鎳鉻 - 碳化鉻（Cr3C2- NiCr）是為了滿足耐高溫磨損要求而研制的一種金屬陶瓷粉末，其熔點大約為1400℃。用該熱噴涂粉末噴涂的涂層主要被用于540℃～815℃溫度范圍內(nèi)工作、且要求表面具有抗磨粒、高硬度、耐微動磨損、耐沖蝕性能的零部件上，是一種極為耐磨和抗氧化的復合材料涂層，主要用于發(fā)動機轉(zhuǎn)子、渦輪機葉片、渦輪機端面密封、渦輪機消聲擋板、排氣閥密封面、熱成型模輥子及燃煤鍋爐燃燒室內(nèi)的高溫磨損管件。鎳鉻 - 碳化鉻粉末噴涂主要有兩種，一種是分別用鎳和鉻包覆碳化鉻顆粒而制成的包覆型粉末，另一種則是由鎳鉻合金粉和結(jié)晶碳化鉻粉混合而成的粉末，如美科公司生產(chǎn)的METCO81VF- NS（Cr3C2- 25%NiCr）復合粉末。
　　粉末中的兩個組元分別為鎳鉻合金相和碳化鉻陶瓷相。碳化鉻相可增加涂層的硬度，其在高溫下能生成致密的氧化鉻保護膜，故具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能，極好的耐蝕性，高溫硬度高，有優(yōu)異的高溫抗磨損性能。鎳鉻合金相則起粘結(jié)碳化鉻相的作用，其百分含量一般在 20％～25％之間，可以提高涂層的界面及涂層內(nèi)聚結(jié)合強度。涂層的熔點低，約為 1400℃，熱膨脹系數(shù)為 10.9×10- 6K- 1（150℃～980℃）。該熱膨脹系數(shù)值與高溫用耐熱合金基體的膨脹系數(shù)接近，因而在高溫下與耐熱合金基體有相當好的熱膨脹性能匹配[2]。
　　當碳化鉻粉末中鎳鉻合金含量為 25.0％時，噴涂的鎳鉻 - 碳化鉻涂層非常硬且脆，在等離子噴涂過程中由于受噴涂溫度、涂層厚度以及金屬基體與涂層材料熱膨脹系數(shù)差異的影響，在涂層內(nèi)極易產(chǎn)生縱向裂紋，因此本研究將噴涂粉末中的鎳鉻合金含量增加到30％，且該粉末用燒結(jié)法制備，并將燒結(jié)型 Cr3C2- 30%NiCr 粉末噴涂的涂層與從美國進口 Metco 81 VF- NS 粉末噴涂的涂層進行了性能比較。
　　1 實驗材料及方法
　　涂層試樣的基體材料為一種中等強度的 α－β型TC4 兩相鈦合金。該合金是試驗所用粉末為北京礦冶研究總院研制的燒結(jié)型Cr3C2- 30%NiCr粉末，其化學成分見表 1。粉末的相組成為 Cr3C2、Cr7C3以及鎳和鉻在590℃包析反應(yīng)生成的 Ni2Cr有序化合物相。粉末的物理性能為：粉末粒度主要在 15～75μm之間、松裝密度 2.06 g/cm3、流動速度為40.4s/50g。

　　圖 1 為掃描電鏡觀察燒結(jié)型 Cr3C2- 30%NiCr粉末顆粒的表面形貌?？梢姛Y(jié)型 Cr3C2- 30%NiCr復合粉末形狀不規(guī)則，但粒度比較均勻，大多數(shù)在30～50μm 之間。采用美國 METCO 公司制造的 METCO 7M等離子噴涂控制設(shè)備和9MB 噴槍噴涂涂層。在噴涂過程中，為了避免產(chǎn)生裂紋，需要控制噴涂進度和零件溫度。
　　為了減少涂層孔隙和氧化物，提高結(jié)合強度和涂層質(zhì)量，噴涂角度應(yīng)盡量接近 90（°）。在上述工藝過程控制的基礎(chǔ)上，先根據(jù)設(shè)備情況和涂層指標要求大致確定噴涂過程的送粉速率，然后再通過涂層的噴涂工藝試驗確定氬氣、氫氣流量和等離子體電流強度，以保證粉末顆粒的鎳鉻合金組元在噴涂焰流中剛好被熔融，且其飛行速率達到zui大值。選擇的噴涂距離則應(yīng)保證粉末顆粒在達到噴涂表面時處于zui佳的熔融和動能狀態(tài)。表 2 給出了噴涂Cr3C2- 30%NiCr 涂層及其相應(yīng) Ni- Al 底層的優(yōu)化工藝參數(shù)。

