CN107138878B - 一种防钛火涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防钛火涂层的制备方法，选用连续薄带状Ti‑37.5Zr‑15Cu‑10Ni基非晶态合金作为钎料，硬质耐磨颗粒选用立方氮化硼CBN颗粒，在叶片尖预先置放薄带状钎料，使钎料包裹住需要涂覆防钛火涂层的叶片尖部，利用有机粘接剂与镀Ni的立方氮化硼CBN颗粒进行混合，然后均匀涂覆在钎料上；在真空环境中，利用中频感应线圈局部加热转子叶尖，使加热温度保持在840‑850℃一定时间，使钎料能完全熔化，待钎料在高真空环境下自然冷却后，形成防钛火涂层。利用本发明的防钛火涂层的制备方法获得的防钛火涂层具有高硬度、高耐磨性、高抗冲击性、高抗温氧化性、高阻燃性，以及高结合强度，同时又不会影响基体自身的性能，保证了基体抗疲劳性能。

Description

一种防钛火涂层的制备方法

技术领域

本发明属于防钛火涂层技术领域，具体涉及一种防钛火涂层的制备方法。

背景技术

钛合金具有强度高、密度小和高熔点等优点，因此广泛应用于航空燃气涡轮发动机的压气机机匣、转子盘、转子叶片等部件，以减轻发动机的重量，提高推重比。但普通钛合金在一定的温度、压力和气流速度下会发生燃烧，并且燃烧会迅速发生蔓延，损害发动机部件，从而制约了钛合金在飞机发动机上的应用。

为进一步提升发动机效率，对燃烧室内机匣的密封性能提出了更高的要求。钛合金转子叶片在高温下高速旋转，由于热膨胀或自身质量产生的离心力使叶片伸长，当接触到机匣内壁的时候有发生钛火的危险。防钛火涂层有望解决上述问题，工作时涂层内硬质颗粒上大量的微切削刃刮削机匣内壁软质涂层，形成犁沟状沟痕，即起到很好的密封作用，又能避免钛火的发生。

但是现有的防钛火涂层普遍存在着抗冲击性能差、或与基体结合弱，或显著降低基体疲劳性能等缺点，不能满足当前的需求，因此需要发展具有更高性能的涂层材料及制备技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种防钛火涂层的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种防钛火涂层的制备方法：

钎料选用连续薄带状Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni基非晶态合金，

硬质耐磨颗粒选用立方氮化硼CBN颗粒，并对立方氮化硼CBN颗粒进行化学镀Ni处理，

CBN颗粒与钎料的质量比为8:2至7:3，

制备步骤如下：

1、对叶片尖端进行真空喷砂处理以去除其表面的氧化膜；

2、在叶片尖预先置放薄带状钎料，使钎料包裹住需要涂覆防钛火涂层的叶片尖部，利用有机粘接剂与镀Ni的立方氮化硼CBN颗粒进行混合，然后均匀涂覆在钎料上；

3、在大于或等于8×10^-4Pa的高真空环境中，利用中频感应线圈局部加热转子叶尖，使加热温度保持在840-850℃一定时间，使钎料能完全熔化，钎料熔化后，与钛合金基体结合，同时CBN颗粒在表面吸附作用下，沉浸在钎料中，待钎料在高真空环境下自然冷却后，形成防钛火涂层。

在上述技术方案中，立方氮化硼CBN粉末含Ni wt.30％。

在上述技术方案中，机粘接剂与含Ni的立方氮化硼CBN粉末的体积比为1:10。

在上述技术方案中，钎料选用厚度为50μm的连续薄带状Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni基非晶态合金。

在上述技术方案中，CBN颗粒与钎料的质量比优选为8:2。

本发明的优点和有益效果为：

1、立方氮化硼(CBN)是集许多优异性能于一身的多功能材料，其综合性能甚至超过金刚石，其具有高硬度、高热稳定性和高化学惰性。CBN颗粒成不规则的棱角形，表面有许多锐利的锋刃，可作为硬质耐磨相。本发明制备防钛火涂层的采用不同粒度的CBN颗粒与金属粘结相一起制备防钛火涂层，其中大颗粒起主要磨削作用，而小颗粒则用以强化涂层、提高硬度和抗冲击性，从而保证了防钛火涂层的高硬度、高耐磨性、高抗冲击性、高抗温氧化性和高阻燃性等。

