CrAlY粒度对复合电沉积Ni-CrAlY涂层复合量的影响研究

蔡颖辉，刘建明，黄凌峰，王帅，郭睿

CrAlY粒度对复合电沉积Ni-CrAlY涂层复合量的影响研究

蔡颖辉1，刘建明1,2，黄凌峰,2，王帅1,2，郭睿1,2

（1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心，北京 102206）

研究CrAlY粉末粒度对复合电沉积Ni-CrAlY涂层复合量的影响规律及机理，并探索利用图像软件精确测量涂层中CrAlY复合量的方法。以10种不同粒度CrAlY粉末为原材料，采用复合电沉积技术制备Ni-CrAlY涂层。利用扫描电镜以及能谱仪等表征手段测量涂层中CrAlY颗粒的复合量，分析研究CrAlY激光粒度特征值与其复合量的关系。利用Adobe Photoshop软件研究图像处理方式对图像法表征涂层中CrAlY复合量准确度的影响。CrAlY激光粒度(90)和(50)与其复合量有明显关联性，涂层中CrAlY的复合量随CrAlY粉末(90)和(50)的增加，呈现先升高、后降低的趋势，当CrAlY粉末(90)在12.90～ 22.40 μm，(50)在6.83～9.68 μm时，复合量较高，达到30.58%（质量分数）以上；当CrAlY粉末(90)小于12.90 μm或大于22.4 μm，(50)小于6.83 μm或大于9.68 μm时，CrAlY颗粒复合量出现了显著性下降，最低为27.42%。选择容差为33，消除图形锯齿，并进行灰度处理，可使用图像法较准确地测量出涂层中CrAlY的复合量，其测量偏差小于4.1%（体积分数）。CrAlY粉末粒度对其在复合电沉积Ni-CrAlY涂层中的复合量有明显影响，CrAlY粉末过细或过粗均不利于其复合量的提高，需控制CrAlY在合适的粒度区间才能获得较高的复合量。颗粒最密嵌合机制、不同粒径颗粒受镀液冲击作用的不同、颗粒间互相碰撞作用以及“微粒停泊”机制的尺寸限制作用，4种作用的协同影响是造成CrAlY颗粒粒度与复合量出现该规律的主要原因。通过控制容差选取、锯齿处理、灰度处理等，可显著提高图像法测量CrAlY复合量的精度。

粒径分布；复合量；电沉积；图像法；微粒停泊

MCrAlY（M为Ni、Co或NiCo）材料在涂层领域被广泛应用，在包覆涂层、热障涂层粘结层以及可磨耗封严涂层等中充当关键材料。现今行业常采用热喷涂技术[1-4]以及物理气相沉积技术[5-7]制备MCrAlY涂层，其中热喷涂技术包括超音速火焰喷涂（HVOF）、真空等离子喷涂（VPS）、大气等离子喷涂（APS）、低压等离子喷涂（LPPS）等；物理气相沉积技术包括电子束物理气相沉积（EB-PVD）、磁控溅射（MS）以及多弧离子镀（AIP）等。这些方法制备MCrAlY涂层时均存在着“视线效应”，对于复杂形状工件涂覆完整均匀性的控制难度大。同时热喷涂技术与物理气相沉积技术相对于复合电沉积技术均具有“高能耗”的特点，现工业级整套热喷涂设备的功率处于59～980 kW，工业级物理气相沉积系统的核心设备功率皆在50 kW以上[8-15]。采用复合电沉积技术制备MCrAlY涂层时，具备“非视线效应”、“低能耗”、“不损伤基体”以及镀层组织致密等特点。对浸入镀液内的镀件区域均可进行均匀镀覆，设备成本低，整套工业级设备的功率不超过10 kW，镀前镀件无需吹砂等机械处理，且工艺温度处于50～60 ℃，可以确保对镀件无热影响[16-22]。复合电沉积技术在低成本高质量制备MCrAlY涂层方向拥有巨大的发展前景。

CrAlY复合量是决定MCrAlY涂层抗高温氧化性和抗热腐蚀性优劣的重要因素，这主要是由于Cr和Al元素能够在涂层表面形成结构致密且连续的Cr2O3和Al2O3氧化膜（TGO）。因为MCrAlY涂层作为抗氧化涂层或封严涂层时，表面形成的氧化膜会因厚度增加、冷热循环、冲蚀和刮削磨损等因素的影响而不断地被破坏，所以涂层内需要充足的Cr、Al元素形成连续且致密的新氧化膜。湖南大学李美姮等[23-25]研究表明，MCrAlY粘结层表面TGO超过一定厚度时，会导致涂层内应力性质发生改变，造成层内裂纹萌生。中科院赵明雨等[26-29]研究表明，对于NiCrAl涂层，提高Al含量可以降低涂层TGO的生长速率。

