素的添加能够赋予钴基等金属基体较高的高温强度。
进一步来说，Mo和Cr元素能够通过降低堆垛层错能，增强塑性变形诱导钴基等基体中fcc向hcp晶体结构转变，这种同素异构转变可以增加合金的加工硬化率，有利于钴基合金等基体的耐磨性。此外，在高温服役环境下，Co、Mo元素形成的氧化物(如CoMoO4等)具有自润滑特性，能够降低涂层与外界的摩擦力；Si、Cr元素能阻止涂层中其他元素的迁移，且能阻止环境中的O元素渗透到涂层中从而避免进一步氧化；Cr元素在涂层表面生成的Cr2O3还能提高涂层表面的显微硬度。
Mo元素通过提高扩散激活能，降低合金中的扩散，从而增强原子间结合力，提高合金的硬度和高温强度，Mo还能够促使涂层中Laves相的形成。如果Mo的含量过低，会影响Laves相的形成；如果Mo的含量过高，则会影响涂层力学性能，造成蠕变性能降低。此外，Cr的含量过低会导致合金涂层的抗氧化和抗腐蚀性能大大减弱，而Cr的含量过高则会强烈促进TCP(Topologically Close-Packed)相的析出，从而损害涂层力学性能。Si的加入可以增加合金的强度和硬度，但含量过高则会影响涂层力学性能。
在一些实施方式中，所述合金涂层的物相组成可以包括Co7Mo6、Mo5Si3、Co3Mo2Si、CrSi2、Cr-Co-Mo固溶体、Co2Si、Cr5Si3中的至少一种。
CoMoCrSi涂层的物相组成直接影响涂层的性能。本发明提供的CoMoCrSi合金涂层中，在各相的共同作用下，涂层具有良好的高温耐磨、耐热冲击、耐盐雾腐蚀性能，并且与金属基材具有较高的结合强度，高温下摩擦系数稳定。
其中，所述合金涂层的物相存在非晶相。在一些实施方式中，所述Co7Mo6以金属间化合物的形式存在，所述Co3Mo2Si以Laves相的形式存在。Co3Mo2Si相具有高硬度，高熔点的特点，Co7Mo6和Co3Mo2Si可以提高涂层的高温性能。
进一步地，本发明提供的合金涂层的物相中，Co7Mo6在涂层中起到弥散强化的作用，能够提高涂层的耐摩擦性能；涂层中的Co3Mo2Si具有较高的硬度，有利于提高涂层的显微硬度；CrSi2的产生能改善材料的结构、热学和电化学性能；Si空位缺陷的存在则使Cr5Si3表现出更大的相稳定性和更好的热学性能。
在一些实施方式中，所述合金涂层的厚度可以为50～350μm。厚度过大会导致涂层在热冲击的过程中更容易剥落，厚度过小则会使涂层难以均匀覆盖基材，影响耐磨性能。
以下，示例性说明本发明提供的高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层的制备方法。所述制备方法可以包括以下步骤：采用超音速火焰喷涂技术，在基材表面喷涂合金涂层粉体原料，得到所述高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层。
在一些实施方式中，所述基材可以为高温合金基材，优选为GH3128和GH4169中的一种。
优选地，所述基材在喷涂前可以进行预处理；所述预处理可以包括喷砂、超声清洗、压缩空气吹干的工艺。
在一些实施方式中，所述合金涂层粉体原料的元素组成可以包括：以质量百分比计，Mo：27.5～33.6wt.％，Cr：16.9～18.5wt.％，Si：3.1～4.9wt.％，Co：余量。
在一些实施方式中，所述合金涂层粉体原料的物相组成可以包括Co7Mo6、Mo5Si3，Co3Mo2Si、CrSi2、Cr-Co-Mo固溶体。
在一些实施方式中，所述超音速火焰喷涂技术中，采用的燃气可以为氢气和氧气，燃气流量可以为860～901SLPM，其中所述氧气和氢气的流量比可以为0.20～0.50，优选为0.30～0.35；送粉盘转速可以为15～25％；喷涂遍数可以为8～30。
CoMoCrSi涂层的制备工艺直接影响涂层的物相和结构，进而影响涂层性能。本发明采用的燃气不含C，可以避免在涂层中引入碳残留。射流速度大，能够获得更为致密的涂层。通过调控气体流量，在制备过程中能够充分熔融CoMoCrSi粉体，使粉体各元素在喷涂和沉积中发生合适的反应，获得Co7Mo6、Mo5Si3、Co3Mo2Si、CrSi2、Cr-Co-Mo、Co2Si、Cr5Si3相等结构。
特别的，当氧气和氢气的流量比过大时，容易影响粉体熔融和铺展效果，且在喷涂过程中易发生氧化现象。