2、金属粘结相(即钎料)的选取需综合考虑如下要求：①熔点应低于钛合金基材的相变温度(钛基合金的本质决定了其金属粘结相工艺过程主要温度的局限性，此局限性是由于在所谓“β相变以上”，即高于关键的α←→β相变温度时，其组织和性能发生重要变化引起的。因此，在处理钛基合金叶片时要考虑到以上因素。按照室温下它们主要的组成相，可将钛合金基本分为三类：α和近α合金，α/β合金，及β合金。钛基合金与粘结相结合时，对每类钛合金的影响各不相同，其中尤为重要的是由钛基合金基体与粘结相反应后形成新相的本质，这种形成新相大多为脆性金属间化合物，如TixNiy和TixCuy，它们的形成对整个连接有着负面影响。因此，总的来说，在温度低于β相变温度时使粘结相融化，可保留并获得优良机械性能的钛合金防钛火涂层)；②与钛合金基材和CBN颗粒都具有良好的润湿性；③能够满足涂层机械强度的要求。本发明选用连续薄带状Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni基非晶态合金作为金属粘结相(即钎料)，这些非晶态均匀柔软的薄箔，有着优良的熔融和浸润特性，与钛合金基材有很好的兼容性，能以最小量准确地在叶片尖部预先放置钎料，可实现用粉末状或包层带状钎料达不到的钎焊接头机械性能；此合金的熔化温度约为840℃，低于大多数钛基材料的β相变温度，因此本发明的钛合金制备方法的制备温度在840℃-850℃之间，既可以保证钎料完全熔化，又在钛基材料的β相变温度之下，不会影响基体自身的性能(基体疲劳性能)，为能够获得优良机械性能的钛合金防钛火涂层做了有力保证。

3、CBN颗粒对金属粘结相的润湿性不足，从而影响CBN颗粒与金属粘结相之间的粘结强度，因此为了能够获得高粘结性的防钛火涂层，需要对CBN颗粒表面进行处理，以改善CBN颗粒对金属粘结相的润湿性。本发明采用化学方法在CBN颗粒表面镀Ni(含Niwt.30％)，从而改善CBN颗粒对金属粘结相的润湿，大大增强了立方氮化硼CBN与金属粘结相之间的粘结强度。

4、由于钛对氧亲和力大，具有强烈的氧化倾向，易在其表面生成一层坚韧稳定的氧化膜，该氧化膜脆性较大，影响金属结合相与钛合金基体的粘结性。因此本发明在制备涂层之前对叶片尖端进行真空喷砂处理以去除其表面的氧化膜(真空喷砂处理在去除其表面的氧化膜的同时还可以有效防止在喷砂过程中叶片尖端的氧化)，从而保证了金属结合相与钛合金基体的高粘结性。

综上，同时结合试验表明：利用发明的防钛火涂层的制备方法获得的防钛火涂层具有高硬度、高耐磨性、高抗冲击性、高抗温氧化性、高阻燃性，以及高结合强度，同时又不会影响基体自身的性能，保证了基体抗疲劳性能。

附图说明

图1.1是实施例一中涂层磨损前的形貌。

图1.2是实施例一中涂层磨损后的形貌。

图1.3是实施例一中对磨副的磨痕形貌。

图2.1是实施例二中涂层磨损前的形貌。

图2.2是实施例二中涂层磨损后的形貌。

图2.3是实施例二中对磨副的磨痕形貌。

图3.1是实施例三中涂层磨损前的形貌。

图3.2是实施例三中涂层磨损后的形貌。

图3.3是实施例三中对磨副的磨痕形貌。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：

钛合金基材选用Ti60合金，

钎料选用厚度为50μm的连续薄带状Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni基非晶态合金，

硬质耐磨颗粒选用立方氮化硼CBN颗粒，并对立方氮化硼CBN颗粒进行化学镀Ni处理(含Ni wt.30％)，

CBN颗粒与钎料的质量比为：8:2

首先在叶片尖预先置放薄带状钎料，使钎料包裹住需要涂覆防钛火涂层的叶片尖部，利用有机粘接剂与镀Ni的立方氮化硼CBN颗粒混合(体积比1:10)，然后均匀涂覆在钎料上(利用有机粘接剂与CBN颗粒混合，可以避免装炉和抽真空时，粉末颗粒的下落和流失，且在高温下有机粘接剂将逐渐挥发掉)；

在大于或等于8×10^-4Pa的高真空环境中(钛在高温环境中，会吸收O，N，H使合金塑性、韧性急剧下降，所以制备涂层的加热过程必须在真空下进行)，利用中频感应线圈局部加热转子叶尖(线圈的尺寸和形状可根据叶尖的外形进行设计)，使加热温度保持在850℃，并保持5秒(在加热过程中利用红外测温装置对转子叶尖进行温度监控，当温度升至预设值，自动停止感应加热，防止温度过高对基材有不利影响，在短暂冷却后，当温度低于设定低温阈值时，再次进行加热，以使温度维持在指定温度)，保证钎料能完全熔化(钎料熔化后，CBN颗粒将在表面吸附作用下，沉浸在钎料中，由于CBN颗粒已进行增润处理，可保证其与钎料间良好的结合，只要CBN粉末与钎料的比例适中，即使钎料熔化后也不会沿叶片发生流淌，因为熔液对粉末的润湿性要好于块体材料，优先向粉末中渗透)，然后在高真空环境下自然冷却，形成防钛火涂层。

