等离子喷涂Al/BN涂层工艺研究

李俊辰，叶俊华，杨秀恩，付俊波，姚文明

（成都航利实业有限公司，成都 611937）

0 引言

为减小航空发动机转子与静子之间的间隙，提高航空发动机燃油效率，封严涂层被大量运用于航空发动机中，Al/BN 涂层因硬度适中、耐磨性好、抗冲蚀能力强而被广泛运用于航空发动机压气机部位[1-2]。目前，针对Al/BN 涂层的研究主要集中在粉末性能、涂层力学性能、涂层腐蚀性能等方面，而对Al/BN 涂层制备过程中涂层各项性能指标与制备参数之间的响应关系确鲜有报道[3-5]，因此在该类封严涂层制备过程中主要通过“试错法”进行参数调试，从而导致涂层开发周期较长，设备利用率低。

针对上述问题，本文通过正交实验设计软件对等离子喷涂Al/BN 涂层过程中涂层硬度、化学成分与等离子喷涂参数之间的响应关系进行了研究，建立了涂层硬度、化学成分与各参数之间的响应关系，并通过排列组合优选出最佳工艺参数，并对筛选出的最优工艺参数进行验证，从而为该类涂层的制备提供方法参考。

1 实验

1.1 实验材料

喷涂粉末采用北京矿冶科技集团有限公司生产的Al/BN 粉末，粉末主要技术指标如表1 及表2 所示。硬度试样、化学成分分析试样、热稳定性试样、结合强度试样的基体材料为钛合金，硬度试样尺寸为：50 mm×70 mm×1.5 mm，制备的涂层厚度≥5.5 mm；涂层化学成分分析试样刮取自测试硬度后的硬度试样；热稳定性试样与硬度试样尺寸及涂层厚度要求一致；结合强度试样尺寸为：φ25.4 mm×5 mm，涂层厚度为0.25～0.30 mm。

表1 Al/BN 粉末化学成分Table 1 Chemical composition of Al/BN powder

表2 Al/BN 粉末粒度组成Table 2 Grain size of Al/BN powder

1.2 涂层制备

采用Metco-9MC 热喷涂系统及3MB 等离子喷枪进行涂层制备，底层采用等离子喷涂NiAlW涂层，制备参数在实验过程中保持一致。制备面层Al/BN 时，先利用Minitab 实验设计软件，进行5 因素2 水平的硬度实验及化学成分实验，采用Mintab 软件设计的等离子喷涂过程中氩气流量、氢气流量、电流、送粉速率、喷涂距离的2水平试验参数组合如表3 所示。通过实验建立关系模型，并优选出符合工艺要求的参数后，再分别在优选的参数范围内制备硬度试样、化学成分分析试样、结合强度试样和热稳定性试样。

表3 正交实验设计参数Table 3 The parameters obtained by orthogonal design

1.3 检测设备及方法

涂层硬度测试采用HB-3000 布氏硬度计，硬度测试标尺为HBW10/250/30，以测试的3 点压痕直径的平均值作为涂层硬度值。涂层化学成分分析试样通过在测试完硬度后的试样上刮取，并采用SPECTROGREEN ICP-OES 等离子体发射光谱仪进行定量分析。采用粘胶法制备涂层结合强度试样，结合强度测试在万能拉伸试验机上进行。涂层热稳定性测试方法为：先将带涂层试样在450℃的高温炉中保温100 h，取出后自然冷却到室温，再进行硬度测试。

2 结果及分析

2.1 硬度及化学成分关系模型建立

由表3 可见通过1/4 因子设计，可将实验次数由32 次减少至8 次，从而大大减少试验次数。通过硬度实验及化学成分实验，确定的各个因素及水平下的涂层硬度值、SiO2含量、BN 含量如表4 所示。

表4 硬度及化学成分测试结果Table 4 Test results of hardness and chemical composition

利用Minitab 软件对表3 及表4 的数据进行回归分析，得出硬度压痕直径、BN 含量及SiO2含量与氩气流量、氢气流量、电流、送粉速率、喷涂距离之间的关系式：

