CN104357792A - 钛合金耐高温氧化抗微动磨损涂层材料、涂层及制备方法 - Google Patents

钛合金耐高温氧化抗微动磨损涂层材料、涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金耐高温氧化抗微动磨损涂层材料、涂层及制备方法。涂层材料含有六方氮化硼(h-BN)、MCrAlYX合金粉末及粘结剂，其组成为：5～30％的六方氮化硼，0-5％的粘结剂，余量为MCrAlYX，M指Co、Ni、Fe或其合金，X指Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si等合金元素中的一种或多种的组合。涂层的制备方法为超音速火焰喷涂或大气等离子喷涂。涂层使用温度最高可达1100℃，可用于航空发动机、地面燃气轮机等风扇、压气机叶片、涡轮叶片等钛合金及高温合金部件榫头/榫槽结构连接部位的防护。

Description

钛合金耐高温氧化抗微动磨损涂层材料、涂层及制备方法
技术领域
本发明属于热喷涂材料及涂层技术领域，涉及一种适用于钛合金和高温合金叶片榫头用耐高温抗微动磨损涂层材料、涂层及其制备方法。
背景技术
航空发动机中广泛使用榫头/榫槽结构的连接方式，如风扇叶片、压气机叶片和盘、涡轮叶片和盘等。发动机叶片工作条件非常复杂，须承受机械、热力和气动载荷的共同作用，榫头/榫槽接触面常因微动磨损疲劳破坏而导致叶片断裂失效，因此需要采用具有耐高温抗微动磨损的涂层对叶片榫头进行防护，以满足实际使用要求。
航空发动机、燃气轮机等目前广泛使用的方法是采用CuNi或者CuNiIn涂层对钛合金风扇及压气机叶片榫头进行防护，但CuNi或者CuNiIn材料体系最高只能在315℃表现出良好的抗氧化性，而风扇/压气机的实际工况为-60℃到650℃的温度范围，超过了铜镍及铜镍铟合金体系315℃的有效使用温度上限，发生氧化后CuNi或者CuNiIn材料的摩擦系数随使用次数和时间的增加而明显上升(450℃、1200个摩擦周期后滑动摩擦系数为0.58，较常温增加了50％)导致钛合金零件表面出现凹坑、微裂纹，甚至叶片断裂，严重影响了叶片的使用寿命和发动机运行的安全性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种钛合金耐高温氧化抗微动磨损涂层材料、涂层及制备方法，该涂层具有耐高温(最高可达1100℃)、抗氧化、摩擦系数随使用周期增加而降低的特点，该涂层可显著延长钛合金零件(含涂层)的使用寿命2倍以上，该技术也可应用于高温合金涡轮叶片榫头的防护。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种钛合金耐高温氧化抗微动磨损涂层材料，其特征在于：涂层材料含有六方氮化硼(h-BN)、MCrAlYX合金粉末及粘结剂，其组成以重量百分比计算为：
(1)5～30％的六方氮化硼；
(2)0-5％的粘结剂；
(3)余量为MCrAlYX，M指Co、Ni、Fe或其合金，X指Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si等合金元素中的一种或多种的组合。Cr、Al、Y分别为金属铬、铝、钇。
进一步地，所述MCrAlYX粉末采用机械混合或雾化法制备。
进一步地，所述MCrAlYX粉末中：Cr含量10-35％，Al含量5-15％，Y含量为0.3-2.0％，X含量为0-5％，余量为M。
进一步地，所述的粘结剂为合成树脂、橡胶或油漆中的一种。
本发明提供的钛合金耐高温氧化抗微动磨损涂层，所述涂层使用温度最高可达1100℃。所述涂层与TA11钛合金组成摩擦体系，450℃及600℃的1200个摩擦周期后滑动摩擦系数(≤0.4)均低于CuNiIn涂层(≥0.55)，且均较初始摩擦系数低20％以上。所述涂层可用于航空发动机、地面燃气轮机等风扇、压气机叶片、涡轮叶片等钛合金及高温合金部件榫头/榫槽结构连接部位的防护。
本发明提供的钛合金耐高温氧化抗微动磨损涂层的制备方法，涂层的制备方法为超音速火焰喷涂或大气等离子喷涂。
进一步地，超音速火焰喷涂工艺为：氧气流量为20-30L/min，煤油为800-950L/h，喷涂距离300-400mm，送粉量60-150g/min；大气等离子喷涂工艺参数为：功率25-40kw，喷涂距离110-150mm，送粉率30-60g/min，主气流量45-70L/min。
本发明采用的MCrAlYX可稳定在1000℃提供出色的耐高温抗氧化性能，而六方氮化硼是优良的高温固体润滑剂，其具有摩擦系数低且稳定的特性，可提供出色的润滑性能，且MCrAlYX/BN涂层在摩擦过程中发生涂层材料转移，在即在未喷涂的对摩件表面产生了一定的增厚，因此整体上也使摩擦过程中摩擦系数更稳定，且摩擦系数降低。MCrAlY涂层材料中添加的微量元素X(Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si等合金元素中的一种或多种的组合)可进一步提高MCrAlY涂层的高温抗氧化、抗热腐蚀性能，并具有阻止高温合金与MCrAlY涂层界面元素互扩散的能力，因此MCrAlYX/BN涂层也适合于高温合金叶片榫头的抗微动磨损防护涂层。
本发明提供的MCrAlYX/BN复合材料涂层可解决钛合金零件目前使用CuNi或者CuNiIn材料使用温度低、抗微动磨损性能差的问题。
附图说明
附图为本发明的钛合金耐高温氧化抗微动磨损涂层材料制备工艺流程图。
具体实施方式
本发明的工艺路线如附图所示。将h-BN、MCrAlYX和粘结剂称量后混合，然后热喷涂，检验合格得到产品。
h-BN粉末为市售产品，MCrAlYX粉末采用公知的方法(例如机械混合或雾化法)制备。
MCrAlYX/BN涂层的制备
在h-BN和MCrAlYX中添加0～5％的粘结剂，充分混合均匀后，用热喷涂的方法进行涂层制备，检测合格后得到高温耐氧化抗微动磨损涂层。超音速火焰喷涂工艺为：氧气流量为20-30L/min，煤油为800-950L/h，喷涂距离300-400mm，送粉量60-150g/min；大气等离子喷涂工艺参数为：功率25-40kw，喷涂距离110-150mm，送粉率30-60g/min，主气流量45-70L/min。
涂层与TA11钛合金形成摩擦副，进行滑动摩擦系数的测定。
表1提供了采用大气等离子喷涂2种不同组分的本发明涂层和常规Cu35Ni5In涂层在不同温度下的摩擦系数。
表1涂层的组份设计和摩擦系数

