非低温球磨粉料制备的纳米结构粘结涂层

非低温球磨粉料制备的纳米结构粘结涂层的表征和评价Characterization and Evaluation of Nanostructured Bond Coats from Noncryogenically Milled FeedstockG.E. KimPerpetual Technologies, Inc., Montreal, Quebec, CanadaT. Addonan-WERKZ, Inc., Montreal, Quebec, CanadaP. Richer, B. JodoinUniversity of Ottawa, Ottawa, CanadaA. Al-Mathami, M. BrochuMcGill University, Montreal, Quebec, Canada摘要：纳米结构粘结层的热障涂层比常规粘结层对应部分具有更好的热循环性能，但是，由于低温机械合金化工艺制备的MCrAlY粉末的高成本，限制了它的商业应用。因此，本研究，非低温球磨制备的MCrAlY粉末喷涂的纳米结构粘结涂层，强调降低成本和扩大性能。通过提高星式高能球磨的操作参数，可制备细粒等轴晶的NiCrAlY粉末，用XRD和SEM分析了粉末性能，对用HVOF喷涂制备的涂层的微观结构也进行了分析，并将对常规和纳米结的NiCrAlY做初步静态氧化试验。引言海军研究计划办公室1977年，Lawrence T. Kabacoff博士在美国海军研究办公室开始了一个五年的项目，“纳米结构涂层的热喷涂工艺”。此项工作主要是基于这样的概念，即当材料的物理性质，如粒度、纤维直径、层厚和粒子直径降低到100纳米以下时，材料的性能会发生很大变化。海军研究计划办公室的全面目标是节约海军经费，即通过纳米结构涂层的形式提高性能，延长船舶零部件的使用寿命。技术目标是制造具有硬度、韧性、耐磨和结合性能等复合性能的涂层。纳米结构粘结层的热障涂层低温球磨粉在过去四年中，永久技术、加州大学达维斯分校和国家标准与技术研究所，已经开发和评价了纳米结构NiCrAlY 涂层在热障涂层中的应用。通过低温球磨制备了纳米结构NiCrAlY粉，用HVOF和LPPS喷涂，当涂层在真空中1080热处理4小时，可见非常好的热循环性能。图1为常规的和纳米结构NiCrAlY粘结涂层的热循环性能，每个循环都包括快速升温，在1121保持50分钟和空气强制冷却10分钟。粉末综合为了制备纳米结构NiCrAlY粉，使用低温球磨工艺，美国联合工业公司1-S型研磨机、不锈钢球、液氮。每批料由30公斤6.4mm直径钢球磨1公斤粉。虽然用这种工艺可以生产出研究范围的粉末，但是由于生产成本高和高液氮成本，而限制了商业可行性。Schoenung等人研究了低温机械合金化的相关成本问题。在过去三年中，n-WERKZ用高能星式球磨制备出了纳米晶金属及其复合粉末，集中点在于在合理的成本范围内生产高价值粉末，提高生产率。通过美国海军研究办公室的支持，Schoenung成功的演示了研磨商业粉末到非常细，等轴晶和相对窄的粒度分布范围的粉末。这种工艺可对比与实验室范围内的低温球磨，可以在相对短的时间内，不用使用液氮完成。这些特征是非常关键的，可以提高生产率，并且相对降低成本。初步研磨了5083 Al-(4-4.9wt%)Mg-(0.4-1wt%)Mn 合金, Ni-22wt%Cr-10wt%Al-1wt%Y和WC-10wt%Co4wt%Cr粉也得以期待。试验步骤非低温球磨用定制的高能星式球磨机制备Ni-22wt%Cr-10wt%Al-1wt%Y粉末 (TAFA NI343).热喷涂试块常规和高能球磨的NiCrAlY粉末，用HVOF工艺喷涂,JetKote喷枪(Deloro Stellite 公司)，基体是Hastelloy X合金。 对粘结层，常规粉末使用汽轮机原始设备制造商附带的喷涂工艺参数，纳米结构粉末使用轻微修正的工艺参数。对热障涂层(ZrO2-8wt% Y2O3)，都用APS喷涂，用原始设备制造商附带的为陆用涡轮机设定的喷涂工艺参数。高温氧化试验涂层氧化试验是在大气下持续温度1000 C的高温炉内进行. 已喷涂样品加热到 1, 24,和 95小时. 另外，抛光涂层表面样品也加热24 小时.性能粉末性能 (低温机械合金化之前及之后的) 和涂层微观结构用 JEOL-840 扫描电镜测试， 得到背散射电子像,并作了能谱分析、X射线衍射分析。