冷喷涂Ni-cBN防钛火涂层及其摩擦磨损性能*

宁先进，王全胜，杨晋智，张会盈，王斌利，梁小龙，鲍佳伟

(1.北京理工大学，北京 100081；2.中国航发动力股份有限公司，陕西 西安 710068)

钛合金具有比强度高、耐热性好和耐腐蚀性强等特点，广泛用于现代航空发动机机匣、压气机叶盘和转/静子叶片等零件[1-3]。目前，高压压气机钛合金叶片的工作温度一般≤600 ℃，但当叶片高速旋转时，叶尖部位与封严涂层和其他机件可能发生碰撞、剧烈摩擦，导致叶尖出现严重的磨损和剧烈的温升，当温升超过钛合金燃点时，可能产生钛火事故[4]。

针对钛合金叶片叶尖强化和防钛火要求，国内外开展了大量研究。阻止钛合金燃烧的主要思路包括开发阻燃钛合金[5]、采用阻燃涂层、加装摩擦条和改进钛合金结构等。其中，采用阻燃涂层(具有耐磨性)是一种有效的防钛火方法，该方法是利用钛合金叶片表面涂覆一层摩擦性能好、具有阻燃性的涂层，来阻隔转子叶片与钛合金机件的直接碰、擦，同时起到改善叶尖强度和封严效果。

cBN涂层具有高的热导率和优良的减摩抗磨性能，可作为钛合金叶尖耐磨、防钛火涂层材料。据国外报道，EJ200型发动机高压压气机叶尖采用等离子喷涂cBN涂层，可实现阻燃和叶尖强化效果。刘浩[6]对钛合金活化后采用复合电镀方法制备了叶尖Ni-cBN强化涂层，王璐等[7]采用等离子喷涂方法在钛合金表面制备防钛火封严涂层，另外也有报道采用钎焊技术在叶尖进行强化[8]。由于钛合金具有温度敏感特性，采用热喷涂、钎焊等方法制备防钛火涂层时，叶片叶尖部位容易发生过热，从而影响叶片性能。

冷喷涂是近年来发展起来的一种低温、固态沉积技术。喷涂时，利用高速气流将送入的粉末粒子进行加速、加热后，通过粒子与基体材料发生高速碰撞，利用基材与粒子发生协同塑性变形而形成涂层。冷喷涂制备的涂层具有高致密度、低氧化等特性，适合于氧敏感、温度敏感材料的涂层制备。喷涂过程中，基体热输入小，对于轻质材料，如铝合金、钛合金上的涂层制备具有独特优势。目前，国内也有采用冷喷涂制备NiCrAlY-cBN涂层[9]、WC-Co涂层[10]和镍-金刚石涂层[11]的报道。

本文采用低压冷喷涂在TC6钛合金基体上制备了Ni-cBN复合涂层，研究了喷涂气体温度、粉末配比、cBN颗粒尺寸对涂层沉积特性的影响。通过对涂层进行后续热处理，研究了复合涂层与钛合金基体的相容性，并针对复合涂层进行了微动摩擦磨损性能测试。

1 试验材料与方法

采用平均粒径(D50)为22.7 μm的气雾化球形镍粉与平均粒径分别为6.2(记为W7)和10 μm(记为W14)的多角形cBN粉，按照质量比为3∶7、1∶1和7∶3分别制备机械混合粉末。

Ni-cBN涂层制备采用KM—CDS2.3动力喷涂系统。工作气体为氦气，喷嘴入口压力为620 kPa，气体温度分别为200、250和300 ℃，喷涂距离为12 mm，喷涂过程中喷枪移动速度为80 mm/s。

