热喷涂用Inconel718粉末制备及涂层性能研究

孙勇，孙健豪，唐洪奎，马宽，李安，王庆相，赵霄昊

1.海军装备部 陕西西安 710021

2.西安欧中材料科技有限公司 陕西西安 710000

1 序言

等离子弧喷涂技术是一种将等离子弧作为热源，将陶瓷、合金及粉末加热到熔化或半熔化状态，并高速喷向经过预处理的工件表面[1，2]。研究发现，制备工艺、原材料等都会最终影响涂层的质量。球形粉末作为热喷涂使用材料，粉末粒径分布、粉末成分、粉末形貌等其他性能均会影响涂层效果[3-7]。热喷涂用金属粉末常用的制备方法为气雾化和水雾化方法[8，9]。普通气雾化或水雾化工艺制备的粉末往往存在氧含量高、球形度差、流动性差及均齐度不高等缺点，产品性能不能满足高性能涂层的要求。因此，需要采用先进的雾化系统及雾化技术来提高热喷涂用合金粉末的品质。

氩气雾化（GA）法和等离子旋转电极（PREP）法是目前常见的两种制备高品质球形粉末的方法（见图1）， GA法是利用喷嘴产生的高速气流将合金溶液吹向雾化室，液滴冷凝形成粉末[10-12]； PREP法是以高速旋转的金属棒材作为自耗电极，将熔滴甩出，液滴通过表面张力作用成球凝固[13，14]。相比GA方法，PREP粉末的球形度高，该技术制得的金属粉末具有粉末纯净度高、粉末球形度高、流动性优异及粒度分布可控等优点，但由于转速限制，PREP的细粉收得率较低[15，16]。

图1 GA法与PREP法制粉设备示意

本文分别采用上述两种方法制备粒度为45～90μm的Inconel718金属粉末，并对两种粉末采用等离子弧喷涂法制成Inconel718涂层。通过对粉末及涂层性能进行研究，探讨不同制备工艺下粉末的区别及粉末对涂层性能的影响。

2 试验材料及方法

2.1 粉末制备及检测

采用西安欧中材料的超高转速等离子旋转电极法（SS-PREP）和GA法两种方法对Inconel718母合金进行制粉并筛分出相同粒度段45～90μm粉末。对两种方法制备的粉末性能（成分、微观组织、形貌）进行对比分析。采用扫描电镜对两种方法制备的粉末形貌进行拍摄，镶样进行组织对比，通过粉体综合检测仪器分析粉末的流动性，松装密度、振实密度等物理性能。

2.2 涂层制备及检测

以两种粉末为原料进行等离子弧喷涂，基体选用φ20mm×15mm的316L圆饼，采用相同参数等离子弧喷涂法将两种工艺制备的粉末喷至316L基体上，工艺参数见表1。对制备的涂层厚度、孔隙率及硬度进行检测，对比两种粉末制备的涂层性能。

表1 等离子弧喷涂工艺参数

3 试验结果及分析

3.1 粉末性能

Inconel718母合金棒材及两种工艺方法制备的粉末的化学成分对比见表2。由表2可看出，采用两种方法生产的粉末主元素含量与母合金成近似，O、N、H气体元素都存在一定程度的升高；其中，相比GA法，采用SS-PREP法制备的粉末氧增量较小，气体元素升高的原因主要与制粉过程的环境有关，制粉过程真空度越低或保护气体越纯净，粉末中的O、N、H元素增量越小。

表2 Inconel718母合金棒材及两种工艺生产的粉末 化学成分对比（质量分数） （%）

对两种不同工艺方法制备的Inconel718粉末的形貌、组织及相组成进行对比，微观形貌如图2所示。由图2可看出，GA法制备的粉末球形度较低，卫星粉和不规则粉末较多，而SS-PREP法制备的粉末球形度高，几乎无卫星粉。粉末形貌的差异主要与其制备技术有关。SS-PREP法是将高速旋转的金属棒材一端进行熔化形成液膜，在离心力的作用下甩出，熔融的金属液滴在表面张力作用下凝固成近球形金属粉末。GA方法是指金属液流受到高速气流的冲击而解体，形成细小液滴，气体吹散液滴过程中会产生一定的波动，使液滴由于表面张力的作用下，球化过程中将气体卷入其中；同时，尺寸较小的粉末冷却较快，与大尺寸未完全凝固的粉末粘连，进而产生一定数量的卫星粉末。