硬度压痕直径=11.25-0.05983×氩气-0.5263×氢气-0.01419×电流+0.0125×送粉速率+0.02775×喷涂距离+0.001646×氢气×电流-0.00225×氢气×喷涂距离

BN 含量=30.18-0.086× 氩气-1.283× 氢气 -0.004375×电流-0.002667×送粉速率-0.0975×喷涂距离+0.000875×氢气×电流+0.000875×氢气×电流+0.00883×氢气×喷涂距离

SiO2含量=10.31-0.000667×氩气+0.0933×氢气+0.01369×电流-0.01567×送粉速率-0.09375×喷涂距离-0.002083×氢气×电流+0.007×氢气×喷涂距离

因本文采用涂层压痕直径计量涂层硬度值，硬度压痕直径越小，涂层硬度越高，结合拟合公式可知，涂层布氏硬度与氩气流量、氢气流量及电流成正比，与喷涂距离及送粉速率成反比；BN含量与氩气流量、氢气流量、电流、送粉速率及喷涂距离成反比；SiO2含量与氢气流量、电流成正比，与氩气流量、送粉速率和喷涂距离成反比。

热喷涂涂层硬度主要与粉末粒子熔化状态、粉末粒子撞击基体的速度有关，在一定范围内氩气流量越高，粉末在焰流中的飞行速度越快，粉末撞击基体的速度也越快，涂层硬度越高，但氩气流量过高会加速粉末在焰流中的冷却速度，使粉末熔化不充分，导致涂层疏松、多孔，进而降低涂层硬度。在一定范围内，氢气流量主要影响焰流热焓值，氢气流量越高焰流热焓值越高，粉末熔化越充分，涂层硬度越高。从硬度拟合关系可知：影响涂层硬度的主要因素是氢气流量，说明在实验参数范围内，涂层硬度主要受粉末粒子熔化状态控制，氩气流量对粉末粒子产生的冷却效应和加速效应经综合后对涂层硬度值贡献量较小。涂层中BN 的含量及SiO2的含量主要受氢气流量控制，氢气流量越高，等离子焰流温度越高，粉末中Al、SiO2、BN 等烧损越厉害，但因SiO2烧损速率不及Al、BN 快，所以在实验参数范围内SiO2的含量表现出与氢气流量成正比。同时，从拟合关系可知，在实验参数范围内送粉速率、喷涂距离、电流等参数通过影响粉末粒子的熔化状态及在焰流中的飞行速度对涂层的硬度及化学成分产生影响。

2.2 优选工艺参数

利用正交实验设计软件建立起涂层硬度、化学成分与等离子喷涂参数之间的响应关系后，输入相应的喷涂参数值就可以对硬度及化学成分进行预测，但通过单组参数输入很难优选出最佳工艺参数，本研究利用Excel 排列组合公式，按表5所示规律，求出氩气流量、氢气流量、电流、送粉速率、喷涂距离的所有排列组合共计5441 组，再将硬度值公式、BN 含量公式、SiO2含量公式导入上述排列组合之中，得出硬度和化学成分含量的预测值。

依据该涂层多年使用经验并结合相关文献可知[6-7]，该类涂层适应的HBW10/250/30 硬度压痕直径范围为：(4.8～6.3)mm，适宜的化学成分要求为：SiO2含量≤8%，BN 含量为：(13～20)%。为此本研究从各预测值中筛选出硬度值及化学成分均满足指标要求且具备一定工艺窗口的参数，如表6 所示。

表5 参数排列组合设计准则Table 5 Design criteria of parameters permutation and combination

表6 优选出的工艺参数Table 6 The optimized process parameters

在表6 所示的工艺参数范围内，利用Mintab软件进行正交实验设计，并进行涂层硬度及化学成分预测，得到的结果如表7 所示。

表7 优选参数范围内硬度及化学成分预测值Table 7 Predicted hardness and chemical composition of the optimized parameters

