微弧等离子堆焊Ni硅藻土高温封严涂层腐蚀磨损特性文献学习体会

文献概况与应用背景

本文发表于2017年《推进技术》第38卷第2期，由火箭军工程大学袁晓静、查柏林等完成，受国家自然科学基金青年基金资助。研究采用微弧等离子堆焊（Micro-Arc Plasma Transfer Welding, MAPTW）技术在基体表面沉积Ni/硅藻土复合涂层，系统研究了涂层的工艺规律、微观结构与腐蚀-磨损耦合行为。

高温封严涂层广泛应用于航空发动机、燃气轮机及固体火箭发动机等高温动力设备的密封界面。在发动机工作过程中，封严界面承受高温燃气冲刷、热循环与摩擦磨损的联合作用，涂层性能直接决定了发动机的密封效率与服役寿命。Ni/硅藻土复合涂层属于可磨耗型封严涂层，其设计原理是利用涂层的可控磨损特性，在运行中自动补偿间隙变化，维持密封效果。

涂层微观结构与内聚强度

结构特征

文献通过粉末与涂层的结构表征发现，涂层呈现堆叠结构，含有大量孔隙，主要由Ni、SiO2和少量NiO组成。这种结构特征的形成机理为：

• 微弧等离子堆焊过程中，颗粒在熔池中反复熔化-凝固，形成层状堆叠结构；
• 硅藻土颗粒在高温下部分分解，释放气体形成孔隙；
• Ni基体在冷却过程中与SiO2颗粒形成金属-陶瓷界面，少量Ni氧化生成NiO。

孔隙的存在对涂层性能具有双重影响：一方面，孔隙降低了涂层的密度与强度，可能导致脆性断裂；另一方面，孔隙为可磨耗封严涂层提供了可控的磨损通道，有利于在摩擦过程中实现材料均匀磨耗。

内聚强度与断裂行为

涂层的内聚强度平均达到8.78 MPa，在拉伸应力作用下表现为以下断裂特征：

• 以扁平化粒子边缘为主：表明颗粒在堆焊过程中发生了塑性变形，与基体结合较好；
• 沿孔隙率方向应力集中的脆性断裂：孔隙作为应力集中源，在拉伸载荷下引发裂纹萌生与扩展；
• 应力集中部位导致硅藻土粒子内部的穿晶断裂：当局部应力超过SiO2颗粒的强度极限时，颗粒本身发生穿晶断裂。

腐蚀-磨损耦合行为

工艺参数优化

文献指出，当堆焊电流为40 A时，涂层的摩擦系数和磨损率达到最优值。微弧等离子堆焊的电流直接影响熔池温度、颗粒熔化程度与沉积速率。电流过低则颗粒熔化不充分，结合力差；电流过高则颗粒过度熔化，失去增强效果。40 A的优化电流值反映了在该体系中颗粒熔化与保持之间的最佳平衡点。

腐蚀环境下的磨损性能

从数据可以看出，Ni/硅藻土涂层在酸环境中的摩擦系数略低于盐环境，但磨损率略高，表明酸性环境对涂层的化学腐蚀作用更强，导致磨粒磨损与腐蚀磨损的协同效应更为显著。平衡电位-708 mV表明涂层在酸性环境中具有较低的腐蚀倾向，电化学稳定性较好。

学习心得与工程启示

该文献揭示了可磨耗型高温封严涂层设计中"孔隙-强度-磨损"三者之间的复杂平衡关系。在实际工程应用中，封严涂层的设计不能片面追求高强度或低孔隙率，而应根据服役工况（温度、压力、转速、介质）综合优化涂层的微观结构。

微弧等离子堆焊作为一种先进的表面工程技术，其优势在于可以在较低热输入下实现高质量涂层沉积，适用于热敏感基体与复杂几何形状工件。但该技术也存在沉积效率低、设备成本高等局限。在实际生产中，需要根据工件尺寸、生产批量与成本预算综合选择堆焊工艺。

对于从事发动机密封系统设计与维护的技术人员而言，该文献提供的涂层微观结构分析与腐蚀-磨损耦合评价方法，为封严涂层的选型与寿命预测提供了重要的技术参考。该研究为高温封严涂层在恶劣腐蚀环境中的性能优化提供了系统性的实验数据与理论分析框架。