粉末粒径对航空发动机热端部件修复用APS-IN718涂层微观结构及摩擦学性能的影响机制研究

为解决航空发动机热端部件在高温高压环境下的磨损修复难题，研究人员采用大气等离子喷涂(APS)技术制备不同粒径IN718涂层，系统研究其微观结构、力学性能及宽温域(室温-800℃)摩擦学行为。结果表明：小粒径粉末制备的S-718涂层具有更致密结构、更高硬度和结合强度，在600℃时摩擦系数(COF)最低(0.47)，磨损率仅0.67×10?5 mm3/N·m，为高温部件修复提供重要理论依据。

　　

航空发动机热端部件长期在高温、高压、高磨损的极端环境下工作，IN718镍基高温合金作为关键材料虽具有优异的高温强度，但在复杂工况下仍面临严重磨损问题。传统直接更换部件成本高昂且周期长，采用热喷涂技术进行局部修复成为经济高效的解决方案。然而，现有研究多聚焦涂层制备工艺优化，对粉末粒径这一关键参数如何影响修复涂层的宽温域摩擦学性能缺乏系统认知，这直接制约着航空发动机维修质量的提升。

国家自然科学基金资助项目团队通过大气等离子喷涂(APS)技术，在IN718基体上分别制备小粒径(S-718)和大粒径(L-718)两种涂层。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分析微观结构，通过洛氏硬度计、纳米压痕仪和拉伸试验评估力学性能，并利用高温摩擦磨损试验机测试25-800℃区间摩擦学行为。研究发现：S-718涂层因小粒径粉末更高的熔融效率，形成γ相、γ’相和Fe₂O₃相组成的致密结构，孔隙率比L-718涂层降低37%，氧化物含量提高1.8倍。力学测试显示其表面硬度(HRC)达52.3，结合强度提升21%，纳米硬度提高19%。

在摩擦学性能方面，两种涂层的COF和磨损率均呈现"V"型温度曲线：室温下以磨粒磨损为主，COF约0.68；600℃时因形成连续氧化釉质层，COF降至0.47-0.52，磨损率最低达0.67×10^?5 mm³/N·m；800℃时釉层软化导致黏着磨损加剧，COF回升至0.75。值得注意的是，S-718涂层在所有温度段均表现出更优的耐磨性，其600℃磨损率较L-718涂层降低15%。

该研究首次阐明粉末粒径通过调控涂层致密度和氧化物分布影响宽温域摩擦学行为的机制：小粒径促进颗粒充分熔融，减少未熔颗粒形成的应力集中点；更高的氧化物含量在高温下形成保护性氧化层。这些发现为航空发动机热端部件修复提供了明确的材料选择依据——采用小粒径IN718粉末可显著延长修复部件在600℃工况下的使用寿命。论文发表于《Surface and Coatings Technology》，不仅填补了APS-IN718涂层高温摩擦学数据空白，更为发展新一代航空发动机智能修复技术奠定理论基础。