超音速火焰喷涂铜基NiCrAlY涂层的高温性能

章锐，刘多鹏，国礼杰*

（1.安徽马钢工程技术集团有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243000）

【表面技术】

超音速火焰喷涂铜基NiCrAlY涂层的高温性能

章锐1，刘多鹏1，国礼杰2,*

（1.安徽马钢工程技术集团有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243000）

通过超音速火焰喷涂(HVOF)工艺在铜基体上制备了NiCrAlY涂层，利用扫描电镜和能谱仪表征了涂层的微观形貌、孔隙率及氧化物成分。涂层在700、800和900 °C下进行的24 h恒温氧化试验表明涂层具有良好的抗高温氧化性。涂层分别能承受在600、700和800 °C进行的水淬热震试验55、30和12次，可见其热稳定性较好。

镍铬铝钇；热障涂层；铜基材；超音速火焰喷涂；恒温氧化；热震

高炉风口是高炉生产所必需的关键部件，其使用寿命直接影响到生产的效率、能耗和安全[1]。它承受着高温气流和高速煤粉的磨蚀，高温熔渣和铁水的冲刷，以及高温炉料的撞击，是破损频率最高的部件，延长其使用寿命是钢铁企业迫切要求解决的关键性技术问题[2]。目前我国绝大多数企业仍采用传统的空腔式风口，其材质主要有铜质和钢制两种。钢制风口的寿命较铜质的短，应用较少，多用于小高炉[3]。纯铜高炉风口的冷却效率高，但力学性能差，为增强其表面的耐热和耐磨性能，一般需进行表面处理。许多科研和生产制造单位采用表面涂层技术、表面堆焊合金工艺、内衬耐磨层等途径来改善风口的强度和性能，取到了较好的效果[4]。与传统的火焰喷涂和堆焊相比，由超音速火焰喷涂(HVOF)制备的涂层的残余应力低，氧化物含量少，密度大，结合强度高，近几年被广泛应用在耐高温、耐磨、耐蚀等领域[5-7]。NiCrAlY材料是目前最为常用的热喷涂高温合金材料，普遍用于表面防护和热障涂层中的粘结层[8-11]。本文采用HVOF喷涂系统在铜基体上制备了NiCrAlY涂层，并通过恒温氧化和热震试验研究了涂层的高温性能，以此来延长铜质高炉风口的使用寿命，降低生产成本，提高生产效率，具有重要的应用价值。

1 实验

1. 1 材料

基体选用纯铜板，尺寸为40 mm × 40 mm × 4 mm。为获得致密的喷涂涂层，选用德国H. C. Starck公司生产的AMPERIT 413.001 NiCrAlY粉末，其粒度为10 ～ 45 μm，成分为Ni–20Cr–10Al–0.5Y(质量分数)。图1显示了其微观形貌。

1. 2 涂层的制备

首先用丙酮清洗铜基体以去除表面油脂，再采用600#金相砂纸打磨以去除表面氧化物，然后进行喷砂处理至表面清洁度达到GB/T 8923.1–2011《涂覆涂料前钢材表面处理 表面清洁度的目视评定》中规定的Sa3.0级，露出金属光泽，表面粗糙度Ra达到2.5 μm。采用美国美科公司生产的DJF超音速火焰喷涂系统在基体上制备NiCrAlY涂层。选用丙烷为燃料气，压力为4.8 bar，流量为73.0 L/min；高压氧气为助燃气体，压力为10.3 bar，流量为265.0 L/min；氮气为送粉气，流量为14.6 L/min；喷涂距离为150 mm。所得涂层厚约150 μm，喷涂后进行真空退火以消除热应力，提高涂层与基体的结合强度。

图1 NiCrAlY粉末的形貌Figure 1 Morphology of NiCrAlY powder

1. 3 表征与性能测试

通过FEI公司的Nano SEM 430型超高分辨率场发射扫描电子显微镜(SEM)观察喷涂态涂层的微观形貌。在济南锐马机械设备有限公司制造的CSS-44100电子万能试验机上按照ASTM C633-13Standard Test Method for Adhesion or Cohesion Strength of Thermal Spray Coatings标准采用胶粘−拉伸方法测试涂层的结合强度，其中胶粘剂选择上海合成树脂研究所生产的E-7胶。

在静态常压下于700、800和900 °C对涂层和基体进行24 h恒温氧化，再用扫描电镜及其自带的能谱分析仪(EDS)观测氧化物的形貌与分布，确定氧化物成分，对比研究涂层在不同温度下的抗氧化能力。

采用水淬热震试验考察涂层的热稳定性和抗热疲劳能力：试样分别在600、700和800 °C的炉内保温15 min，取出后迅速放入常温(20 °C)的水中，淬冷3 min，干燥后用日本奥林巴斯SZX12-DP70-NE体视显微镜观察涂层的表面情况。重复这一过程直到涂层起皮或剥落，脱落总面积达到10%时，定义为涂层完全失效。每组试验取3个试样，抗热震循环次数取其平均值。