将制备的Ni-cBN涂层置于真空管式炉中，在氩气保护下分别于600、650和750 ℃处理1.5～2 h。涂层的结合强度按照HB 5476—1991标准进行测试；采用扫描电子显微镜观察涂层组织形貌；涂层显微硬度采用LECO LM700显微硬度仪测试，加载载荷为20g，加载时间为15 s，测试10个点取平均值；采用UMT-2微摩擦试验机测试在室温、无润滑条件下Ni-cBN涂层的摩擦磨损性能，以φ10 mm氧化锆球作为摩擦副，载荷为30 N，摩擦频率为4 Hz，冲程为5 mm，摩擦总行程为72 m。

2 结果与分析

2.1 Ni-cBN粉末沉积特性与涂层显微组织

质量配比为1∶1的Ni-cBN粉末分别在200、250和300 ℃喷涂气体温度下制备涂层，其单道厚度如图1所示。

图1 不同喷涂气体温度下所制备涂层的单道厚度

由图1可以看出，氮化硼粒度较小时，随着喷涂气体温度提高，涂层沉积效率提高有限；但当氮化硼尺寸较大时，在相同条件下，随着喷涂气体温度的提高，涂层沉积效率显著提高。

针对质量配比为1∶1的Ni-cBN粉末，定量金相法测得涂层中cBN含量见表1。采用W14的cBN时，其硼颗粒尺寸接近镍颗粒平均尺寸，涂层中cBN含量较低。喷涂气体温度主要影响涂层沉积效率，对涂层中cBN含量影响不大。

表1 不同Ni-cBN涂层中cBN含量 (vol %)

喷涂气体温度为250 ℃时，2种尺寸cBN粉末制备的Ni-cBN涂层微观组织如图2所示。由于沉积时W7类型的cBN与镍颗粒尺寸差异较大，涂层中cBN颗粒主要分布在镍变形粒子界面处，形成涂层中cBN颗粒的局部富集(见图2a)。

图2 不同cBN粒度制备的Ni-cBN涂层截面形貌

冷喷涂过程中，金属颗粒高速撞击塑性基体时，当粒子速度超过临界速度，粒子与基体接触界面处发生绝热剪切失稳，从而由“冷焊”效应而形成粒子的沉积。在金属与陶瓷的机械混合粉末中，由于陶瓷粒子无法直接进行沉积，复合涂层的形成主要依赖于混合粉末中金属粒子的沉积，同时将陶瓷颗粒“裹入”沉积的金属粒子界面，从而形成复合涂层(见图3)。这一沉积机制是导致cBN颗粒尺寸显著影响涂层微观结构和cBN分布均匀性的根本原因。添加的硬质相颗粒与金属粒子尺寸接近时，涂层内部均匀性显著提高。

图3 冷喷涂Ni-cBN复合涂层沉积过程示意图

粉末配比对涂层cBN含量及结合强度的影响如图4所示。当cBN尺寸较小时，其在镍粒子界面的分布具有一定的团聚特性，这在一定程度上降低了镍粒子界面的有效接触；当cBN尺寸较大时，对已沉积粒子产生了一定的冲击作用，一定程度上提高了已沉积涂层的表面粗糙度。这些差异导致了较大尺寸cBN(W14)所制备的Ni-cBN复合涂层的结合强度(58 MPa±8 MPa)明显高于较小尺寸cBN(W7)所制备涂层的结合强度(20 MPa±1 MPa)。

图4 粉末配比对Ni-cBN(W14)涂层cBN含量和结合强度的影响

2.2 后续热处理对Ni-cBN涂层/基体界面相容性的影响

质量分数为1∶1的混合粉末所制备的Ni-cBN(W14)涂层中镍基体硬度随热处理温度的变化如图5所示。

图5 热处理温度对Ni-cBN(W14)涂层显微硬度的影响

喷涂态涂层由于镍粒子强烈的塑性变形，涂层中存在明显加工硬化现象，因此镍基体的硬度较高，经600 ℃以上热处理后，涂层中镍发生了再结晶，其显微硬度明显下降，这与文献报道结果类似[12]。