编号氩气流(NLPM)SiO2 含量估测值(wt.%)5407480301105.7814.594.61 6406480351105.7314.394.56 7457470351105.5713.334.15 8456470301105.6714.035.15氢气流量(NLPM)电流(A)送粉速率(g/min)喷涂距离(mm)硬度压痕直径估测值(mm)BN 含量估测值(wt.%)

2.3 涂层性能考核验证

利用表6 优选出的参数进行了硬度实验及化学成分分析实验，硬度测试结果见图1，化学成分分析结果见图2 所示。由图1 及图2 可知：通过参数模型预测的硬度及化学成分与实际测试结果的吻合性较好，说明建立的关系模型可靠性高。同时，在测试的所有参数中，第3 组参数硬度值最高，在图2 中个别组的化学成分预测值与实际值有较大差异，这可能与化学成分分析过程中的精度控制有关。

图1 硬度实测结果与预估结果比较Fig.1 Comparison of the measured hardness and predicted hardness

图2 化学成分实测结果与预测结果比较Fig.2 Comparison of measured chemical composition and predicted chemical composition

采用表6 所示的8 组参数，制备了结合强度试样，涂层结合强度测试结果如图3 所示，可见采用预测的工艺参数制备的涂层结合强度均值均在4MPa 以上，满足该封严涂层要求的大于等于4MPa 的要求[8-9]。同时，在实验参数范围内，采用第7 组参数制备的结合强度最高，达到了11MPa 以上，且该组参数对应的硬度值也较高，这是因为：在较高的氢气流量和较高的氩气流量下，粉末粒子对应较好的熔化状态及较高的撞击基体速度，从而使形成的涂层更加致密，对应的结合强度较高。进一步研究还可以发现：在第3组参数下，获得的涂层结合强度及硬度值最低，这可能与在高氩气流量、高氢气流量、高电流作用下等离子焰流热焓值最高，加之较远的喷涂距离使得涂层内部氧化较为严重，从而使获得的涂层硬度及结合强度较低。

涂层经450℃，100 小时热处理后，涂层的硬度略有降低（见图4），这可能与热处理后涂层内部残留的粘结剂分解，涂层内孔孔洞增加，从而导致涂层硬度下降有关[10-11]；涂层总体硬度变化不大，且在(4.8～6.3)mm 范围内，说明采用预测的参数制备的Al/BN 涂层的热稳定性较好。

图3 结合强度测试结果Fig.3 Results of tensile bond strength

图4 热稳定实验结果Fig.4 results of thermal stability

3 结论

(1)通过正交实验确定了等离子喷涂Al/BN 涂层过程中，涂层硬度与各喷涂参数之间的关系模型为：

硬度压痕直径=11.25-0.05983×氩气-0.5263 ×氢气-0.01419×电流+0.0125×送粉速率+0.02775×喷涂距离+0.001646×氢气×电流-0.00225×氢气×喷涂距离

(2)通过正交实验确定了等离子喷涂Al/BN 涂层过程中，涂层化学成分与各喷涂参数之间的关系模型为：

BN 含量=30.18-0.086× 氩气-1.283× 氢气 -0.004375×电流-0.002667×送粉速率-0.0975×喷涂距离+0.000875×氢气×电流+0.000875×氢气×电流+0.00883×氢气×喷涂距离

SiO2含量=10.31-0.000667×氩气+0.0933×氢气+0.01369×电流-0.01567×送粉速率-0.09375×喷涂距离-0.002083×氢气×电流+0.007×氢气×喷涂距离

(3)利用正交实验及排列组合相结合的方式，优选出了最优工艺参数，采用该最优工艺参数制备的涂层硬度、BN 含量、SiO2含量预测结果与实测结果吻合性较好。

(4)在最优工艺参数下涂层的平均结合强度均≥4MPa，满足该封严涂层使用要求。

(5)在最优工艺参数下制备的硬度试样经450℃，100 小时热处理后，涂层的硬度略有下降，但在该涂层要求的硬度值范围内。