采用本发明提供的制备方法得到的合金涂层与基体的结合强度为46～85MPa；涂层经历50次500℃或900℃～水淬热冲击后，涂层完好，无裂纹、剥落等现象，涂层与基体的结合强度仍大于40MPa；法向载荷50～80N、频率5Hz、温度400～500℃、循环次数50100～57000次的条件下，涂层摩擦系数变化率为11～24％；按GB/T 10125-2012试验方法，在(50±5)g/LNaCl，温度(35±2)℃，pH 6.5～7.2条件下进行1000小时连续喷雾试验，涂层未开裂和剥落，表面无锈点。所以，本发明提供的合金涂层具有良好的高温耐磨、耐热冲击、耐盐雾腐蚀性能，并且与金属基材具有较高的结合强度，高温下摩擦系数稳定。
下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围，下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
本实施例1提供的高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层的制备方法包括以下步骤：
(1)将GH4169合金基材表面进行喷砂、超声清洗、压缩空气吹干预处理；
(2)采用超音速火焰喷涂工艺将CoMoCrSi合金涂层粉体原料沉积于预处理后的金属基材表面，得到所述高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层。
其中：
合金涂层粉体原料的元素组成包括：以质量百分含量计，Mo：33.0wt％，Cr：17.4wt％，Si：4.1wt％，Co：余量；
喷涂参数为：燃气流量897SLPM，燃气包括氢气和氧气，氧气和氢气的流量比为0.3，送粉盘转速为20％，喷涂遍数为10；
合金涂层的元素组成包括：以质量百分比计，Mo：33.0wt.％，Cr：17.1wt.％，Si：4.8wt.％，Co：43.2wt.％，O：1.9wt.％；
合金涂层的物相组成包括Co7Mo6、Mo5Si3、Co3Mo2Si、CrSi2、Cr-Co-Mo固溶体、Co2Si、Cr5Si3。
经测试得到，实施例1制备得到的合金涂层样品与基体的结合强度为68.3±11.3MPa；法向载荷80N、频率5Hz、温度500℃、循环次数57000次的条件下，涂层摩擦系数稳定，摩擦系数变化率14％，试验后涂层无明显裂纹。
图1为实施例1制备得到的合金涂层样品的数码照片、截面SEM图像，图2为实施例1制备得到的合金涂层样品的XRD图谱。从图中可以看出，涂层厚度约为130μm，涂层与基材紧密结合，涂层较为致密。
图3为实施例1制备得到的合金涂层样品热震50次(500℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像。从图中可以看出，热震后，涂层完好，无裂纹、剥落等现象。
实施例2
本实施例2的制备方法参照实施例1，主要区别在于：喷涂遍数为28，得到的涂层厚度为350μm。
图4为实施例2制备得到的合金涂层样品热震50次(500℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像。从图中可以看出，热震后，涂层完好，无裂纹、剥落等现象。
实施例3
本实施例3的制备方法参照实施例1，主要区别在于：所用基材为GH3128。
图5为实施例3制备得到的合金涂层样品热震50次(900℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像。从图中可以看出，热震后，涂层完好，无裂纹、剥落等现象；且经测试可知，热震后涂层的结合强度为81.7±2.7MPa。
实施例4
本实施例4的制备方法参照实施例1，主要区别在于：喷涂遍数为28，所用基材为GH3128，得到的涂层厚度为350μm。
图6为实施例4制备得到的合金涂层样品热震50次(900℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像。从图中可以看出，热震后，涂层完好，无裂纹、剥落等现象。
对比例1
本对比例1的制备方法参照实施例1，主要区别在于：采用大气等离子体喷涂技术，主要参数为：等离子体气体(H2+Ar)流量为65SLPM，功率为45kW，喷涂遍数为8。
其中：
合金涂层的元素组成包括，以质量百分比计，Mo：33.5wt.％，Cr：16.4wt.％，Si：3.3wt.％，Co：41.4wt.％，O：5.4wt.％；