采用实施例一的方法制成的CBN涂层各项参数验证如下：

(1)涂层厚度210μm，

(2)涂层表面粗糙度Ra＝12μm，

(3)涂层硬度：

由上述方法制备的CBN涂层的硬度测量值如表1所示，在涂层表面测量10点，硬度值均较分散，这是由涂层结构所决定的，测量位置距离CBN颗粒越近，硬度值越高，表1中提供的数据，测量位置均选在粘结相(而非CBN颗粒)上。由表1可知涂层的硬度平均值为666.6HV。

表1，CBN涂层的硬度HV0.05(kg/mm2)

(4)涂层耐磨性：

为模拟转子叶片的使用工况，涂层的耐磨性试验在高速摩擦试验机上进行，对磨副选用机匣内壁涂层(隔热涂层+磨耗封严涂层)。试验条件如下：转速4300r/min，频率144Hz，线速度90m/s，入侵速率20μm/s，刮削深度0.15mm。试验过程中，利用红外测温系统监控，试验时叶尖温度约在550℃左右。试验前后叶尖涂层及对磨副的质量损失详见表2。涂层磨损前后的形貌如图1.1和图1.2所示，对磨副的磨痕形貌如图1.3所示。

表2高速摩擦试验前后叶尖涂层及机匣内壁涂层的质量损失

(5)涂层结合强度：152MPa。

实施例二：

基材选用Ti60合金，

钎料选用厚度为50μm的连续薄带状Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni基非晶态合金，

硬质耐磨颗粒选用立方氮化硼CBN颗粒，并对立方氮化硼CBN颗粒进行化学镀Ni处理(含Ni wt.30％)，

CBN颗粒与钎料的质量比为7:3，

首先在叶片尖预先置放薄带状钎料，使钎料包裹住需要铺设防钛火涂层的叶片尖部，利用有机粘接剂与镀Ni的立方氮化硼CBN颗粒进行混合(体积比1：10)，然后均匀涂覆在钎料上；

在大于或等于8×10^-4Pa的高真空环境中，利用中频感应线圈局部加热转子叶尖(线圈的尺寸和形状可根据叶尖的外形进行设计)，使加热温度保持在850℃，并保持5秒(在加热过程中利用红外测温装置对转子叶尖进行温度监控，当温度升至预设值，自动停止感应加热，防止温度过高对基材有不利影响，在短暂冷却后，当温度低于设定低温阈值时，再次进行加热，以使温度维持在指定温度)，保证钎料能完全熔化，然后在高真空环境下自然冷却，形成防钛火涂层。

采用实施例二的方法制成的CBN涂层各项参数验证如下：

(1)涂层厚度280μm，

(2)涂层表面粗糙度Ra≈9μm，

(3)涂层硬度：

由上述方法制备的CBN涂层的硬度测量值如表3所示，在涂层表面测量10点，硬度值均较分散，这是由涂层结构所决定的，测量位置距离CBN颗粒越近，硬度值越高，表3中提供的数据，测量位置均选在粘结相(而非CBN颗粒)上。由表3可知涂层的硬度平均值为636.0HV。

表3，CBN涂层的硬度HV0.05(kg/mm2)

(4)涂层耐磨性：

为模拟转子叶片的使用工况，涂层的耐磨性试验在高速摩擦试验机上进行，对磨副选用机匣内壁涂层(隔热涂层+磨耗封严涂层)。试验条件如下：转速4300r/min，频率144Hz，线速度90m/s，入侵速率20μm/s，刮削深度0.15mm。试验过程中，利用红外测温系统监控，试验时叶尖温度约在550℃左右。试验前后叶尖涂层及对磨副的质量损失详见表4。涂层磨损前后的形貌如图2.1和图2.2所示，对磨副的磨痕形貌如图2.3所示。

表4高速摩擦试验前后叶尖涂层及机匣内壁涂层的质量损失

(5)涂层结合强度：156MPa。

实施例三：

基材选用Ti60合金，

钎料选用厚度为50μm的连续薄带状Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni基非晶态合金，

硬质耐磨颗粒选用立方氮化硼CBN颗粒，并对立方氮化硼CBN颗粒进行化学镀Ni处理(含Ni wt.30％)，

CBN颗粒与钎料的质量比为6:4，

首先在叶片尖预先置放薄带状钎料，使钎料包裹住需要铺设防钛火涂层的叶片尖部，利用有机粘接剂与镀Ni的立方氮化硼CBN颗粒混合(体积比1：10)，然后均匀涂覆在钎料上；