Foster等[30-31]国外学者研究了CrAlY粉末粒径对Ni-CrAl(Y)涂层复合量的影响，研究表明，精确控制CrAlY粉末粒径分布在10～15 μm对获得高CrAlY颗粒复合量的涂层至关重要，原因在于不同粒径的颗粒之间会存在干扰。关于复合电沉积技术制备M-CrAlY涂层方面，国内学者刘光明等[32-35]开展了粉末浓度、溶液pH值、搅拌速率、镀液温度等参数的影响研究。目前国内外对于CrAlY粉末粒径分布对其复合量的影响研究较少，认识深度不足。

目前主要有2种表征M-CrAlY涂层中CrAlY颗粒复合量的方式，分别为体积分数与质量分数。体积分数的测量是通过Image J、Matlab以及Photoshop等[36]图像处理软件计算涂层剖面的金相照片中CrAlY颗粒的面积比，以此作为体积分数。测量质量分数有2种方法：一种是对涂层进行热处理，使得元素充分扩散均匀后，利用EDS进行测量；另一种是将涂层取下后，利用化学元素分析方法测量。体积分数法的优点在于可以直接观测到CrAlY颗粒在涂层组织中的镶嵌方式，便于研究工作者分析其沉积过程机理，不足之处在于软件测量存在较大偏差，偏差源自于测量方式、软件参数及涂层相片像素等因素。质量分数法的优点在于测量结果准确，缺点在于表征过程复杂。

本文较系统地研究了CrAlY粉末粒径分布对Ni-CrAlY镀层中CrAlY颗粒复合量的影响规律及机理，并对比研究了不同表征方法测得的CrAlY颗粒复合量及其偏差。

1 试验

1.1 材料

本文采用由德国ALD公司真空惰气雾化系统制备的CrAlY粉末，粉末名义成分（质量分数）为：Cr 66%，Al 31%，Y 3%。将CrAlY粉末进行筛分，获得小于500目的粉末，并进一步通过气流分级机获得不同粒度分布的粉末，共计10组。采用Mastersizer 2000型激光粒度仪对10组CrAlY粉末进行粒度分析，结果见表1。

表1 CrAlY粉末粒度分布

Tab.1 CrAlY powder particle distribution μm

采用的CrAlY粉末的典型显微形貌如图1所示，颗粒呈近球状。采用德国埃尔特生产的ELEMEN­TRAC ONH-P型氧氮氢分析仪测得各组粉末中的氧含量均低于0.5%。

图1 CrAlY粉末显微形貌照片

1.2 涂层制备

以GH4169高温合金为基材，采用电火花工艺切割成2 mm×15 mm×51 mm的试样。试样经超声清洗和除油处理后，采用硫酸镍体系的镀液进行涂层制备。不同粒度的CrAlY粉末均采用相同的电沉积工艺参数进行Ni-CrAlY涂层制备，主要工艺参数：CrAlY粉末质量浓度为30 g/L，试验温度为50 ℃，电沉积时间为4 h，间歇式搅拌，电流密度为2 A/dm3，阴阳极距离为40 mm，搅拌速率为650 r/min。将获取的涂层试样置于超高温真空烧结炉中进行均匀扩散处理，扩散温度为1 000 ℃，时间为2 h，真空度为1.0×10–2Pa，随炉冷却。

1.3 涂层中CrAlY复合量的表征方法

准确测量涂层中CrAlY复合量是涂层工艺研究和性能表征的基础，当前主要的测量方法包括化学分析法、EDS法和图像分析法。化学分析法是利用酸或碱溶解基质金属后测得嵌合颗粒的复合量，优点是测量结果准确，缺点是样品制备难度大。EDS法利用扫描电镜附件进行测量，半定量分析的准确度与样品的导电性、元素的原子序数及含量相关，优点是制样较简单，大部分元素测量结果在工程上可接受，缺点是须将涂层进行真空扩散热处理，样品制备流程长，且会丢失一部分过程信息。图像分析法是利用图形软件识别涂层组织照片中嵌合颗粒的面积占比，以此作为嵌合颗粒的体积分数，优点是方便快捷，缺点是受图像处理方式的影响，结果误差比较大。

本文采用EDS法测定涂层中CrAlY复合量，具体方法为：将经过真空热处理的涂层进行剖切，制备成剖面金相试样，置于2000X型扫描电镜中进行EDS元素含量分析。为了减小元素分布不均匀对测量结果的影响，针对每个样品选取涂层剖面中等距的30个点位进行EDS元素面扫描，获取Cr、Al、Y元素的质量分数，计算获得CrAlY颗粒质量分数。

