CN101705487B - 重燃涡轮一级工作叶片叶尖耐磨涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种重燃涡轮一级工作叶片叶尖耐磨涂层的制备方法，按以下步骤进行：(1)利用激光涂覆设备的红外扫描装置对叶片叶尖端面边缘进行扫描，使扫描轨迹程控程序记录扫描点位置；(2)启动激光涂覆设备的激光发生装置，在惰性气体保护条件下，向叶尖端面传送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末。重燃涡轮一级工作叶片的基体材质为镍基铸造高温合金K488，合金粉末为Co基自熔合金粉末。本发明的制备方法在提高了涂层的高温耐磨性能的同时，提高了涂层制备的自动化控制水平和生产效率，保证了产品质量的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮叶片涂层制备方法，特别涉及一种重燃涡轮一级工作叶片叶尖耐磨涂层的制备方法。
背景技术
随着航空发动机和燃气轮机的动作条件越来越苛刻，对性能提出的要求越来越高，因此特种涂层材料及制备技术已成为现代航空发动机和燃气轮机制造中的关键技术之一。涂层主要分为热障涂层、耐磨涂层、封严涂层、抗冲刷涂层、尺寸修复涂层等，其中耐磨涂层要求有较高的硬度和较低的摩擦系数。
重型燃机的服役寿命长，其中大尺寸、复杂结构的一级涡轮工作叶片的一次大修寿命要求为25000小时，为了满足上述使用寿命要求，必须在叶尖端面涂覆耐磨涂层，否则叶尖在使用中磨损产生漏气，将严重降低工作效率。叶尖上的耐磨涂层要求与基体牢固结合，确保使用过程中不掉块，并且在高温、高速工况下具有很好的耐磨性能。目前国内在重燃涡轮一级工作叶片叶尖端面上制备耐磨涂层，主要采用钨极氩气保护电弧焊制备，具有较好的耐磨性能，但堆焊下面的基体会产生裂纹，对涡轮工作叶片的使用安全和寿命有影响。
目前国外有部分有采用激光熔覆技术制备耐磨涂层修复燃机零部件的报道，国内也有在试验室采用激光熔覆技术制备耐磨涂层的报道，但是，在燃机涡轮叶片的叶尖端面通过激光熔覆技术制备耐磨涂层的技术工艺，国内外未见研究报道。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种重燃涡轮一级工作叶片叶尖耐磨涂层的制备方法，目的在于制备重燃涡轮一级工作叶片叶尖耐磨涂层后，使耐磨涂层具有良好的耐磨性能，而且涂层和基体均不产生裂纹。
本发明的方法按以下步骤进行：
1、采用的激光涂覆设备配有与激光束同轴的红外扫描装置，预先扫描出激光涂覆时的运动轨迹，具体操作为：将重燃涡轮一级工作叶片固定在激光涂覆设备的工作台上，叶尖端面朝上；通过激光涂覆设备的数控面板来移动红外扫描装置，用红外光束对叶尖端面边缘进行扫描，红外光束直径为3mm，扫描时的红外光束外缘与叶尖端面外沿相切；根据扫描轨迹使激光涂覆设备的扫描轨迹程控程序记录18～20个扫描点位置，轨迹程控程序根据记录的扫描点，自动拟合生成激光涂覆时的激光束扫描轨迹，该轨迹所构成的曲线与红外光束扫描的叶尖端面外沿部分形状相似。
2、启动激光涂覆设备的激光发生装置，在惰性气体对叶尖端面吹扫保护的条件下，向叶尖端面进行同步传送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末，制备耐磨涂层，激光涂覆设备的激光束与红外光束同轴，激光光斑直径为2.5～3mm，扫描速度为100～300mm/min，合金粉末的传送速度为4～8L/min，激光器输出功率为2000～3000W，激光束按轨迹扫描后完成涂覆。
上述方法制备的耐磨涂层平均宽度为1.9～2.5mm，平均厚度为2～3mm。
上述的重燃涡轮一级工作叶片的基体材质为镍基铸造高温合金K488，合金粉末为Co基自熔合金粉末，其成分按重量百分比为C 1.0～1.3％，Cr 28.0～30.0％，Si 1.0～1.3％，Fe 3.0～3.2％，W 3.8～4.3％，Ni 2.8～3.0％，余量为Co。
