CN105886991B - 一种热喷涂过程中表面微孔的封堵方法 - Google Patents

Abstract

一种热喷涂过程中表面微孔的封堵方法，喷涂涂层时，将T型遮挡件置于叶片冷却孔之上，通过调整T型遮挡件侧边沿与喷涂离子束间夹角及T型遮挡件上底面与叶片表面垂直距离，达到遮挡区下基体不沉积涂层，不发生堵孔的效果；本发明特点是采用遮挡件封堵方法，简单灵活，不受表面孔形状限制；遮挡件安装、拆除简便，拆除时不会引起涂层的损伤或剥离；通过调整遮挡高度和喷涂角度，能够改变气膜冷却孔周围的涂层形态，使得涂层的边缘形貌匹配气流特性。通过该方法制备带有复杂形状气膜冷却孔的叶片热障涂层，在不破坏气流通道的情况下发挥气膜冷却孔最佳的冷却效果。

Description

一种热喷涂过程中表面微孔的封堵方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种热喷涂过程中表面微孔的封堵方法。

背景技术

燃气轮机的效率随着涡轮入口温度的提高而增加。目前的燃气温度已经远高于叶片材料的温度极限，所以必须对涡轮叶片进行有效的冷却才能保证涡轮的正常工作。气膜冷却是燃气轮机涡轮叶片上采用的冷却方式之一，它通过在高温部件开槽或小孔，将冷却介质射入高温燃气。在主流压力和摩擦力作用下，射流弯曲覆盖于高温部件表面，形成冷气膜，将高温燃气和壁面隔开。气膜冷却孔的加工通常有电火花、激光等方式。前者加工精度高，孔内粗糙度均匀，可以加工成形孔，但是加工时间较长，成本较高；后者加工速度快，成本低，但是由于激光的浇熔作用，孔内粗糙度较不均匀。在实际中，两种方式也会相结合，如加工成形孔时用激光打圆孔，然后用电火花加工孔的扩张段。

热障涂层TBC(Thermal Barrier Coatings)是一种主要起隔热、防高温氧化腐蚀损伤作用的功能涂层，通常将导热系数相对较低的材料采用热喷涂方法涂覆于高温工作部件的表面，从而避免高温工作介质直接作用在金属基体表面，成为高温介质加热金属基体表面的屏障，以其良好的隔热性能降低部件表面的温度而达到保护基体的目的。

热障涂层(TBC)的喷涂会对气膜冷却孔带来影响。激光加工能穿透热障涂层，因此可以在喷涂后进行孔的加工，但是激光可能会引起热障涂层的损伤或剥离。由于热障涂层不能导电，所以只能在电火花加工气膜孔完成后进行喷涂，这样就可能在喷涂涂层的过程造成气膜冷却孔的堵塞。这种堵塞造成的影响是比较严重的，甚至可能完全堵塞孔道，从而引起圆孔的气膜冷却效率降低，甚至冷却功能完全丧失。其次，以叶片为代表的燃气轮机热端部件根据不同运行条件每隔一定时间就需要进行修复，修复时必不可少要更换新的热障涂层。在涂层喷涂修复过程中，叶片气膜冷却孔暴露在基体材料表面，若不采取防护措施将发生涂层堵塞气膜孔问题，引起气膜孔功能衰减甚至失效。

综上，为了解决热喷涂过程中气膜孔的堵塞问题，有必要开发一种适用于热喷涂过程中的表面微孔封堵方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种热喷涂过程中表面微孔的封堵方法，解决燃机叶片表面涂层制备过程中气膜孔堵塞的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热喷涂过程中表面微孔的封堵方法，包括如下步骤：

步骤1：涂层制备前，新叶片表面进行去油、喷砂处理；旧叶片表面先进行去除原有涂层处理，再进行清理、喷砂处理，保证气膜冷却孔未被堵塞；

步骤2：喷涂涂层时，采用硬遮挡堵孔方法；由于遮挡件的存在，遮挡区下的基体将不会沉积涂层，避免堵孔现象的发生；硬遮挡堵孔方法具体为：喷涂涂层时，将T型遮挡件置于叶片冷却孔之上，通过调整T型遮挡件侧边沿与喷涂离子束间夹角及T型遮挡件上底面与叶片表面垂直距离，达到遮挡区下基体不沉积涂层，不发生堵孔的效果；喷涂结束时，由于遮挡区下的基体不会沉积到涂层，故而拆除T型遮挡件时也不会引起涂层的损伤或剥离；

所述T型遮挡件与喷涂离子束间夹角α的调整范围为0-90°，所述T型遮挡件与叶片表面垂直距离H的调整范围为0-3mm。

发明具有如下优点：

1)本发明采用遮挡件封堵方法，简单灵活，不受表面孔形状限制。

2)遮挡件安装、拆除简便，拆除时不会引起涂层的损伤或剥离。

3)同时通过调整遮挡高度和喷涂角度，改变气膜冷却孔周围的涂层形态，使得涂层的边缘形貌匹配气流特性。通过该方法制备带有复杂形状气膜冷却孔的叶片热障涂层，在不破坏气流通道的情况下发挥气膜冷却孔最佳的冷却效果。