600 ℃热处理2 h后，涂层与基体界面形貌如图6所示。图6a中1、2两位置的能谱分析结果为2处的Ni、Ti、Al原子比分别为98.93∶1.07∶0和1.71∶89.79∶8.5，精细分析(见图6b)结果为界面局部位置处的Ni、Ti原子比为75.55∶24.45，结合Ni-Ti二元相图，可以判定界面局部位置在热处理后出现Ni3Ti金属间化合物相。进一步提高热处理温度至750 ℃(见图7)后发现，涂层/基体界面处靠近TC6基体侧出现厚度约1.5 μm的明显扩散层，能谱分析表明，该扩散层Ni、Ti原子比为23.53∶76.47，接近1∶3，表明750 ℃热处理后涂层中的镍扩散至钛合金基体，并生成了NiTi3金属间化合物相。

图6 600 ℃热处理后Ni-cBN涂层/基体界面形貌

图7 750 ℃热处理后Ni-cBN涂层/基体界面形貌

涂层600、650、750 ℃热处理后的结合强度分别为(65±3.8)、(67±2.9)和(66±3.5) MPa，较喷涂态有所下降，分析认为热处理后涂层结合强度的降低可能来源于界面金属间化合物的生成。

2.3 冷喷涂Ni-cBN涂层的摩擦磨损性能

不同cBN种类和含量粉末所制备Ni-cBN涂层与氧化锆球对磨时的摩擦因数和磨损量见表2。Ni-cBN(W14)涂层中，cBN含量较低时，摩擦因数基本相当，当镍与cBN的比例增加至3∶7时，其摩擦因数略有上升，最大摩擦因数值与较小尺寸cBN(W7)所制备的Ni-cBN涂层相当。值得注意的是，以氧化锆为摩擦副时，涂层摩擦因数均高于基体材料，其原因是Ni-cBN复合涂层表面暴露的cBN硬质相颗粒硬度远高于氧化锆，在摩擦过程中增加了与氧化锆表面的摩擦因数。

表2 Ni-cBN涂层微动磨损的摩擦因数和磨损量

相同条件下，含较小尺寸cBN(W7)的涂层，其磨损量明显高于基体和含较大尺寸cBN(W14)的涂层，其原因在于小尺寸cBN颗粒在镍粒子界面的富集(见图2a)在一定程度上降低了涂层内部金属界面的结合性能，在摩擦过程中容易剥落并在摩擦界面形成夹杂型磨粒(见图8a)，强化了对涂层的切削作用，从而加剧了涂层的磨损。而Ni-cBN(W14)涂层中cBN均匀分布，对镍粒子界面的弱化作用较小，其磨痕表现出典型的粘着磨损特征(见图8b)。

图8 不同尺寸cBN所制备的Ni-cBN涂层的磨痕形貌

热处理温度对Ni-cBN(W14)涂层的磨损量的影响如图9所示。由图9可以看出，600和650 ℃热处理后涂层磨损量均高于喷涂态涂层，750 ℃热处理后涂层磨损量降至3 mg。一般冷喷涂层在再结晶温度以上热处理时，涂层内部粒子界面可能扩散而形成冶金结合，显著提高涂层的韧性和内聚强度。Ni-cBN涂层中金属和陶瓷相的物理、力学性能差异，可能是造成600和650 ℃热处理后Ni-cBN涂层耐磨性能出现异常的原因，详细机制有待后续研究。

图9 热处理温度对Ni-cBN(W14)涂层磨损量的影响

3 结语

采用冷喷涂工艺能够在钛合金叶尖涂覆Ni-cBN耐磨强化涂层，当cBN的粒度与镍颗粒尺寸相当时，能够获得相对均匀的Ni-cBN涂层组织和高的结合强度。600 ℃以上热处理时，涂层/基体界面处生成少量Ti-Ni金属间化合物，一定程度上降低了涂层的结合强度，但显著减少了涂层的磨损量。涂层与基体在长时、高温下的组织、性能演化仍需要进行深入研究。

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* XX型号技术攻关项目(ZHDL-ZKK-KJB-201605-18)