当前图像分析法主要解决的问题在于调整软件参数使测量偏差减小。本文以EDS法测量结果为参照，研究容差、锯齿边部识别、灰度处理对测量结果的影响。利用Adobe Photoshop 2020软件的A、B、C三种模式，并选取热处理前涂层组织区域中灰度最高的像素点，对涂层CrAlY颗粒的体积分数进行测量。A模式参数：取样大小为取样点，容差为33，消除锯齿；B模式参数：取样大小为取样点，容差为33，不消除锯齿；C模式参数：取样大小为取样点，容差为20，消除锯齿。随后，对涂层组织照片进行灰度处理，使得图像噪点降至最低，获得体积分数信息。最后，将EDS法测得的质量分数根据理论公式转换为理论体积分数，与图像法测得的体积分数进行对比研究。

EDS法测量的质量分数结果按以下方法转换为可与图像法进行对比的体积百分数形式。令A、B分别代表涂层中基体金属镍以及CrAlY颗粒，复合涂层体积为，质量为，则基相金属和CrAlY颗粒体积分别为A、B，质量分别为A、B。质量分数w和体积分数v的计算见式（1）—（4）。

=A+B(2)

=A+B(4)

令、A、B分别代表涂层密度、基相金属镍密度及CrAlY密度，则：

由式（2）可得：

=AA+BB(6)

将式（7）代入式（5）可得：

2 结果与分析

2.1 涂层组织形貌

采用10组不同粒度的CrAlY粉末为原料制备而成的Ni-CrAlY涂层在热处理前的剖面扫描电镜照片如图2所示，编号与表1中CrAlY编号相对应。图2中，呈灰褐色的斑点为CrAlY颗粒，浅色区域为镍基相，可见CrAlY颗粒在Ni基相中分布较为均匀，涂层组织致密，未见孔隙及裂纹等缺陷。红色箭头所指为CrAlY颗粒在嵌合过程中被镀液冲刷掉之后留下的痕迹，黄色箭头所指为涂层组织中粒径较大的CrAlY颗粒，蓝色箭头所指为涂层组织中未嵌合CrAlY颗粒的区域。

真空热处理后，涂层剖面组织的微观形貌如图3所示。由图3可见，涂层中CrAlY颗粒已与镍基相充分扩散。第1—9组涂层组织的孔隙率低，与基体结合紧密，而第10组中涂层与基体的界面处出现了较多孔隙缺陷。

真空热处理后，涂层元素面扫描的典型照片如图4所示。由图4可见，涂层中Ni、Cr、Al、Y各元素分布较为均匀，在该状态下进行EDS元素含量分析可获得较为准确的结果。

2.2 CrAlY粒度分布对复合量的影响

利用EDS元素分析法测得涂层组织中CrAlY颗粒的质量分数见表2。

CrAlY粉末(90)、(50)及(10)与CrAlY颗粒质量分数的关系如图5所示。从图5中可见，CrAlY颗粒的质量分数随着CrAlY粉末(90)和(50)大小的增加，呈现先升后降的趋势，而CrAlY颗粒质量分数与CrAlY粉末(10)大小无明显规律性关系。当CrAlY粉末(90)处于12.90～22.4 μm，(50)处于6.83～9.68 μm时，复合量为30.58%～31.39%；当CrAlY粉末(90)小于12.90 μm或大于22.4 μm，(50)小于6.83 μm或大于9.68 μm时，CrAlY颗粒复合量出现了显著性下降。

本文分析该规律的原因来源于以下几个方面。

1）镀液中的CrAlY颗粒形成了双电层结构，表面吸附基质金属Ni2+的CrAlY颗粒向阴极移动，完成电沉积过程，具有相同双电子层结构的CrAlY颗粒相互之间存在静电斥力。由此，本文建立了理想状态下仅受库仑力的CrAlY颗粒最密嵌合状态的模型，如图6所示。

图2 10组Ni-CrAlY涂层热处理前微观形貌

图3 10组Ni-CrAlY涂层热处理后微观形貌

图4 Ni-CrAlY涂层热处理后典型元素分布

表2 EDS法测得涂层中CrAlY的质量分数

Tab.2 CrAlY percentage of mass in the coatings measured by EDS wt.%

图5 D(90)、D(50)及D(10)与复合量之间的关系

图6 CrAlY颗粒最密嵌合模型

此时，CrAlY颗粒复合量的计算见式（9）—（12）。

将式（9）、（10）和（11）代入式（12）可得：

当CrAlY颗粒的半径越小时，比表面积越大，吸附的电荷密度越大，颗粒间静电斥力越强，颗粒间距越大。由此，根据式（13）可知，涂层CrAlY颗粒的复合量越低。涂层CrAlY颗粒复合量大小与

CrAlY颗粒半径大小呈正相关关系，这便是粒径过小时涂层复合量出现下降现象的机理。

2）在CrAlY颗粒电沉积过程中，不断沉积的基质金属对吸附在阴极表面的CrAlY颗粒进行包覆，期间镀液冲击导致部分嵌合不牢的颗粒从涂层中脱落。在Ni-CrAlY涂层热处理前的表面微观形貌中，发现了CrAlY颗粒脱落留下的凹坑，如图7所示。

