CoNiCrAlY粒径对制备CoNiCrAlY-Al2O3核壳结构粉末包覆率的影响

谷籽旺 郭文敏 张弘鳞 李文娟

摘 要：本文采用球磨法制备CoNiCrAlY-Al2O3核壳结构粉末，着重研究CoNiCrAlY粒径对制备CoNiCrAlY-Al2O3核壳结构粉末的影响，旨在通过选择CoNiCrAlY粒径范围制备包覆率较好的CoNiCrAlY-Al2O3核壳结构粉末。为提高球磨法制备核壳结构粉末包覆率提供经验依据。结果表明粒径越大的核壳结构粉体包覆效果越好，其中20～45μm粒径范围的NiCrCoAlY-Al2O3核壳结构粉体的平均包覆率可达62.8%。

关键词：核壳结构;CoNiCrAlY涂层;球磨

CoNiCrAlY涂层具有黏附性良好、强度大以及优异的抗高温氧化性等优点，作为黏结涂层广泛应用于热障涂层中，延长发动机的使用寿命并提高发动机效率[1，2]。近年来，由于效率的提高，发动机的运行温度有所提高。需要进一步提高CoNiCrAlY涂层的性能以适应更高温的环境。目前通常在涂层中添加氧化物弥散强化材料中增加抗氧化性[3]。但存在添加氧化物增强相在涂层内部分布不均匀、涂层性能不稳定。

研究表明，制备核壳结构粉体材料是一种有效的解决方案。核壳结构复合材料由芯核材料与外壳材料组成。通过表面改性技术在粉体表面制备一层厚度较薄的抗氧化层，可轻易实现易氧化或易分解材料在飞行过程中与氧气有效隔离。采用球磨法制备核壳结构粉体有成本低、产量高等优点。王记中等[4]采用湿磨法，以形状不规则、多棱角、颗粒大小不一、球形度差的TiB2粉末和呈球形或椭球形NiCrCoAlY粉末为原料制备了纳米混合粉体。欧阳卓等[5]采用湿磨工艺直接将CoNiCrAlY合金粉末和MoSi2陶瓷粉末球磨复合。蔡龙龙[6]使用球磨法用Al2O3粉末和Ni60A合金粉末为原料制成Ni60A-Al2O3复合粉末。刘王强等[7]使用球磨法制备了Ni包Al包覆Fe基非晶合金复合粉末。Hatami等[8]使用球磨法将CoNiCrAlY合金粉末和氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）粉末球磨复合，由于制备的核壳结构复合粉末球形度差所制备的涂层抗氧化性能降低。综上所述，热喷涂涂层的组织结构与性能与核壳结构粉体的成型工艺密切相关。所报道的核壳复合粉体普遍存在包覆效果不好，球形度差等问题，影响涂层的抗氧化性能等。现有研究较少讨论核壳复合粉体的粒径与包覆效果的关系。本文利用粉体的核壳结构设计，使用高能球磨法让优异抗氧化性能的Al2O3粉体包覆于CoNiCrAlY粉体原料，研究制备核壳结构粉体平均包覆率较优的粉体粒径范围。

1 实验材料与方法

本实验使用两种粉末材料，一种为商用纳米Al2O3粉末（长沙天久金属材料有限公司，牌号：Titd-Al2O3，Al2O3含量≥99.7%），粒径50～200nm，一种为商用CoNiCrAlY粉末（AMDRY 9951;Sulzer Metco），粒径15～45μm，其化学成分如表1所示。CoNiCrAlY粉末与Al2O3粉末的SEM形貌如图1所示，优选Al2O3粉末的加入量为10wt.%。

将NiCoCrAlY球形粉末以及Al2O3粉末在干燥箱中进行干燥，将干燥好的NiCrCoAlY粉末以及Al2O3粉末按比例与磨球放入球磨机中，按照表2所示工艺参数进行球磨，得到NiCrCoAlY-Al2O3核壳复合粉末。球磨处理采用的磨球为直径15mm、直径8mm和直径5mm的316不锈钢球，大中小球的数量比为1∶2∶4。用扫描电镜（荷兰Phenom proX扫描电子显微镜）进行观察球磨后的包覆率与球形度，每个参数下的样品随机选取位置拍摄10张以上的图像，通过Image pro plus图像处理软件计算每个复合粉末的粒径与包覆率。

2 不同球磨条件下的核壳结构粉体粒径对核壳结构粉体平均包覆率的影响规律

在球磨过程中，粉末被磨球强烈的撞击、碾压、揉搓后，产生了过量的塑性变形，形成了强烈晶格畸变、含有大量位错的球磨颗粒，硬度大的小粒径Al2O3粉末被挤压入大粒径NiCrCoAlY粉末，形成核壳结构粉体，因此NiCrCoAlY粉末的粒径范围对核壳结构的包覆效果也是有影响的，一般情况下Al2O3粉末颗粒与NiCrCoAlY粉末的粒径相差越大越容易形成包覆完全的核壳结构粉体，超音速火焰喷涂粉末原料粒径要求约为15～45μm。本实验几组实验参数给出不同球磨条件下粒径与平均包覆率的关系，参考本研究结果更易制备包覆率好的核壳结构粉体，粒度分布均匀、粒形圆润、流动性好，适用于热喷涂涂层制备。