為了評定涂層的耐尖銳、硬質(zhì)顆粒沖刷引起的磨損性能，采用自制的吹砂沖蝕設(shè)備對涂層進行耐沖蝕磨損性能試驗。涂層試樣尺寸為 50mm×25mm×2mm，所用沖蝕磨料為剛玉砂。表 2 和表 3 分別給出了剛玉砂的粒度分布范圍和沖蝕試驗的條件。完成沖蝕試驗后，根據(jù)試驗前后的試樣重量差計算試樣單位面積的沖蝕失重值。

2試驗結(jié)果與討論
　　2.1 涂層組織
　　噴涂態(tài) Cr3C2- 30%NiCr涂層的表面光潔度在 6微米左右,其表面均勻、平整，沒有裂紋、翹起、剝落和鼓泡等現(xiàn)象。涂層顏色一致，沒有過熱變色現(xiàn)象。
　　圖2 為等離子噴涂 Cr3C2- 30%NiCr 的截面形貌?？梢钥闯?，燒結(jié)型鎳鉻 - 碳化鉻涂層內(nèi)沒有裂紋，組織均勻，各相均勻分布，氧化物彌散分布，沒有團狀和連續(xù)塊狀氧化物出現(xiàn)、孔洞和未熔物都小于20μm，沒有分層且界面污染不超過 20％。

　　2.2 涂層性能
　　涂層主要性能包括拉伸結(jié)合強度和表面洛氏硬度。兩組噴涂涂層試樣的拉伸結(jié)合強度測量結(jié)果見表 5。該結(jié)果表明，Cr3C2- 30%NiCr涂層的結(jié)合強度平均值皆明顯大于美國進口Metco 81 VF- NS 粉末噴涂涂層的結(jié)合強度。這說明涂層中的粘結(jié)相NiCr 合金含量增加，有利于提高涂層的結(jié)合強度。肉眼觀察拉斷涂層試樣的斷裂表面發(fā)現(xiàn)，試樣斷裂的位置皆在涂層內(nèi)部，說明涂層界面的結(jié)合強度大于其內(nèi)聚強度。

鎳鉻－碳化鉻涂層的表面洛氏硬度 HR15N 測試結(jié)果見表6?？梢妰煞N粉末噴涂的涂層表面硬度測量結(jié)果比較接近，另外不同位置的硬度測量值變化不大，這說明噴涂工藝穩(wěn)定，涂層組織比較均勻，與圖2的涂層顯微組織觀察結(jié)果一致。Cr3C2- 30%NiCr 涂層的上述機械性能皆符合設(shè)計要求，因此噴涂工藝現(xiàn)已被用于某型號發(fā)動機的前軸承機匣零部件的噴涂生產(chǎn)。

表 7 為國產(chǎn)燒結(jié)型鎳鉻 - 碳化鉻粉末噴涂的涂層與進口Metco 81 VF- NS粉末噴涂涂層耐沖蝕性能試驗結(jié)果的比較。
　　為了更好地進行比較，根據(jù)試樣尺寸對沖蝕試樣的重量差進行了單位面積失重的歸一化處理。從兩種粉末噴涂涂層的試樣失重平均值可以看出，國產(chǎn)粉末噴涂涂層的試樣失重為3.68 mg/cm- 2，略大于進口粉末噴涂涂層的試樣失重值（3.56 mg/cm- 2），說明兩種粉末噴涂涂層的耐沖蝕性能基本上接近。
　　由于沖蝕角度較小，涂層的沖蝕機制以微切削為主，并發(fā)生涂層剝落。

3結(jié)論
　　（1）以燒結(jié)型 Cr3C2- 30%NiCr 粉末作為噴涂材料，采用大氣等離子噴涂工藝制備的鎳鉻－碳化鉻耐磨涂層顯微組織均勻，氧化物彌散分布、孔洞及未熔顆粒較小。
　?。?）Cr3C2- 30%NiCr 涂層的拉伸結(jié)合強度不小于 40MPa，顯著高于用 Metco 81 VF- NS 粉末噴涂的涂層。兩種粉末的涂層表面洛氏硬度及耐砂粒沖蝕性能相近。