CN105970142A - 一种爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发动机可磨耗封严涂层制备技术，具体涉及一种爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法。首先，对待喷涂表面进行喷砂粗化处理，使处理后待喷涂表面的粗糙度在Ra3.5～Ra4.0之间；然后，采用爆炸喷涂工艺，在基体材料上喷涂铝硅可磨耗封严涂层。该方法减弱了铝硅涂层厚度对开裂剥落的敏感性，能够制备厚度在2mm左右的具有良好表面状态和结合性能的涂层，拓宽了轴流机匣等零件对铝硅可磨耗封严涂层的厚度设计要求，同时由于本发明工艺制备涂层优异的结合性能，无需制备镍铝底涂层以及对零件喷涂面边缘进行镶嵌式凹槽设计和对喷涂表面进行槽形螺纹结构设计也能使涂层具有良好的结合性能，从而简化了涂层制备过程和零件喷涂区域的特殊结构设计。

Description

一种爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法
技术领域
本发明涉及发动机可磨耗封严涂层制备技术，具体涉及一种爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法。
背景技术
航空工业的迅速发展对航空发动机提出了越来越高的要求，大推力、高效率、低油耗已成为发动机设计和制造的总体目标。发动机叶片与机匣之间的间隙对发动机整体效率及油耗具有重要的影响作用。据资料报道，典型发动机压气机径向间隙若增加0.076mm，单位耗油量将增大约1％；高压涡轮机叶片间隙若增加0.127mm，单位耗油量将增大约0.5％，而其叶片间隙若平均减少0.245mm，涡轮效率可提高约1％。此外，径向间隙过大也会导致发动机的气动特性在加速时遭到破坏，从而引起发动机哮喘等问题，严重影响发动机的运行稳定性。然而，在发动机的制造和运行过程中，由于发动机组件的热膨胀、轴的热变形以及高速旋转离心力引起叶片伸长等因素，无法将径向间隙控制为零，总要预留2～3mm的间隙，而过大的间隙必将使气体大量泄漏，导致发动机效率降低。因此，用于减小压气机、涡轮机叶尖与机匣之间间隙的可磨耗封严涂层技术就成为提高发动机性能的重要手段。通过运行过程中叶尖对可磨耗涂层的主动刮削作用，可有效地减小径向气流间隙，从而获得最大压差，显著提高发动机效率并降低油耗。
对于发动机压气机部位，在轴流压气机机匣与轴流叶片之间以及离心叶轮与叶轮罩壳之间均需形成良好的径向间隙，常用的可磨耗封严涂层主要是镍/石墨可磨耗封严涂层。但是在压气机试验过程中发现镍/石墨涂层的效果并不理想，主要存在如下问题：(1)涂层的表面粗糙度较大，难以达到设计要求，使得气流流动损失较大，严重影响压气机效率；(2)涂层与基体的结合强度较低，随着使用时间的增加，会出现涂层掉块现象；(3)运转过程中转子叶片叶尖出现磨损现象。针对镍/石墨涂层在使用过程中的不足之处，中国航空动力机械研究所黎亮等发展了铝硅可磨耗封严涂层作为其替代涂层。经试车验证，铝硅涂层的使用效果要明显优于镍/石墨涂层，其主要优点在于：(1)铝硅涂层机加工后表面粗糙度较低，为Ra0.4～0.6，显著低于镍/石墨的Ra10.0，表面光洁度的改善使压气机绝热效率比采用镍/石墨涂层提高了约2％，同时压气机的压比也有所提高；(2)铝硅可磨耗封严涂层在使用过程中不仅没有出现掉块现象，涂层反而呈现越磨越光的趋势；(3)即使转子叶片与机匣的铝硅涂层在极高的转速下相刮削，转子叶片也丝毫没有被磨损的迹象。
虽然铝硅涂层的封严性能已经在使用中得到了充分的验证，但是该涂层在制备工艺以及对零件喷涂部位特殊结构要求等方面仍存在一些不足之处。首先，铝硅可磨耗封严涂层通常采用火焰喷涂或等离子喷涂工艺进行制备，由于上述两种工艺均为连续喷涂方式，在涂层制备过程中热输入量较大，对基体材料和涂层的热影响较大，当喷涂涂层厚度超过1mm时，涂层较容易发生起壳脱落现象，致使涂层与基体呈一整片分离。因此，对零件的涂层设计厚度一般不超过0.6mm，以便在实施喷涂时，铝硅涂层厚度能够控制在1mm以内，确保涂层与基体金属之间良好结合。其次，采用火焰喷涂和等离子喷涂铝硅可磨耗封严涂层时，对零件表面的前处理状态以及喷涂工艺参数的敏感性较高，需要对前处理及喷涂工艺进行严格控制才能确保涂层质量稳定可靠。此外，在涂层零件结构设计上，为了防止涂层起壳，在零件涂层边缘位置，通常需要设计成镶嵌式凹槽结构；同时如果确实需要喷涂较厚的铝硅涂层时，则需要在基体喷涂表面加工槽形螺纹，来增加涂层与基体的结合面积，提高涂层与基体的结合强度，以解决涂层的起壳剥落问题，这样就无形中增加了零件结构设计的复杂化。