结果和讨论图2为NiCrAlY粉末球磨前后的形态，机械球磨未处理的球形 NiCrAlY 粉导致形成了多角等轴团聚体，这种形态是在高能球磨工艺中，粉末粒子不断熔融与破裂的结果。图2 未经处理的（顶）和球磨后的（底）NiCrAlY粉末未经处理的和球磨后的NiCrAlY粉末粒度分别接近29m和31m。在球磨过程中形成细粒结构，是在高应变率下塑性变形的结果。这一过程可以分为3步，首先，形变位于包含高密度位错的剪切带，第二，在某一应变水平，这些位错消除，重组成小角度晶界。最后，小角度晶界在进一步形变后，转变方向，随机形成细小晶粒。图3是未处理和已球磨的NiCrAlY粉末的x衍射分析。图3 未处理和已球磨的NiCrAlY粉末的x衍射从X射线能谱中可以看到随着晶粒细化，球磨粉末的峰展宽。由于一些峰的重叠，精确粒度尺寸的准确性受到限制，需要用透射电镜分析提供精确粒度尺寸测量。常规和纳米结构NiCrAlY粉末喷涂涂层的横截面见图4和图5.图4 HVOF喷涂常规NiCrAlY粉末涂层的横截面图5 HVOF喷涂纳米结构NiCrAlY粉末涂层的横截面这两个涂层都因在HVOF喷涂过程中，碰撞粒子的不完全熔融导致了马铃薯状结构，由于高速度和飞行粒子的低热能，孔隙率和氧化较低。图6和图7为HVOF喷涂常规NiCrAlY粉末和纳米结构NiCrAlY粉末后涂层表面形貌，及经过不同时间的热处理后涂层表面形貌。 图6 HVOF喷涂常规NiCrAlY粉末涂层表面形貌；1小时热处理后；24小时热处理后；95小时热处理后图7 HVOF喷涂纳米结构NiCrAlY粉末涂层表面形貌；1小时热处理后；24小时热处理后；95小时热处理后1小时高温暴露后，常规的和纳米结构的NiCrAlY涂层都以-Al2O3层占主要部分。但是，24小时热暴露后，在常规NiCrAlY涂层表面发现一些混合氧化物的生长(等轴粒子)， NiO多面晶也很明显；但是，纳米结构粘结层保留了-Al2O3层的主导地位。在纳米结NiCrAlY 涂层没有发现混合氧化物的生长是很明显的，也可以从横截面图像比较及95小时热暴露后(图8-常规的，图 9-纳米结构)元素面分布图像看出。图8中，主要存在的 Ni, Cr和 Fe的氧化物，而图9所示的纳米结构的涂层主要存在的是Al2O3，这也可以在低温球磨的 NiCrAlY粉末喷涂的涂层中发现。 混合氧化物生长对热障涂层的影响已经被很多人证实，混合氧化物的生长 (Cr2O3, NiO, 尖晶石),最终会导致涂层的失效。混合氧化物的生长是化学失败的结果，主要是因为，在粘结层表面附近的区域Al的含量，对比与它的补充速率来说以更快的速率耗尽。一种减少混合氧化物生长的方法可能是加速形成厚的-Al2O3保护层，这一保护层能够缓和Al2O3 热生长氧化物进一步生长，减少Al消耗率，主要为-Al2O3 热生长氧化物的纳米结构NiCrAlY涂层可以缓和热生长氧化物的生长。图8 HVOF喷涂常规NiCrAlY涂层在95小时热处理后的横截面（顶）和相关区域元素面分布（底）图9 HVOF喷涂纳米结构NiCrAlY涂层在95小时热处理后的横截面（顶）和相关区域元素面分布（底）热循环试验将会在不久的将来实施，也许可以给这种假设提供更多的洞悉。在纳米结构涂层暴露于高温下，加速-Al2O3 热生长氧化物的生长，也许是由于通过更高一级的晶界Al运输增加，尽管这是可能的，但并不是加速-Al2O3 生长的唯一解释。用低温球磨粉喷涂NiCrAlY的前期工作指出在球磨过程中细小Al粒子的形成是一种-Al2O3在涂层表面的择优生长可能的来源，希望同样在非低温球磨的NiCrAlY粉末和涂层中也可以找到这种细小Al粒子。在纳米结构 NiCrAlY粘结层形成细小Al粒子的另一个优势是由于提高的抗蠕变能力和降低的热膨胀系数，而具有非常好的热循环性能。热障涂层的失效原因是很复杂的，但是，一些研究指出粘结层热膨胀系数的减少，对热障涂层性能改善是有益的。结论一种非低温机械合金化工艺成功的制备了等轴纳米结构NiCrAlY粉末。用这种结构NiCrAlY粉末制备的涂层具有低孔隙率和氧化，用 HVOF喷涂的涂层具有典型的马铃薯结构。在纳米结构涂层表面，1000 C 热暴露下主要形成-Al2O3 热生长氧化物;但是在常规涂层24小时热暴露条件下，主要生长混合氧化物。纳米结构NiCrAlY涂层潜在的优势包括：加速形成 -Al2O3 热氧化物生长保护层，缓和NiCrAlY涂