Claims (9)

1.钛合金耐高温氧化抗微动磨损涂层材料，其特征在于：涂层材料含有六方氮化硼、MCrAlYX合金粉末及粘结剂，其组成以重量百分比计为：
(1)5～30％的六方氮化硼；
(2)0-5％的粘结剂；
(3)余量为MCrAlYX，M指Co、Ni、Fe或其合金，X指Ti、Hf、Ta、Nb、Re、Ti、Si等合金元素中的一种或多种的组合。
2.根据权利要求1所述的涂层材料，其特征在于，所述MCrAlYX粉末采用机械混合或雾化法制备。
3.根据权利要求1或2所述的涂层材料，其特征在于，所述MCrAlYX粉末中：Cr含量10-35％，Al含量5-15％，Y含量为0.3-2.0％，X含量为0-5％，余量为M。
4.根据权利要求1所述的涂层材料，其特征在于，所述的粘结剂为合成树脂、橡胶或油漆中的一种。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的涂层材料制备的涂层，其特征在于，所述涂层使用温度最高可达1100℃。
6.根据权利要求5所述的涂层，其特征在于，所述涂层与TA11钛合金组成摩擦体系，450℃及600℃的1200个摩擦周期后滑动摩擦系数(≤0.4)均低于CuNiIn涂层(≥0.55)，且均较初始摩擦系数低20％以上。
7.根据权利要求5所述的涂层，其特征在于，所述涂层用于航空发动机、地面燃气轮机等风扇、压气机叶片、涡轮叶片等钛合金及高温合金部件榫头/榫槽结构连接部位的防护。
8.根据权利要求5-7任一权利要求所述的涂层的制备方法，其特征在于，涂层的制备方法为超音速火焰喷涂或大气等离子喷涂。
9.根据权利要求8所述的的制备方法，其特征在于，超音速火焰喷涂工艺为：氧气流量为20-30L/min，煤油为800-950L/h，喷涂距离300-400mm，送粉量60-150g/min；大气等离子喷涂工艺参数为：功率25-40kw，喷涂距离110-150mm，送粉率30-60g/min，主气流量45-70L/min。
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