爆炸喷涂是一种脉冲式高性能涂层制备工艺，该工艺具有喷涂热影响小、涂层致密度高和涂层结合强度高等特点，近年来受到了研究者的广泛关注。然而，研究发现采用爆炸喷涂工艺在制备金属或合金涂层材料时，随着喷涂涂层厚度增加导致涂层内部热应力的积累，当涂层厚度大于1mm时，所制备涂层仍有发生开裂、剥落的较大风险，在制备大厚度涂层方面仍具有其工艺不稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法。方法包括如下步骤：
步骤1，表面粗化处理：采用刚玉砂对待喷涂表面进行喷砂粗化处理，使处理后待喷涂表面的粗糙度在Ra3.5～Ra4.0之间；
步骤2，铝硅涂层喷涂：采用爆炸喷涂工艺，在基体材料上喷涂铝硅可磨耗封严涂层，喷涂时氧气流量为12L/min～15L/min，氧气与乙炔流量比为0.90～0.92；送粉速率为25g/min～28g/min；喷涂距离为220mm～230mm，喷枪枪管直径为18～22mm。
所述的爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，喷涂时爆炸频率为2～4次/秒。
所述的爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，所用铝硅喷涂粉末粒度为170目～325目，即45μm～90μm，成分为Si 11wt％～13wt％，Al余量。
在基体表面粗化处理后采用爆炸喷涂工艺制备一层镍铝中间层，喷涂镍铝涂层时氧气流量为18L/min～22L/min，氧气与乙炔流量比为1.10～1.15；送粉速率为40g/min～45g/min；喷涂距离为260mm～280mm；喷枪枪管直径为16～26mm；镍铝中间层的喷涂厚度为0.08mm～0.15mm所用镍铝喷涂粉末粒度为170目～325目，即45μm～90μm，成分为Al 4wt％～6wt％，Ni余量。
本发明涉及的爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法具有如下特性：
本发明深入研究了氧气流量、氧燃比和喷枪枪管直径之间的耦合作用机理，发现在合适的氧气流量、氧燃比和喷枪枪管直径下，能够显著抑制喷涂涂层过程中随涂层厚度增加涂层内部热应力的积聚，从而大大降低涂层厚度对涂层发生开裂、剥落的敏感性。针对铝硅可磨耗封严涂层，由于其熔点仅有750℃，因此选用较低的氧燃比(0.90～0.92)以达到将铝硅合金粉末良好熔化且不过熔的效果；在选定该氧燃比的基础上，选用合适的氧气流量(12L/min～15L/min)和枪管直径以使喷涂过程中熔融粉末粒子具有适中的速度和覆盖区域，削弱粒子在冷却形成涂层过程中的热应力效应。当氧气流量过大时，粒子速度相对较高，导致粒子碰撞基体时作用力较大，应力较大；当氧气流量过小时，粒子速度相对较低，会对涂层与基体的结合强度产生负面影响。而枪管直径的大小会对每次爆炸喷涂的覆盖区域产生影响，当枪管直径较大时，如大于22mm，单枪喷涂覆盖区域较大，粒子间结合状态较差，结合强度较低；当枪管直径较小时，如小于18mm，单枪喷涂覆盖区域较小，喷涂区域较为集中，导致涂层热应力较高，涂层发生开裂、剥落趋势增加，因此本发明中选用18～22mm枪管直径。
本发明在继承爆炸喷涂工艺致密度高和结合强度高特点的基础上，通过工艺参数耦合作用机理研究，减弱了铝硅涂层对厚度的敏感性，能够制备厚度在2mm左右的具有良好表面状态和结合性能的涂层，拓宽了轴流机匣等零件对铝硅可磨耗封严涂层的厚度设计要求，同时由于本发明工艺制备涂层优异的结合强度，无需对零件喷涂面边缘进行镶嵌式凹槽设计以及对喷涂表面进行槽形螺纹结构设计也能使涂层具有良好的结合性能，从而简化了零件喷涂区域的特殊结构设计。