图7 CrAlY颗粒脱落留下的凹坑

本文根据CrAlY颗粒被镀液冲击脱落的难易程度，以及CrAlY颗粒脱落留下的凹坑大小，将颗粒的嵌合过程分为未嵌合状态、弱嵌合状态、强嵌合状态及完全嵌合状态4个状态，如图8所示。颗粒的脱落主要发生在未嵌合状态和弱嵌合状态，强嵌合状态颗粒不易脱落，完全嵌合的颗粒则不会脱落。

第二相颗粒的粒径越大，形成强嵌合所需要的时间越长，被镀液冲刷掉的几率更大，留下的凹坑形成未嵌合区。在图2中，10组涂层组织中均发现了嵌合过程中的CrAlY颗粒被冲刷掉之后留下的痕迹（红色箭头所指区域），证实了电沉积过程中镀液对CrAlY颗粒冲击作用的存在。本文以第10组试验结

果为例来说明嵌合过程中镀液对不同粒径颗粒的冲击效果的差异性。试验采用磁力搅拌35 s停止40 s的间歇式搅拌，镀覆4 h获得的涂层厚度为147 μm，镀覆过程中涂层以匀速进行生长。由此，完全嵌合25 μm的CrAlY颗粒需要2 449 s，承受液流1 142 s的冲击；完全嵌合10 μm的CrAlY颗粒需要979 s，承受液流456 s的冲击。因此，颗粒粒径较大时，完全被嵌合需要的时间长，更容易被镀液冲刷掉，留下未嵌合区。这便解释了当CrAlY粉末(90)大于 22.4 μm、(50)大于9.68 μm时，CrAlY颗粒的复合量呈现显著性下降趋势的原因。

3）不同粒径CrAlY颗粒之间会发生碰撞，对CrAlY颗粒的沉积会产生不利影响。从图2中可见，第1、2组涂层组织中存在一些13 μm左右的较大CrAlY颗粒（黄色箭头所指区域），这些较大的CrAlY颗粒与周围粒径较小的CrAlY颗粒发生碰撞，阻碍了沉积过程的进行。这可能是当CrAlY粉末(90)小于12.90 μm，(50)小于6.83 μm时CrAlY颗粒复合量呈现下降趋势的一方面原因。

4）在电沉积过程中，CrAlY颗粒沉积在涂层表面上，被基质金属包覆后，形成了类圆形凸起，如图9所示。涂层凸起区域的场强相对更大，吸引靠近凸起区域的CrAlY颗粒优先附着沉积，从而使得凸起区域扩大，涂层最终形成了三维沟壑状形貌，如图10所示。

先嵌合的颗粒使得涂层形成了三维沟壑状的空间区域，对后续嵌合的颗粒具有一定的尺寸限制，当颗粒不满足沟壑间尺寸限制时，沟壑内无法及时被CrAlY颗粒填充，从而形成未嵌合区域，该现象称为“微粒停泊”现象。粉末粒度分布决定了是否有合适大小的微粒满足“微粒停泊”机制的尺寸限制来进行沉积过程。图2中10组涂层组织中均存在大量的未嵌合CrAlY颗粒的区域（蓝色箭头所指区域），这说明了电沉积过程中CrAlY颗粒的粒度分布对涂层的复合量具有重要的影响作用。粒径大小与粒径分布的协同作用可能是造成CrAlY颗粒质量分数随着CrAlY粉末(90)和(50)大小的增加而呈现先升后降趋势的根本原因。

图8 颗粒嵌合过程中的不同状态

图9 CrAlY颗粒完全嵌合后形成的凸起

图10 Ni-CrAlY三维沟壑状形貌

2.3 图像识别法的应用

纯镍的密度为8.908 g/cm3，CrAlY合金颗粒的密度为4.688 g/cm3，将表2中的数据分别代入式（8），可获得理论CrAlY颗粒体积分数，见表3。利用Adobe Photoshop 2020软件的A、B、C三种模式测得涂层CrAlY颗粒体积分数见表4。

在图像法3种模式下获取的CrAlY颗粒体积分数的数据与理论体积分数进行对比，如图11所示。相较于B、C测量模式，A模式各组复合量最接近理论体积分数，A模式中复合量大小随CrAlY颗粒粒径变化的趋势也最为接近理论体积分数的趋势，偏差范围为1.90%～12.93%。