附图说明

图1为本发明热喷涂过程中表面微孔的封堵方法示意图。

图2为本发明实施例垂直方向喷涂时遮挡区下的涂层形貌；其中：图2a的遮挡高度1mm，图2b的遮挡高度2mm，图2c的遮挡高度3mm。

图3为本发明实施例倾斜喷涂时遮挡区下的涂层形貌；其中：图3a的遮挡高度1mm，图3b的遮挡高度2mm，图3c的遮挡高度3mm。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明热喷涂过程中表面微孔的封堵方法，包括如下步骤：

步骤1：涂层制备前，新叶片表面进行去油、喷砂处理；旧叶片表面先进行去除原有涂层处理，再进行清理、喷砂处理，保证气膜冷却孔未被堵塞；

步骤2：喷涂涂层时，采用硬遮挡堵孔方法；由于遮挡件的存在，遮挡区下的基体将不会沉积涂层，避免堵孔现象的发生；硬遮挡堵孔方法具体为：喷涂涂层时，将T型遮挡件置于叶片冷却孔之上，通过调整T型遮挡件侧边沿与喷涂离子束间夹角及T型遮挡件上底面与叶片表面垂直距离，达到遮挡区下基体不沉积涂层，不发生堵孔的效果；喷涂结束时，由于遮挡区下的基体不会沉积到涂层，故而拆除T型遮挡件时也不会引起涂层的损伤或剥离；

所述T型遮挡件与喷涂离子束间夹角α的调整范围为0-90°，所述T型遮挡件与叶片表面垂直距离H的调整范围为0-3mm。

实施例一

采用大气等离子喷涂(APS)制备MCrAlY粘结层和TBC陶瓷顶层，从而构成典型的热障涂层(TBC)结构，喷涂参数如表1所示。本实验中基体材料选用304不锈钢。喷涂前对基体预处理，细砂纸打磨基体，然后用丙酮擦洗基体。采用MCrAlY型涂覆层作为抗高温氧化和TBC过渡层，涂层材料选用气雾化Ni基高温合金Ni-23Co-20Cr-8.5Al-5.0Ta-0.6Y(Sulzer-Metco Amdry 997)粉末。陶瓷涂层采用8wt％氧化钇(Y₂O₃)稳定的氧化锆8YSZ(Metco 204B-NS,Sulzer Metco Inc.,New York,USA)，粒度分布为：-75+45μm，该粉末为中空球形结构(HOSP)的团聚粉末。

表1 APS喷涂粘结层、陶瓷层参数表

遮挡物形状45°斜角，遮挡高度分别为1，2，3mm，喷涂方向与基体法线成0°角。遮挡区与未遮挡区下的涂层沉积特性如图2中图2a、图2b和图2c所示及表2和表3所示。可以看出，喷涂方向为0°角时同一遮挡物左右两侧的涂层形貌相似。不同遮挡高度下基体上同侧的涂层形态变化明显，当遮挡高度逐渐增加时，涂层边缘形貌逐渐变得平缓，该处涂层表面与基体底面的法线夹角逐渐增大。

表2 垂直喷涂时不同遮挡高度下的涂层边缘形貌特点(遮挡件底面涂层厚度)

表3 垂直喷涂时不同遮挡高度下的涂层边缘形貌特点(遮挡件底面涂层边缘倾斜角度)

实施例二

采用大气等离子喷涂(APS)制备MCrAlY粘结层和TBC陶瓷顶层，从而构成典型的热障涂层(TBC)结构，涂层制备与实施例一中相同。

遮挡物形状45°斜角，遮挡高度分别为1，2，3mm，喷涂方向与基体法线成30°角。遮挡区与未遮挡区下的涂层沉积特性如图3中图3a、图3b和图3c所示及表4和表5所示。可以看出，改变喷涂方向为30°角时，同一遮挡物左右两侧的涂层形貌差别较大。左侧的涂层边缘形貌与右侧相比较显得陡峭。不同遮挡高度下基体上同侧的涂层形态变化也比较明显，当遮挡高度逐渐增加时，涂层边缘形貌逐渐变得平缓。

表4 倾斜喷涂时不同遮挡高度下的涂层边缘形貌特点(遮挡件底面涂层厚度)

表5 倾斜喷涂时不同遮挡高度下的涂层边缘形貌特点(遮挡件底面涂层边缘倾斜角度)

Claims (1)

1.一种热喷涂过程中表面微孔的封堵方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：涂层制备前，新叶片表面进行去油、喷砂处理；旧叶片表面先进行去除原有涂层处理，再进行清理、喷砂处理，保证气膜冷却孔未被堵塞；

步骤2：喷涂涂层时，采用硬遮挡堵孔方法；由于遮挡件的存在，遮挡区下的基体将不会沉积涂层，避免堵孔现象的发生；硬遮挡堵孔方法具体为：喷涂涂层时，将T型遮挡件置于叶片冷却孔之上，通过调整T型遮挡件侧边沿与喷涂离子束间夹角及T型遮挡件上底面与叶片表面垂直距离，达到遮挡区下基体不沉积涂层，不发生堵孔的效果；喷涂结束时，由于遮挡区下的基体不会沉积到涂层，故而拆除T型遮挡件时也不会引起涂层的损伤或剥离；

所述T型遮挡件与喷涂离子束间夹角α的调整范围为0-90°，所述T型遮挡件与叶片表面垂直距离H的调整范围为1-3mm。