与火焰喷涂和等离子喷涂等其他制备工艺相比，本发明涉及的爆炸喷涂制备铝硅可磨耗封严涂层方法无论在涂层结合强度、致密度以及涂层厚度对开裂剥落的敏感性方面都得到了跨越式提升，并且针对其他方法在制备铝硅可磨耗封严涂层时必须制备一层镍铝底涂层以保证铝硅涂层的结合强度和使用性能，本方法性能测试结果表明在不制备镍铝底层的情况下所制备铝硅可磨耗封严涂层的结合强度和热震性能仍然能够很好的满足设计要求，从而在一定程度上实现了对铝硅可磨耗封严涂层制备过程的简化，因此本方法具有明显的工艺先进性。
具体实施方式
实施例1
基体材料选用0Cr16Ni5Mo1不锈钢，喷涂前选用白刚玉砂对基体材料进行表面粗化处理，喷砂后基体表面粗糙度为Ra3.772；随后采用爆炸喷涂工艺在基体材料上进行铝硅可磨耗封严涂层的制备，具体喷涂参数如表1所示。
表1喷涂工艺参数
工艺参数 铝硅涂层
氧气流量(L/min) 14
氧气/乙炔流量比 0.910
送粉速率(g/min) 28
喷涂距离(mm) 225
喷涂粉末成分(wt％) Al-12％Si
喷涂粉末粒度(目) 170～325
枪管直径(mm) 20
涂层厚度(mm) 1.9～2.0
喷涂频率(次/秒) 4
所制备铝硅可磨耗封严涂层性能如表2所示。
表2涂层性能
实施例2
基体材料选用1Cr12Ni2WMoVNb不锈钢，喷涂前选用白刚玉砂对基体材料进行喷砂粗化处理，喷砂后基体表面粗糙度为Ra3.897；随后采用爆炸喷涂工艺在基体材料上进行铝硅可磨耗封严涂层的制备，具体喷涂参数如表3所示。
表3喷涂工艺参数
工艺参数 铝硅涂层
氧气流量(L/min) 13
氧气/乙炔流量比 0.904
送粉速率(g/min) 26
喷涂距离(mm) 230
喷涂粉末成分(wt％) Al-12％Si
喷涂粉末粒度(目) 170～325
枪管直径(mm) 22
涂层厚度(mm) 2.0～2.1
喷涂频率(次/秒) 3
所制备铝硅可磨耗封严涂层性能如表4所示。
表4涂层性能
实施例3
基体材料选用0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢，喷涂前选用白刚玉砂对基体材料进行喷砂粗化处理，喷砂后基体表面粗糙度为Ra3.807；随后采用爆炸喷涂工艺在基体材料上进行镍铝底层和铝硅涂层的制备，具体喷涂参数如表5所示。
表5喷涂工艺参数
所制备铝硅可磨耗封严涂层性能如表6所示。
表6涂层性能

Claims (4)

1.一种爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，方法包含如下步骤：
步骤1，表面粗化处理：采用刚玉砂对待喷涂表面进行喷砂粗化处理，使处理后待喷涂表面的粗糙度在Ra3.5～Ra4.0之间；
步骤2，铝硅涂层喷涂：采用爆炸喷涂工艺，在基体材料上喷涂铝硅可磨耗封严涂层，喷涂时氧气流量为12L/min～15L/min，氧气与乙炔流量比为0.90～0.92；送粉速率为25g/min～28g/min；喷涂距离为220mm～230mm，喷枪枪管直径为18～22mm。
2.根据权利要求1所述的爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，喷涂时爆炸频率为2～4次/秒。
3.根据权利要求1所述的爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，所用铝硅喷涂粉末粒度为170目～325目，即45μm～90μm，成分为Si 11wt％～13wt％，Al余量。
4.根据权利要求1所述的爆炸喷涂铝硅可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，在基体表面粗化处理后采用爆炸喷涂工艺制备一层镍铝中间层，喷涂镍铝涂层时氧气流量为18L/min～22L/min，氧气与乙炔流量比为1.10～1.15；送粉速率为40g/min～45g/min；喷涂距离为260mm～280mm；喷枪枪管直径为16～26mm；镍铝中间层的喷涂厚度为0.08mm～0.15mm所用镍铝喷涂粉末粒度为170目～325目，即45μm～90μm，成分为Al 4wt％～6wt％，Ni余量。
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