25%NiCr-Cr3C2 复合粉末作为热喷油加工常用的金 属陶瓷粉末已经得到广泛的应用，常用于喷油加工炉 辊、锅炉四管，叶片该类粉末的制备技术日益成熟， 以碳化铬颗粒作为主要硬化相的粉末主要用于抗 高温磨损涂层[1-2]。制备技术目前有混合法、烧结 破碎法和团聚烧结法等，主要目的是为了达到镍铬 合金包覆碳化铬，以减少热喷油加工过程的氧化和脱碳 现象。目前市场大部分25%NiCr-Cr3C2 复合粉末中 的碳化铬颗粒粒度在2～6 μm，有些粉末的颗粒度 甚至大到10～16 μm，这些颗粒的粒度大小可以直 接影响到涂层的致密度和硬质相的分布均匀性。从 理论上来讲细的粉末可以形成致密化耐磨损的涂 层，He Jianhong，Enrique J.L.采用高能搅拌球磨方 式制备了纳米结构的25%NiCr-Cr3C2 复合粉末，其 显微组织为镍铬合金组织中分布碳化铬相硬质点， 超音速喷油加工研究表明纳米涂层的耐磨损性能比常 规粉末涂层提高20%[3]。李长久等研究了烧结破碎 法和团聚烧结法制备的25%NiCr-Cr3C2 复合粉末的 显微硬度和耐磨损性能，结果也验证了Cr3C2 相粒 度更细小均匀的团聚烧结粉末涂层，比硬质相粒度 1 期 李振铎等：超细25%NiCr-Cr3C2 粉末制备及HVOF 涂层性能研究 • 21 • 较大的烧结破碎粉末性能要好[4]。 超音速火焰喷油加工（HVOF/AF）技术以其粒子飞 行速度快、涂层致密度高、碳化物脱碳氧化度低等 优点已广泛用于25%NiCr-Cr3C2 粉末喷油加工。该技术 需要的送粉粉末粒度多为团聚烧结制粒的球形粉 末，粉末粒度范围在-45～10μm 之间。由于超音速 喷油加工速度快，粒子在焰流中的加热时间短，有些大 颗粒的25%NiCr-Cr3C2 粉末熔化效果不好，扁平化 不充分，在涂层中形成未熔颗粒，而这些颗粒是氧 化物夹杂、显微裂纹和孔隙的主要源头，因此有些 超音速喷油加工设备的粉末要求更细的粒度范围。本文 研究了一种Cr3C2 硬质相更加细小的25%NiCr- Cr3C2 粉末，并对其涂层性能加以研究。 1 实验 实验所用原料为镍铬（Ni80Cr20）合金粉末和 碳化铬（Cr3C2）粉末，粉末的原始化学成分见表1。 先将成分配比为25%的NiCr 合金粉和75% 的 Cr3C2 粉末在球磨混料机内混合12～24 h。采用喷 雾干燥制粒设备将含有粘合剂的原料料浆雾化成 粒度为28～74 μm 的球形颗粒。粉末经过烧结破碎 工艺处理后，用44 μm 和28 μm 筛网进行粒度筛分。 同时，喷雾干燥后的粉末也采用等离子球化处理的 方法替代热处理的烧结过程，所得的粉末用于与热 处理过程的对比研究。用Scott 漏斗法检测粉末的 流动性和松装密度。 表1 原料粉末化学成分 Table 1 Chemical content of material powders /% Ni Cr C Si Fe O NiCr 79.50 19.60 - 0.64 0.31 0.25 Cr3C2 84.72 13.40 0.01 - 0.13 超音速火焰喷油加工基体采用45#钢，试样尺寸为 40 mm×30 mm×5mm，表面用氧/乙炔火焰除油 后，用铸造钢球喷砂。喷油加工设备采用GTV 氧/煤油 超音速火焰喷油加工系统，喷油加工工艺参数为：氧气流量 27 L/min，煤油流量8 L/min，送粉量40～60 g/min， 送粉气流量6 L/min，喷油加工距离为350 mm。喷油加工样 片采用线切割制成10 mm×10 mm×5mm，试样剖 面经襄样、剖光和腐蚀后用于金相观察和显微硬度 测量。涂层显微组织用日立HITACHI S-3500N 型 扫描电子显微镜分析，维氏显微硬度仪用于测量涂 层硬度。 2 结果与讨论 喷雾干燥制备的超细球形25%NiCr- Cr3C2 粉 末形貌和剖面组织如图1（a）、（b）所示，喷雾干 燥粉末在未经热处理过程下表面由于粘合剂的存 在较为光滑，大多数粉末呈球形，少量有“苹果状” 形貌[5]。粉末的剖面组织为NiCr 和Cr3C2 相在粘合 剂作用下的机械混合状态，硬质相Cr3C2 相呈明显 的棱角状结构，粉末心部存在较大的孔隙，为喷雾 干燥粉末所特有的组织结构。经过烧结热处理后的 25%NiCr-Cr3C2 粉末形貌和剖面组织如图1（c）、（d） 所示，粉末表面为多孔的蜂窝状结构，呈面分布的 NiCr 合金粘结相将细小的Cr3C2 相粘结在一起，同 时Cr3C2 相自身也部分形成烧结颈构成粉末的骨 架。