表3 CrAlY理论体积分数

Tab.3 Theoretical volume percentage of the CrAlY vol.%

表4 图像法CrAlY体积分数

Tab.4 CrAlY volume percentage by the image method vol.%

图11 CrAlY理论体积分数

在A模式下，对不同涂层组织照片进行灰度处理修正，使得图像识别软件噪点降低，能够准确地识别出CrAlY颗粒区域，灰度处理后的修正结果见表5。

表5 CrAlY体积分数灰度处理后修正值

Tab.5 Revised values of CrAlY volume percentage after gray scale treatment vol.%

不同参数试验组的CrAlY颗粒复合量如图12所示。由图12可见，灰度处理修正值与理论体积分数的偏差范围为0.10%～4.05%，数值大小非常接近，能有效地反应各试验组的真实复合量大小。这表明利用Adobe Photoshop 2020软件测量Ni-CrAlY涂层的CrAlY颗粒复合量时，选择合适的容差大小，消除图形锯齿，并进行灰度处理，使得涂层噪点降至最低，就可以较为准确地测量出涂层组织的复合量大小，偏差大小在4.1%以内。

图12 CrAlY修正体积百分数

3 结论

1）利用复合电沉积技术制备Ni-CrAlY涂层时，CrAlY颗粒质量分数随着CrAlY粉末(90)和(50)大小的增加呈现先升后降的趋势，而CrAlY颗粒质量分数与CrAlY粉末(10)大小无明显规律性关系。当CrAlY粉末(90)处于12.90～22.4 μm，(50)处于6.83～9.68 μm时，复合量为30.58%～31.39%；当CrAlY粉末(90)小于12.90 μm或大于22.4 μm，(50)小于6.83 μm或大于9.68 μm时，CrAlY颗粒复合量出现了显著性下降。

2）CrAlY粉末粒度对复合电沉积Ni-CrAlY涂层的复合量有明显影响，CrAlY粉末过细或过粗均不利于其复合量的提高，需控制CrAlY在合适的粒度区间才能获得较高的复合量。颗粒最密嵌合机制、不同粒径颗粒受镀液冲击作用的不同、颗粒间互相碰撞作用以及“微粒停泊”机制的尺寸限制作用，4种作用的协同影响是造成CrAlY颗粒粒度与复合量出现该规律的主要原因。

3）利用Adobe Photoshop 2020软件测量Ni- CrAlY涂层的CrAlY颗粒复合量时，通过控制容差选取、锯齿处理、灰度处理等，可显著提高图像法测量CrAlY复合量的精度，偏差大小在4.1%以内。

[1] LI Chun-yan, WANG Hai-bo, DING Juan-qiang, et al. Effects of Heat Treatment on HVOF-Sprayed Fe-Based Amorphous Coatings[J]. Surface Engineering, 2021, 37(5): 590-598.

[2] ILLÉS B, GÉCZY A, MEDGYES B, et al. Vapour Phase Soldering (VPS) Technology: A Review[J]. Soldering & Surface Mount Technology, 2019, 31(3): 146-456.

[3] 董权. 大气等离子喷涂制备FeCrMoBC非晶涂层的组织和性能研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2020.

DONG Quan. Microstructure and Properties of FeCrMoBC Amorphous Coating Prepared by Air Plasma Spraying[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2020.

[4] 沈凯月. 热处理和喷涂参数对低压等离子喷涂Ti6Al4V涂层组织和性能的影响[D]. 大连: 大连海事大学, 2020.

SHEN Kai-yue. Effect of Heat Treatment and Spray Parameters on Properties of the Ti-6Al-4V Coating by Low Pressure Plasma Spraying[D]. Dalian: Dalian Mari­time University, 2020.

[5] ZHANG B C, CHEN Kui-ying, BADDOUR N, et al. Failure and Life Evaluation of EB-PVD Thermal Barrier Coatings Using Temperature-Process-Dependent Model Parameters[J]. Corrosion Science, 2019, 156: 1-9.

[6] 余东海, 王成勇, 成晓玲, 等. 磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 真空, 2009, 46(2): 19-25.

YU Dong-hai, WANG Cheng-yong, CHENG Xiao-ling, et al. Recent Development of Magnetron Sputtering Proc­esses[J]. Vacuum, 2009, 46(2): 19-25.

[7] 廖依敏, 丰敏, 陈明辉, 等. TiAl合金表面搪瓷基复合涂层与多弧离子镀NiCrAlY涂层的抗热腐蚀行为对比研究[J]. 金属学报, 2019, 55(2): 229-237.

LIAO Yi-min, FENG Min, CHEN Ming-hui, et al. Comparative Study of Hot Corrosion Behavior of the Enamel Based Composite Coatings and the Arc Ion Plating NiCrAlY on TiAl Alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2019, 55(2): 229-237.

[8] 宋桂荣. 激光重熔超音速火焰喷涂铁基合金涂层的组织和性能研究[D]. 天津: 天津大学, 2010.

SONG Gui-rong. Study on Microstructure and Property of Laser Remelted Fe-Based Coating Deposited by HVOF[D]. Tianjin: Tianjin University, 2010.