上述的保护气体为氩气，进行保护时的气压为0.2～0.35MPa。
激光熔覆技术是在被涂覆基材上预置选择的涂层原料，经激光辐射使之与基材表面薄层同时熔化，并快速凝固形成具有一定稀释度，与基材冶金结合成表面涂层。与热喷涂、离子束注入等表面涂层技术相比，激光熔覆涂层具有结合强度高、涂层厚度大、涂层中硬质增强相多等优点。本发明通过选择耐磨涂层材料，并且选择适合叶片基体材料的工艺方法，对工艺参数进行优化，在重燃涡轮一级工作叶片叶尖制备出质量良好的耐磨涂层，该涂层与基体实现了牢固的冶金结合，基体及涂层中无裂纹，并且涂层具有很好的室温和高温耐磨性能，能够满足零件的使用要求；本发明的制备方法在提高了涂层的高温耐磨性能的同时，提高了涂层制备的自动化控制水平和生产效率，保证了产品质量的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的重燃涡轮一级工作叶片叶尖端面耐磨涂层照片图。
具体实施方式
本发明实施例中采用的Co基合金粉末为沈阳大陆激光成套设备有限公司产品。
本发明实施例中采用的激光涂覆设备为沈阳大陆激光器公司生产的横流CO2工业激光器，型号为DL-HL-T10000。
本发明实施例中的重燃涡轮一级工作叶片的基体材质为镍基铸造高温合金K488。
实施例1
重燃涡轮一级工作叶片固定在激光涂覆设备的工作台上，叶尖端面朝上；操作数控面板来移动红外扫描装置，用红外光束对叶尖端面边缘进行扫描，红外光束直径为3mm，扫描时的红外光束外缘与叶尖端面外沿相切；根据扫描轨迹使扫描轨迹程控程序记录18个扫描点位置，轨迹程控程序自动拟合生成激光涂覆时的激光束扫描轨迹，该轨迹所构成的曲线与红外光束扫描的叶尖端面外沿部分形状相似。
启动激光涂覆设备的激光发生装置，在惰性气体对叶尖端面吹扫保护的条件下，向叶尖端面进行同步传送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末，制备耐磨涂层，激光光斑直径为3mm，扫描速度为200mm/min，合金粉末的传送速度为6L/min，激光器输出功率为2700W，激光束按轨迹扫描后完成涂覆。
Co基自熔合金粉末的成分按重量百分比为C 1.0％，Cr 28.0％，Si1.0％，Fe 3.0％，W 3.8％，Ni 2.8％，余量为Co。
惰性气体为氩气，进行保护时的气压为0.3MPa。
叶尖端面的耐磨涂层平均宽度为2.5mm，平均厚度为2.7mm，叶尖端面耐磨涂层示意图如图1所示。
将制备了耐磨涂层的叶片进行耐磨试验，采用的试验设备为沈阳金属研究所的GW/ML-MS型高温磨损试验机，BS110型电子分析天平；2206B型表面形貌仪。试验条件为：大气环境、无润滑介质，试验温度700℃、载荷8.5N，相对转动速度0.75m/s，进行30000转磨损试验。
将载荷施加于销试样上，盘试样转动，形成盘/销试样表面之间的滑动磨损。试验中对摩擦副进行加热，达到温度为700℃。
通过测量摩擦副载荷8.5N和滑动速度0.75m/s下产生的摩擦力，以磨损一定时间后摩擦力达到稳定值计算摩擦系数。
磨损量采用尺寸测量法确定，测定销试样磨损试验前后的长度差作为磨损量，测定盘试样磨痕的深度(包含有盘试样表面生成的氧化层深度)作为磨损量。
通过与采用常规材质进行堆焊后获得的耐磨涂层和叶片基体本身进行高温磨损测试，获得的数据如表1所示。
表1
| 摩擦试样 | 销试样长度减小mm | 盘的磨痕深度μm | 平均摩擦系数 |
| CoCrW堆焊层 | 0.82 | 83.6 | 0.54 |
| 激光熔覆涂层 | 0.38 | 72.9 | 0.55 |
| K488基体 | 2.56 | 89.5 | 0.46 |
由表可见，采用上述方法制备的激光熔覆涂层具有耐磨性能优越，涂层牢固可靠的优点。