粉末的剖面结构显示NiCr 合金相润湿包裹 Cr3C2 相周围，同时由于烧结过程产生的液相收缩 和粘结剂挥发，使得粉末内部存在连通状的孔隙， 这种结构的存在有利于热喷油加工过程中热量进入粉 末内部，加速粉末的熔化过程，降低了涂层中未熔 颗粒的存在风险。超细25%NiCr- Cr3C2 粉末经过等 离子球化处理后的粉末形貌和剖面组织如图1（e）、 （f）所示，部分粉末表面可以看出Cr3C2 相被完全 熔化的NiCr 相所包裹，呈现“草莓状”结构，粉 末由于完全收缩也变得不规则。另一部分粉末表面 包括Cr3C2 相在内也完全熔化，快速冷却后呈致密 化的球形组织。粉末剖面呈致密化的合金状态，内 部的孔隙被合金相完全填补，达到了粉末冶金块体 烧结的程度。 粉末的松装密度和流动性结果如表2 所示，结 果表明热处理过程和等离子球化过程能明显提高 粉末的松装密度和流动性值，烧结过程使得粉末的 • 22 • 热 喷 涂 技 术 2 卷 致密化程度提高，硬质相和合金相由喷雾干燥状态 的机械结合状态转变为烧结过程的半冶金结合状 态，等离子球化处理使得粉末接近完全冶金结合状 态。相对于热处理烧结过程，等离子球化处理过程 制备的粉末具有最高的松装密度和最好的流动 性能。 图1 超细25%NiCr-Cr3C2 粉末表面形貌和剖面组织SEM Fig.1 Morphology of surface and cross section of ultrafine Cr3C2-25%NiCr powders 表2 25%NiCr-Cr3C2 粉末松装密度和流动性结果 Table 2 Result of flowbility and loose density of ultrafine Cr3C2-25%NiCr powders 粉末类型 喷雾干燥 热处理烧结 等离子球化 松装密度/(g·cm-3) 2.2 2.5 3.1 流动性/(s·50g-1) 38 36.0 29.5 超音速火焰喷油加工超细25%NiCr- Cr3C2 粉末涂 层剖面显微组织如图2 所示，金相组织表明粉末在 超音速焰流中融化充分，涂层与基体的结合较为致 密，涂层与基体的界面处没有明显的孔隙和显微裂 纹等缺陷存在，部分结合面达到冶金结合状态。涂 层显微组织是由NiCr合金粘结相包覆Cr3C2硬质相 构成的层流状组织，银白色的为NiCr 合金相，灰 色块状的Cr3C2 相被合金相润湿包裹。涂层中未发 现连通的孔隙结构，仅有少量的单独封闭状态的孔 隙存在。由放大的扫描电镜照片可以看到，涂层中 做为硬质相的Cr3C2 相颗粒形貌基本保持了粉末中 的状态，在NiCr 合金相的包覆下，喷油加工过程中没 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 1 期 李振铎等：超细25%NiCr-Cr3C2 粉末制备及HVOF 涂层性能研究 • 23 • 有发生氧化或脱碳现象，涂层中也未发现明显的氧 化物存在，说明超细25%NiCr- Cr3C2 粉末HVOF 喷油加工性能较好。 图2 超音速火焰喷油加工超细25%NiCr-Cr3C2 粉末涂层显微组织 Fig.2 Microstructure of ultrafine Cr3C2-25%NiCr coatings by HVOF 超细25%NiCr-Cr3C2粉末HVOF 涂层孔隙率经 图像处理软件检测为0.8%，远低于常规粉末喷油加工 层的孔隙率。显微硬度测量平均值为HV0.3=1254， 说明超细Cr3C2 相在涂层中分布均匀，较多细小硬 质Cr3C2 相的存在起到第二相粒子弥散强化作用， 大大提高了HVOF 涂层的显微硬度。 3 结论 （1）超细Cr3C2 相颗粒与NiCr 合金经喷雾干 燥制粒和热处理后得到球形度较好的 25%NiCr-Cr3C2 粉末，粉末流动性为26.0 s /50 g， 松装密度为2.5 g/cm3，而经过等离子球化处理的粉 末流动性和松装密度均为最高水平。 （2）超细25%NiCr-Cr3C2 粉末表面为多孔的 球形表面，细小均匀的Cr3C2 颗粒在NiCr 合金粘结 下构成粉末的骨架。 （3）超音速火焰喷油加工的25%NiCr-Cr3C2 涂层 显微组织均匀致密，与基体的结合紧密，涂层孔隙 率为0.8%，涂层显微硬度为HV0.3：1254。说明超 细Cr3C2 颗粒在涂层中起到弥散强化作用，提高了 涂层的机械性能。 |