2 结果与讨论

2. 1 铜基NiCrAlY涂层的形貌

图2显示了在不同放大倍率下铜基超音速火焰喷涂NiCrAlY涂层的表面形貌。由图2可见，涂层表面平整，NiCrAlY粉末颗粒在基体上得到很好的铺展，粉末间结合致密，孔隙少。对比粉末原始形貌，由图2b和图2c可以看出粉末粒子在喷涂过程中熔化比较好，因此涂层应具有良好的结合强度。而拉伸试样均在E7胶粘剂粘接处断裂，这说明涂层的结合强度大于胶粘剂的粘结强度，涂层与基体的结合强度已达到60 MPa以上。扁平化程度呈反比[13]，喷涂颗粒铺展良好，扁平化程度高，因而获得的喷涂涂层的孔隙率低，这样在高温环境下氧向涂层内部扩散的通道就少，可推断涂层具有较好的抗高温氧化能力。

图2 不同放大倍数下NiCrAlY涂层的表面形貌Figure 2 Surface morphology of NiCrAlY coating observed at different magnifications

图3 NiCrAlY涂层的截面形貌Figure 3 Cross-sectional morphology of NiCrAlY coating

2. 2 恒温氧化试验

经过700、800和900 °C恒温氧化24 h后，涂层随炉冷却，未出现剥落、开裂等现象，说明NiCrAlY涂层具有良好的抗高温氧化性能。图4为恒温氧化后涂层表面的SEM照片，图5和表1则为涂层氧化物的EDS分析结果。可知NiCrAlY涂层恒温氧化后的氧化产物以Cr2O3、CrO3和NiO为主，还有少量Al2O3。除NiCrAlY涂层发生氧化外，在局部区域还发现了极少量呈片状的铜的氧化物(CuO和Cu2O)。这是由于在氧化过程中涂层与基体间存在Cu化学位梯度，基体铜元素经由涂层内局部区域存在的孔隙向涂层表面快速扩散并被氧化。只是因涂层的致密度较高，能在高温下较好地保护铜基体，所以铜的氧化物很少。

图4 NiCrAlY涂层在900 °C恒温氧化24 h后的表面形貌Figure 4 Surface morphology of NiCrAlY coating after 900 °C isothermal oxidation test for 24 h

图5 图4所示涂层放大后氧化产物的形貌Figure 5 Morphology of the oxidation products in the coating shown in Figure 4 after magnification

表1 图5所示涂层氧化后不同位置的元素含量Table 1 Elemental compositions of different locations on the oxidized coating shown in Figure 5

2. 3 水淬热震试验

在600、700和800 °C下水淬热震后，5%涂层脱落时的循环次数分别为55、30和12次。可见涂层的热稳定性非常好，但随着温度升高而下降。图6显示了800 °C热震试验后涂层表面的裂纹情况。由图6a可以看出，裂纹产生在涂层边缘不平整处，并向试样中心部位扩展。这是由于试样的边缘不平整，喷涂涂层后存在较大残余应力，而涂层与基体的热膨胀系数存在较大差异，冷热交替时在复杂应力的作用下，形成裂纹，并在三向应力作用下向心部扩展。图6b为涂层心部的裂纹，可见不断扩展的裂纹相互交错，形成蜘蛛网状的裂纹，涂层的边缘区域就容易从基体上脱落。通过观察图6c，发现涂层的剥落有2种情况，一是涂层与基体完全剥离，露出红色铜基体；另一种是涂层中间发生剥离脱落，脱落处呈与NiCrAlY涂层颜色不同的黑色。这是由涂层与基体以及涂层内喷涂颗粒间的结合强度决定的。如涂层与基体间的结合强度小于涂层内的结合强度，发生涂层与基体完全剥离；反之，则涂层中间发生剥离。

图6 热震试验后涂层的形貌Figure 6 Morphologies of coating after thermal shock test

3 结论

采用HVOF喷涂法在铜基体上成功制备了NiCrAlY涂层。涂层的孔隙率低，与基体具有较好的结合强度。其耐高温抗氧化能力和热稳定性较好，在700 ～ 900 °C下氧化24 h时，仅有少量基体铜发生氧化，氧化产物沿涂层内孔隙向外生长，涂层与基体的高温结合强度好，未发生脱落和开裂。裂纹产生在涂层边缘应力集中处，向涂层内部扩展，随热震循环次数增多，涂层表面形成蜘蛛网状裂纹，最终导致涂层剥落失效。

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[ 编辑：杜娟娟 ]

High-temperature performance of copper-based NiCrAlY coating prepared by high-velocity oxygen fuel spraying //

ZHANG Rui, LIU Duo-peng, GUO Li-jie*

A NiCrAlY coating was prepared on copper substrate by high-velocity oxygen fuel (HVOF) spraying process. The micromorphology, porosity and composition of oxidation products of the coating were characterized by scanning electron microscope and energy-dispersive spectrometer. The results of isothermal oxidation tests, operated at 700, 800 and 900 °C respectively for 24 h, showed that the coating has good high-temperature oxidation resistance. The coating can bear thermal shock tests at 600, 700 and 800 °C with water quenching 55, 30 and 12 times respectively, showing a good thermal stability.

nickel–chromium–aluminum–yttrium; thermal barrier coating; copper substrate; high-velocity oxygen fuel spraying; isothermal oxidation; thermal shock

Anhui Masteel Engineering Technology Group, Co., Ltd., Maanshan 243000, China

TG174.4

A

1004 – 227X (2017) 10 – 0548 –04

10.19289/j.1004-227x.2017.10.011

2016–03–31

2016–12–27

章锐（1965–），男，安徽安庆人，本科，高级工程师，主要研究方向为表面工程。

国礼杰，讲师，(E-mail) guolijie2001@sina.com。