在各个粒径范围内平均包覆率也最优，在20～45μm粒径范围平均包覆率高达85.4%。图2是正交实验核壳结构平均包覆率与粒径的关系图。可以发现，NiCrCoAlY-Al2O3核壳结构粉末平均包覆率随着粒径增大而增加。5～10μm粒径范围平均包覆率为13%，这一粒径范围较难形成包覆率好的核壳结构粉体，在球磨过程中也较先塑性变形。NiCrCoAlY-Al2O3粉末在10～20μm粒径范围平均包覆率有所提升，这一粒径范围的平均包覆率为34.2%。NiCrCoAlY粉末在20～30μm粒径范围平均包覆率为51.35%。NiCrCoAlY粉末在30～45μm粒径范围平均包覆率为74.22%。在20～45μm粒径范围的NiCrCoAlY-Al2O3粉末粉末平均包覆率达62.8%。因此在20～45μm粒径范围的NiCrCoAlY粉末更易制备包覆率好的NiCrCoAlY-Al2O3核壳结构粉体。

图3是不同球磨转速下粒径与平均包覆率柱状图。可以看到球磨转速从120r/min增加到180r/min，各个粒径范围的包覆率都有较大提升。5～10μm粒径范围平均包覆率从4.4%增加到5%。10～20μm粒径范围平均包覆率13.7%增加到42.6%。20～30μm粒径范围平均包覆率從25%增加到72.2%。大于等于30μm粒径范围平均包覆率从74%到75%。由正交分析可知，球磨转速对于平均包覆率影响是较大，适当增加球磨转速可提高核壳结构粉末的制备效率和包覆效果。

图4是不同球料比下粒径与平均包覆率柱状图。可以看到球料比从2∶1增加到5∶1，各个粒径范围的包覆率都有较大提升。5～10μm粒径范围平均包覆率从15.3%到5%。10～20μm粒径范围平均包覆率27.6%增加到42.6%。20～30μm粒径范围平均包覆率从61.5%增加到72.2%。大于等于30μm粒径范围平均包覆率从82.4%到75%。增加球磨时间有利于制备核壳结构复合粉末。

图5是不同球磨时间下粒径与平均包覆率柱状图。可以看到球料比从4h增加到6h，各个粒径范围的包覆率都有较大提升。5～10μm粒径范围平均包覆率从5%到41.6%。10～20μm粒径范围平均包覆率35.5%增加到67%。20～30μm粒径范围平均包覆率从57.5%增加到79.4%。大于等于30μm粒径范围平均包覆率从73%到91.4%。增加球料比有利于制备核壳结构复合粉末。

3 结论

初始粉末粒径越大CoNiCrAlY粉体制备的核壳结构粉体包覆效果越好，用20～45μm粒径范围的NiCrCoAlY粉末更易制备包覆率好的NiCrCoAlY-Al2O3核壳结构粉体。5～10μm粒径范围平均包覆率为13%，NiCrCoAlY-Al2O3粉末在10～20μm粒径范围平均包覆率为34.2%。NiCrCoAlY粉末在20～30μm粒径范围平均包覆率为51.35%。NiCrCoAlY粉末在30～45μm粒径范围平均包覆率为74.22%。

参考文献：

[1]Wen W，Jackson G A，Li H，et al.An experimental and numerical study of a CoNiCrAlY coating using miniature specimen testing techniques[J].International Journal of Mechanical Sciences，2019，157：348-356.

[2]VENKADESAN G，MUTHUSAMY J.Experimental investigation of Al2O3/8YSZ and CeO2/8YSZ plasma sprayed thermal barrier coating on diesel engine[J].Ceramics International，2019，45（3）：3166-3176.

[3]Vorkotter C，Hagen S P，Pintsuk G，et al.Oxide Dispersion Strengthened Bond Coats with Higher Alumina Content：Oxidation Resistance and Influence on Thermal Barrier Coating Lifetime[J].Oxidation of Metals，2019，92（3-4）：167-194.

[4]王記中.超音速火焰喷涂纳米NiCrCoAlY-TiB2复合涂层粉体的制备与性能研究[D].华南理工大学，2017.

[5]欧阳卓.GH4169合金等离子喷涂（MoSi2-CoNiCrAlY）复合涂层及其高温氧化性能研究[D].华南理工大学，2015.

[6]蔡龙龙.Al2O3颗粒增强Ni60A复合涂层组织与耐磨性能研究[D].兰州理工大学，2016.

[7]刘王强.Ni包Al包覆调控Fe基非晶涂层结构及性能的研究[D].长安大学，2018.

[8]Hatami M，Naeimi F，Shamanian M，et al.High-Temperature Oxidation Behavior of Nano-structured CoNiCrAlY-YSZ Coatings Produced by HVOF Thermal Spray Technique[J].Oxidation of Metals，2018，90（1-2）：153-167.

基金项目：2018年湖南省自然科学基金青年基金（2018 JJ3477）;2017年湖南省教育厅优秀青年基金（17B237）;2019年湖南省研究生科研创新项目（CX20190969）

作者简介：谷籽旺（1995— ），男，汉族，湖南郴州人，研究方向：材料加工技术。