[9] 黄文, 薛召露, 刘侠, 等. 喷涂功率对YSZ涂层的力学性能和抗铝硅熔体腐蚀性能的影响[J]. 过程工程学报, 2020, 20(12): 1463-1471.

HUANG Wen, XUE Zhao-lu, LIU Xia, et al. Influence of Spraying Power on Mechanical and Resistance to Aluminum–Silicon Melt Corrosion Properties of YSZ Coating[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2020, 20(12): 1463-1471.

[10] 唐荣荣. 等离子喷涂8YSZ热障涂层的性能及工艺参数研究[D]. 镇江: 江苏大学, 2019.

TANG Rong-rong. Research on Properties and Process Parameters of Plasma Sprayed 8YSZ Thermal Barrier Coating[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2019.

[11] 孙友贝, 周春根. 喷涂功率对纳米热障涂层组织及性能的影响[J]. 北京航空航天大学学报, 2013, 39(9): 1275-1278.

SUN You-bei, ZHOU Chun-gen. Effect of Spraying Power on Microstructure and Property of Nanostructured Thermal Barrier Coatings[J]. Journal of Beijing Unive­rsity of Aeronautics and Astronautics, 2013, 39(9): 1275-1278.

[12] 马伯乐, 马文, 黄威, 等. 大气等离子喷涂SrZrO3热障涂层工艺与性能的研究[J]. 装备环境工程, 2019, 16(1): 17-23.

MA Bo-le, MA Wen, HUANG Wei, et al. Process and Properties of SrZrO3 Thermal Barrier Coating Prepared by Atmospheric Plasma Spray[J]. Equipment Environ­mental Engineering, 2019, 16(1): 17-23.

[13] 刘章. 等离子喷涂铸铁粒子在软质金属基体上的沉积行为研究[D]. 西安: 长安大学, 2018.

LIU Zhang. The Deposition Behavior of Plasma Sprayed Cast Iron Splat on Soft Metal Substrates[D]. Xi'an: Changan University, 2018.

[14] 李太江, 杨二娟, 李巍, 等. 制备参数对等离子喷涂热障涂层高温冲蚀性能的影响[J]. 材料保护, 2017, 50(10): 44-47.

LI Tai-jiang, YANG Er-juan, LI Wei, et al. Effects of Preparation Parameters on High Temperature Erosion Properties of Plasma Sprayed Thermal Barrier Coat­ings[J]. Materials Protection, 2017, 50(10): 44-47.

[15] 刘伟. GH586等离子喷涂与激光重熔制备热障涂层的组织及性能研究[D]. 镇江: 江苏大学, 2016.

LIU Wei. The Study of Performance of Thermal Barrier Coatings Prepared on the Surface of GH586 by Plasma Spraying and Laser Remelting[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2016.

[16] 甄会娟. 高性能MCrAlY涂层的电沉积制备及其防护机制[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2019.

ZHEN Hui-juan. Development and oxidation mechanisms of MCrAl coatings by electrodeposition[D]. Hefei: Unive­rsity of Science and Technology of China, 2019.

[17] APELT S, ZHANG Y, ZHU J H, et al. Electrodeposition of Co-Mn3O4Composite Coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2015, 280: 208-215.

[18] YANG X, PENG X, XU C, WANG F. Electrochemical assembly of NixCryAl Nanocomposites with Excellent High-Temperature Oxidation Resistance[J]. Electroche­mical Society, 2009, 156(5): 167-175.

[19] LAKRA S, MAHARANA H S, BASU A. Synthesis and Characterization of Cr-ZrO2 Composite Coating Formed by DC and Pulse Electrodeposition[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2016, 31(11): 1447-1453.

[20] MANZANO C V, CABALLERO-CALERO O, TRANC­HANT M, et al. Thermal Conductivity Reduction by Nanostructuration in Electrodeposited CuNi Alloys[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2021, 9(10): 3447- 3454.

[21] WITMAN J C, ZHANG Y. Effect of Electro-Code­pos­ition Parameters on Particle Incorporation in Ni-CrAlY(Ta)Coatings[J]. Materials and Manufacturing Processes, 2021, 36(2): 209-214.

[22] BATES B L, ZHANG L Z, ZHANG Y. Electrodeposition of Ni Matrix Composite Coatings with Embedded CrAlY Particles[J]. Surface Engineering, 2015, 31(3): 202-208.

[23] 李美姮, 胡望宇, 孙晓峰, 等. EB-PVD热障涂层的弹性模量和断裂韧性研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2006, 35(4): 577-580.

LI Mei-heng, HU Wang-yu, SUN Xiao-feng, et al. Study on Elastic Modulus and Fracture Toughness of an EB- PVD Thermal Barrier Coatings[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2006, 35(4): 577-580.