实施例2
扫描轨迹方法同实施例1，扫描轨迹程控程序记录19个扫描点位置。
启动激光涂覆设备的激光发生装置，在惰性气体对叶尖端面吹扫保护的条件下，向叶尖端面进行同步传送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末，制备耐磨涂层，激光光斑直径为2.5mm，扫描速度为100mm/min，合金粉末的传送速度为4L/min，激光器输出功率为2000W，激光束按轨迹扫描后完成涂覆。
合金粉末为Co基自熔合金粉末，其成分按重量百分比为C 1.3％，Cr 30.0％，Si1.3％，Fe 3.2％，W 4.3％，Ni 3.0％，余量为Co。
惰性气体为氩气，进行保护时的保护气体气压为0.2MPa。
耐磨涂层平均宽度为2.2mm，平均厚度为2.4mm。
实施例3
扫描轨迹方法同实施例1，扫描轨迹程控程序记录20个扫描点位置。
启动激光涂覆设备的激光发生装置，在惰性气体对叶尖端面吹扫保护的条件下，向叶尖端面进行同步传送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末，制备耐磨涂层，激光光斑直径为3mm，扫描速度为300mm/min，合金粉末的传送速度为8L/min，激光器输出功率为3000W，激光束按轨迹扫描后完成涂覆。
重燃涡轮一级工作叶片的基体材质为镍基铸造高温合金K488，合金粉末为Co基自熔合金粉末，其成分按重量百分比为C 1.1％，Cr 29.0％，Si1.2％，Fe 3.1％，W 4.1％，Ni 2.9％，余量为Co。
惰性气体为氩气，进行保护时的保护气体气压为0.35MPa。
制备的耐磨涂层平均宽度为2.2mm，平均厚度为2.3mm。
实施例4
扫描轨迹方法同实施例1，扫描轨迹程控程序记录20个扫描点位置。
启动激光涂覆设备的激光发生装置，在惰性气体对叶尖端面吹扫保护的条件下，向叶尖端面进行同步传送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末，制备耐磨涂层，激光光斑直径为2.5mm，扫描速度为220mm/min，合金粉末的传送速度为5L/min，激光器输出功率为2200W，激光束按轨迹扫描后完成涂覆。
重燃涡轮一级工作叶片的基体材质为镍基铸造高温合金K488，合金粉末为Co基自熔合金粉末，其成分按重量百分比为C 1.2％，Cr 28.0％，Si 1.1％，Fe 3.2％，W 3.9％，Ni 3.0％，余量为Co。
惰性气体为氩气，进行保护时的保护气体气压为0.25MPa。
制备的耐磨涂层平均宽度为1.9mm，平均厚度为2.1mm。
Claims (1)
1.一种重燃涡轮一级工作叶片叶尖耐磨涂层的制备方法，选取重燃涡轮一级工作叶片的基体材质为镍基铸造高温合金K488，耐磨涂层的制备方法特征在于按以下步骤进行：(1)利用激光涂覆设备的红外扫描装置对叶片叶尖端面边缘进行扫描，使扫描轨迹程控程序记录18～20个扫描点位置，轨迹程控程序自动拟合生成激光涂覆时的激光束扫描轨迹；(2)在惰性气体保护的条件下，向叶尖端面进行同步传送合金粉末，并用激光涂覆设备的激光束熔化合金粉末，激光光斑直径为2.5～3mm，扫描速度为100～300mm/min，合金粉末的传送速度为4～8L/min，激光器输出功率为2000～3000W，激光束按轨迹扫描后完成耐磨涂层的制备；所述的合金粉末为Co基自熔合金粉末，其成分按重量百分比为C 1.0～1.3％，Cr 28.0～30.0％，Si 1.0～1.3％，Fe 3.0～3.2％，W 3.8～4.3％，Ni 2.8～3.0％，余量为Co；所述的耐磨涂层平均宽度为1.9～2.5mm，平均厚度为2～3mm；所述的保护气体为氩气，进行保护时的气压为0.2～0.35MPa。
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