在大于或等于8×10^-4Pa的高真空环境中，利用中频感应线圈局部加热转子叶尖(线圈的尺寸和形状可根据叶尖的外形进行设计)，使加热温度保持在850℃，并保持5秒(在加热过程中利用红外测温装置对转子叶尖进行温度监控，当温度升至预设值，自动停止感应加热，防止温度过高对基材有不利影响，在短暂冷却后，当温度低于设定低温阈值时，再次进行加热，以使温度维持在指定温度)，保证钎料能完全熔化，然后在高真空环境下自然冷却，形成防钛火涂层。

采用实施例三的方法制成的CBN涂层各项参数验证如下：

(1)涂层厚度320μm，

(2)涂层表面粗糙度Ra≈6μm，

(3)涂层硬度：

由上述方法制备的CBN涂层的硬度测量值如表5所示，在涂层表面测量10点，硬度值均较分散，这是由涂层结构所决定的，测量位置距离CBN颗粒越近，硬度值越高，表5中提供的数据，测量位置均选在粘结相(而非CBN颗粒)上。由表5可知涂层的硬度平均值为589.6HV。

表5，CBN涂层的硬度HV0.05(kg/mm2)

测量位置	(硬度)HV
		1	601
2	587
		3	561
4	574
		5	630
6	549
		7	587
8	601
		9	645
10	561
		平均值	589.6

(4)涂层耐磨性：

为模拟转子叶片的使用工况，涂层的耐磨性试验在高速摩擦试验机上进行，对磨副选用机匣内壁涂层(隔热涂层+磨耗封严涂层)。试验条件如下：转速4300r/min，频率144Hz，线速度90m/s，入侵速率20μm/s，刮削深度0.15mm。试验过程中，利用红外测温系统监控，试验时叶尖温度约在550℃左右。试验前后叶尖涂层及对磨副的质量损失详见表6。涂层磨损前后的形貌如图3.1和图3.2所示，对磨副的磨痕形貌如图3.3所示。

表6高速摩擦试验前后叶尖涂层及机匣内壁涂层的质量损失

(5)涂层结合强度：159MPa。

通过三个实施例可知：CBN颗粒与钎料的比例越低，即钎料过多，涂层结合良好，但与转子叶尖对应的磨耗涂层易发生粘着磨损，磨屑大面积粘附在转子叶尖上，降低了叶尖涂层的磨削能力，也不利于封严效果；若CBN颗粒与钎料的比例过高，即钎料过少，CBN颗粒与基体结合变差，高速工作中易于剥落，从而降低涂层的磨削能力。通过上述三个实施例对比，当CBN颗粒与钎料的质量比为8:2时，所制备的涂层具有最佳的“防钛火”性能。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种防钛火涂层的制备方法，其特征在于：该方法是针对钛合金叶片制备防钛火涂层，制备步骤如下：

(1)对叶片尖端进行真空喷砂处理以去除其表面的氧化膜；

(2)在叶片尖预先置放薄带状钎料，使钎料包裹住需要制备防钛火涂层的叶片尖部，利用有机粘接剂与镀Ni的立方氮化硼CBN颗粒进行混合，然后均匀涂覆在钎料上；

(3)在大于或等于8×10^-4Pa的高真空环境中，利用中频感应线圈局部加热转子叶尖，使加热温度保持在840-850℃一定时间，使钎料能完全熔化，钎料熔化后，与钛合金基体结合，同时CBN颗粒在表面吸附作用下，沉浸在钎料中，待钎料在高真空环境下自然冷却后，形成防钛火涂层；

该方法中，所述钎料选用厚度为50μm的连续薄带状Ti-37.5Zr-15Cu-10Ni基非晶态合金；所述镀Ni的立方氮化硼CBN颗粒是通过对立方氮化硼CBN颗粒进行化学镀Ni处理后获得；所述镀Ni的立方氮化硼CBN颗粒与钎料的质量比为8:2～7:3。

2.根据权利要求1所述的防钛火涂层的制备方法，其特征在于：所述镀Ni的立方氮化硼CBN颗粒中Ni含量为30wt.％。

3.根据权利要求1所述的防钛火涂层的制备方法，其特征在于：有机粘接剂与含Ni的立方氮化硼CBN粉末的体积比为1:10。

4.根据权利要求1所述的防钛火涂层的制备方法，其特征在于：所述镀Ni的立方氮化硼CBN颗粒与钎料的质量比为8:2。