[24] 潘敏亮. 考虑界面形貌的热障涂层氧化失效及其可靠性分析[D]. 湘潭: 湘潭大学, 2016.

PAN Min-liang. Oxidation Failure with Its Reliability Analysis of TBCS in Consideration of Interface Morp­hology[D]. Xiangtan: Xiangtan University, 2016.

[25] GUO Dun, YU Qing-min, CEN Lv. Effect of CMAS on Interfacial Crack and Residual Stress of Thermal Barrier Coatings[J]. 稀有金属材料与工程, 2020, 49(9): 2937- 2947.

GUO Dun, YU Qing-min, CEN Lv. Effect of CMAS on Interfacial Crack and Residual Stress of Thermal Barrier Coatings[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(9): 2937-2947.

[26] 赵明雨, 甄会娟, 董志宏, 等. 新型耐磨耐高温氧化NiCrAlSiC复合涂层的制备及性能研究[J]. 金属学报, 2019, 55(7): 902-910.

ZHAO Ming-yu, ZHEN Hui-juan, DONG Zhi-hong, et al. Preparation and Performance of a Novel Wear-Resistant and High Temperature Oxidation-Resistant NiCrAlSiC Composite Coating[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2019, 55(7): 902-910.

[27] 甄会娟, 田礼熙, 董志宏, 等. 高(Cr, Al)含量NiCrAl(Y)涂层电沉积制备及抗高温氧化性能[J]. 航空材料学报, 2018, 38(2): 52-58.

ZHEN Hui-juan, TIAN Li-xi, DONG Zhi-hong, et al. Electrodeposition of NiCrAl(Y) Coatings with High Contents of Cr and Al and Their Oxidation Resistance[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2018, 38(2): 52-58.

[28] 杨洪志, 邹俭鹏, 石倩, 等. MCrAlY高温防护涂层界面扩散行为研究进展[J]. 稀有金属材料与工程, 2020, 49(7): 2240-2249.

YANG Hong-zhi, ZOU Jian-peng, SHI Qian, et al. Recent Advances for Interface Diffusion Behavior in MCrAlY Coatings at Elevated Temperature Oxidation[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49(7): 2240- 2249.

[29] 张帮彦. MCrAlY粘结层抗氧化性能的预处理强化方法研究[D]. 西安: 西安交通大学, 2017.

ZHANG Bang-yan. Pre-Treatment Methods of Enhancing Oxidation Resistance of MCrAlY Bond Coat[D]. Xi'an: Xi'an Jiaotong University, 2017.

[30] ZHANG L Z, BATES B L, ZHANG Y. Effect of Post- Deposition Heat Treatment on Electrodeposited NiCoCrAlY Coatings[J]. Surface Engineering, 2017, 33(2): 136-141.

[31] FOSTER J, CAMERON B P, CAREW J A. The Produ­ction of Multi-Component Alloy Coatings by Particle Code­position[J]. Transactions of the IMF, 1985, 63(1): 115-119.

[32] 刘光明, 刘德强, 汪元奎, 等. T91钢表面复合电沉积Ni/CrAl镀层的工艺研究[J]. 表面技术, 2012, 41(1): 61-63.

LIU Guang-ming, LIU De-qiang, WANG Yuan-kui, et al. Preparation of Ni/CrAl Coatings on T91 Steel by Com­posite Electrodeposition[J]. Surface Technology, 2012, 41(1): 61-63.

[33] 刘德强. 复合电镀Ni/CrAl高温涂层的制备[D]. 南昌: 南昌航空大学, 2012.

LIU De-qiang. Ni/CrAl Composite Coatings Produced by Particle Electro-Codeposition[D]. Nanchang: Nanchang Hangkong University, 2012.

[34] 贾卫平, 吴蒙华, 杨帆. 复合电沉积工艺参数对镍晶微铸件表面性能的影响[J]. 表面技术, 2014, 43(5): 55-60.

JIA Wei-ping, WU Meng-hua, YANG Fan. Effect of Com­bined Electro-Deposition Parameters on Surface Perfor­mances of Nickel Micro Electroforming Parts[J]. Surface Technology, 2014, 43(5): 55-60.

[35] 纪仁杰, 刘胜贵, 刘永红, 等. 复合电沉积初始阶段预吸附的惰性颗粒对金属离子沉积的影响研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(5): 177-184.

JI Ren-jie, LIU Sheng-gui, LIU Yong-hong, et al. Effects of Pre-Adsorbed Inert Particles on Deposition of Metal Ions at the Initial Stage of Composite Electrodeposi­tion[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(5): 177-184.

[36] 赫放, 孙杰, 杨景伟, 等. 用图形软件分析封严涂层金相照片计算孔隙率的方法[J]. 电镀与涂饰, 2017, 36(22): 1230-1233.