图2 Inconel718粉末微观形貌

对两种粉末组织进行观察，结果如图3所示。图3a、图3c为未腐蚀前粉末的截面形貌，由此可看出，GA法制备的Inconel718粉末内部存在孔洞和异形粉末，而SS-PREP法制备的Inconel718粉末内部无孔洞且粉末形状均匀。图3b、图3d为两种方法制备的粉末组织，由此可看出，GA法制备的Inocnel718粉末为胞状晶组织，而SS-PREP法制备的粉末为枝晶组织，这是由于两种方法的冷却速率不同导致的，冷却过快易形成胞状组织，随冷速的降低，粉末组织逐渐转变为枝晶组织；对比两个粉末组织结构可知，GA法生产的粉末冷却速度更快；图3b中标记区域则是典型的GA法制粉过程中产生的孔隙。

图3 Inconel718粉末组织

同时，对两种方法制备的粉末进行显微硬度检测，其中加载重量为200g，加载时间为10s，得到两种粉末的硬度结果，如图4所示。从图4可看出，GA法制备的粉末硬度略低于SS-PREP法制备的粉末，分析认为硬度差异的主要原因是两种方法制备的粉末的组织差异，GA法制备的粉末胞晶组织硬度小于SS-PREP法制备的粉末枝晶组织结构。

图4 Inconel718粉末显微硬度

此外，对粉末的流动性、松装密度及振实密度进行检测，检测结果见表3。对比表3中数据可看出，SS-PREP法制备的Inocnel718粉末具有流动性好、松装密度和振实密度高的特点。其主要原因是SS-PREP法制备的粉末球形度高、无卫星粉和异形粉，而在粉末流动过程中，卫星粉和异形粉会加剧粉末之间摩擦，减缓粉末的流动性；同时，粉末堆积过程中，异形粉和卫星粉会加大粉末之间的孔隙，降低粉末的松装密度和振实密度。

表3 不同制粉工艺下Inconel718粉末物理性能对比

3.2 涂层性能

两种粉末采用相同工艺参数进行等离子弧喷涂后所得到的涂层纵截面形貌如图5所示。从图5中可看出，经过喷涂后，两种粉末均在316L基体上形成一定厚度的涂层，涂层中可以看出粉末经过重熔碰撞后形成层状结构；同时还发现，涂层内部存在一定的孔隙。对涂层厚度进行测量，其中GA法和SSPREP法粉末涂层厚度分别为345μm和521μm。通过以上结果可知，SS-PREP法制备的Inconel718粉末在该喷涂工艺下存在较高的沉积效率。

图5 Inconel718粉末涂层纵截面形貌

分析认为，两种粉末涂层的沉积效果差异主要受粉末喷出过程的聚集浓度影响，粉末输送到火焰嘴越聚集，沉积效果越好。而粉末的粒度分布、形貌、密度均会影响粉末送粉过程的粉末流场[17]。在粉末颗粒形状从非球形向完全规则球形变化的过程中，粉末流汇聚浓度呈逐渐上升的趋势，因此粉末的球形度越高，粉末流汇聚浓度越大，故较高的松装密度有利于提高粉末流的汇聚浓度。

涂层截面孔隙率及硬度检测结果见表4。由表4可知，GA法粉末制备的涂层截面孔隙率高于SSPREP法粉末；而GA法粉末制备的涂层硬度小于SSPREP法粉末制备的涂层硬度。

表4 涂层截面孔隙率及硬度检测结果

分析认为，GA法粉末涂层中的孔隙除了因为喷涂过程粉末间未完全粘接而产生外，还因为粉末内部包覆的孔隙会遗传至涂层中。如图6所示，由于带有封闭孔洞的粉末在熔化过程中，孔洞无法消除，随着粉末喷涂至基体上时，孔洞也随之遗传至涂层，以致涂层的孔隙率较高。两种粉末所制备的涂层硬度也存在一定差异，这是由于喷涂为机械结合，喷涂过程中粉末一般为熔化或半熔化状态，部分粉末颗粒微观组织会遗传至涂层中，导致涂层硬度有所差异。另外，GA法粉末中存在较多的卫星粉，使得最终的涂层质量较差，从而导致其硬度偏低[18]。

图6 喷涂过程粉末空心遗传示意

4 结束语

1）SS-PREP法制备的Inconel718粉末球形度高，几乎无卫星粉，粉末组织成枝状晶；而GA法制备的Inconel718粉末组织为胞状晶，空心粉较多，显微硬度小于SS-PREP法制备的同粒度粉末。

2）对比两种方法制备的涂层，相同工艺条件下，SS-PREP法粉末制备的涂层沉积率高于GA法粉末制备的涂层，并且SS-PREP法粉末制备的涂层空隙率低于GA法粉末制备的涂层。

3）相同喷涂工艺下，两种方法所制备的粉末形成的涂层硬度有所差异，SS-PREP法粉末制备的涂层硬度略高于GA法粉末制备的涂层。