合金涂层的物相组成包括SiO2、Co2Si、Cr5Si3、Co7Mo6、CoCr2O4、Co3Mo2Si、CrSi2、Cr-Co-Mo。
图7为对比例1制备得到的合金涂层样品的数码照片、截面SEM图像和XRD图谱。从图中可以看出，涂层厚度约为130μm，与HVOF(超音速火焰喷涂)涂层相比，APS(等离子体喷涂)涂层孔隙较多；而且，与HVOF涂层相比，涂层中氧含量较多，在APS喷涂过程中，合金粉体更容易被氧化。
图8为对比例1制备得到的合金涂层样品热震50次(500℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像。从图中可以看出，热震后，涂层完好，无裂纹、剥落等现象。
对比例2
本对比例2的制备方法参照对比例1，主要区别在于：喷涂遍数为23，得到的涂层厚度为350μm。
图9为对比例2制备得到的合金涂层样品热震50次(500℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像。从图中可以看出，热震后，涂层完好，无裂纹、剥落等现象。
对比例3
本对比例3的制备方法参照对比例1，主要区别在于：所用基材为GH3128。
图10为对比例3制备得到的合金涂层样品热震50次(900℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像。从图中可以看出，热震后，涂层完好，无裂纹、剥落等现象。
对比例4
本对比例例4的制备方法参照对比例1，主要区别在于：喷涂遍数为23，所用基材为GH3128，得到的涂层厚度为350μm。
图11为对比例4制备得到的合金涂层样品热震50次(900℃～室温)后的数码照片与和截面SEM图像。从图中可以看出，热震后，涂层出现剥落现象。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层，其特征在于，所述合金涂层的元素组成包括：以质量百分比计，Mo：27.0～33.1wt.％，Cr：16.9～18.5wt.％，Si：3.1～4.9wt.％，Co：42.1～48.5wt.％，O：1.9～4.6wt.％。
2.根据权利要求1所述的高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层，其特征在于，所述合金涂层的物相组成包括Co7Mo6、Mo5Si3、Co3Mo2Si、CrSi2、Cr-Co-Mo固溶体、Co2Si、Cr5Si3中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层，其特征在于，所述Co7Mo6以金属间化合物的形式存在，所述Co3Mo2Si以Laves相的形式存在。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层，其特征在于，所述合金涂层的厚度为50～350μm。
5.一种权利要求1-4中任一项所述的高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：采用超音速火焰喷涂技术，在基材表面喷涂合金涂层粉体原料，得到所述高温耐磨、耐热冲击、耐腐蚀合金涂层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述基材为高温合金基材，优选为GH3128和GH4169中的一种。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述合金涂层粉体原料的元素组成包括：以质量百分比计，Mo：27.5～33.6wt.％，Cr：16.9～18.5wt.％，Si：3.1～4.9wt.％，Co：余量。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述合金涂层粉体原料的物相组成包括Co7Mo6、Mo5Si3，Co3Mo2Si、CrSi2、Cr-Co-Mo固溶体。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述超音速火焰喷涂技术中，采用的燃气为氢气和氧气，燃气流量为860～901SLPM，其中所述氧气和氢气的流量比为0.20～0.50，优选为0.30～0.35；送粉盘转速为15～25％；喷涂遍数为8～30。
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