HE Fang, SUN Jie, YANG Jing-wei, et al. A Method for Calculating Porosity of Seal Coating by Analyzing Its Metallograph Using Graphic Software[J]. Electroplating & Finishing, 2017, 36(22): 1230-1233.

Effect of CrAlY Granularity on the Composite Amount of Composite Electrodeposited Ni-CrAlY Coating

1,1,2,1,2,1,2,1,2

(1. BGERIMM Technology Group, Beijing 100160, China; 2. Beijing Engineering Technology Research Center of Surface Strengthening and Repairing of Industry Parts, Beijing 102206, China)

Composite electrodeposition technology with non-line-of-sight and low energy consumption is promising in preparing Ni-CrAlY coatings. The composite amount of CrAlY particles is one of the most important parameters that determine the coating performance. This experiment studied the influence law and mechanism of CrAlY powder granularity on the composite amount of composite electrodeposited Ni-CrAlY coating, and explored the method to accurately measure the composite amount of CrAlY in the coating using image software.

CrAlY powder prepared by vacuum inert gas atomizer (VIGA-16) with nominal composition (weight percentage): Cr, 66wt.%; Al, 31wt.%; Y, 3wt.%. CrAlY powder was screened to obtain a powder less than 500 mesh, and powder of different particle sizes was further obtained by airflow grading machine (LHB). Ten types of CrAlY powder were analyzed using a laser particle size analyzer (Mastersizer 2000). The oxygen content was measured at less than 0.5% by using an oxygen and nitrogen hydrogen analyzer (ONH-P). GH4169 nickel-based superalloy as substrate was made into samples of size 2mm×15mm×51mm by electrospark machine. Samples were prepared after ultrasonic cleaning with plating solution of nickel sulfate system. The particle distribution micro-morphology of the coating structure was observed using a scanning electron microscope (2000X). The obtained coating samples were placed in ultra-high temperature vacuum sintering furnace with uniform diffusion temperature of 1000 ℃, time of 2 h, vacuum degree of 1.0×10–2Pa and cooled with the furnace. The 30 areas of the coating for each sample element were scanned by EDS to obtain the element mass percentage of Cr, Al and Y, and the CrAlY particle mass percentage was calculated. At the same time, the effect of image processing method on the accuracy of image-based characterization of CrAlY composite content in coatings was also studied by using Adobe Photoshop software.

CrAlY laser granularity(90) and(50) were significantly associated with the composite amount of CrAlY, and the size of the CrAlY composite in the coating increased first and then decreased with the increase of the CrAlY powders(90) and(50). When the CrAlY powder(90) was at 12.90～22.40μm and(50) was at 6.83～9.68 μm, the composite amount was higher, reaching 30.58wt.% above; when the CrAlY powder(90) is less than 12.90 μm or greater than 22.4μm and(50) is less than 6.83 μm or greater than 9.68 μm, the composite amount of CrAlY particles decreased significantly, and the minimum value was 27.42wt.%. By selecting the tolerance size of 33, eliminating the aliasing of the graphics and performing grayscale processing allows the image method to accurately measure the composite amount of CrAlY in the coating, with a measurement deviation of less than 4.1vol.%.

CrAlY powder granularity has obvious effect on its composite amount in composite electrodeposited Ni-CrAlY coating. Too fine or too thick CrAlY powder is not conducive to improve its composite amount. It is necessary to control CrAlY in the appropriate granularity range to obtain higher composite amount. The synergistic effect of the mechanism of the closest fitting of the particles, the different impact of particles with different particle sizes on the impact of the plating solution, the collision between particles and the size limitation of the "particle docking" mechanism is the main reason for the regularity between particle size and composite amount of CrAlY. By controlling tolerance selection, sawtooth processing and gray scale processing, etc., the accuracy of measuring CrAlY composite amount by image method can be significantly improve.

particle size distribution; composite amount; electrodeposition; image method; particle parking

2021-09-03；

2022-01-05

CAI Ying-hui (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: composite electrodeposition theory and technology.

刘建明（1983—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为封严涂层技术。

LIU Jian-ming (1983-), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: seal coating technology.

蔡颖辉, 刘建明, 黄凌峰, 等. CrAlY粒度对复合电沉积Ni-CrAlY涂层复合量的影响研究[J]. 表面技术, 2022, 51(9): 206-216.

TG174.4

A

1001-3660(2022)09-0206-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–09–03；

2022–01–05

国家重点研发计划资助（2018YFB2002000）

Fund：National Key R & D Program of China (2018YFB2002000)

蔡颖辉（1996—），男，硕士研究生，主要研究方向为复合电沉积理论及工艺。

CAI Ying-hui, LIU Jian-ming, HUANG Ling-feng, et al. Effect of CrAlY Granularity on the Composite Amount of Composite Electrodeposited Ni-CrAlY Coating[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 206-216.

责任编辑：刘世忠