CN108179371A - 一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法。将MCrAlY合金粉通过超音速火焰喷涂设备喷涂至基体表面制备涂层，对基体表面进行多次喷涂，单次喷涂的沉积厚度小于等于0.01mm，每喷涂0.5mm～1.0mm采用真空热处理对已涂覆的涂层进行去应力及扩散处理；最后喷涂得到厚度大于等于1.5mm的封严涂层。该方法所制备的封严涂层具有抗氧化、高温较低硬度、可磨耗、高温稳定性、抗热震、结合强度高的特点，工作温度可达1100℃，可明显降低涡轮转子叶片的磨损，提高了涂层的可磨耗性、可靠性及使用寿命，涡轮转子叶片使用寿命明显提高，显著降低发动机维修费用，提高发动机可靠性。

Description

一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于可磨耗涂层技术领域，涉及一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法。
背景技术
航空发动机涡轮外环处于高温、高速对磨、高速气流冲刷的工况环境中，提高涡轮外环与转子叶片的气路密封性可显著提高涡轮工作效率。涡轮外环通常采用高温合金材料。高温合金具有良好的高温强度，然而其高温硬度高，可磨耗性差，直接使用容易造成工作叶片损伤磨损，气密性差。并且，高温合金的抗高温氧化性较差，工作过程中容易烧蚀，导致发动机涡轮叶片叶尖间隙扩大，气流工作效率下降。
提高涡轮密封性主要有两种措施，第一种是采用整体高新材料替换原有高温合金材料，但使用整体高新材料，成本高、加工难度大、设计和生产周期长；第二种是在高压涡轮外环内表面，即高温合金的表面涂覆高温可磨耗封严涂层，当转子叶片受热和离心力作用而伸长时，叶片刮削封严涂层从而达到气路密封效果。结论证明，涂覆高温可磨耗封严涂层对提高高压涡轮的工作效率和可靠性有重要作用，典型发动机的高压涡轮叶尖间隙每减小0.13～0.25mm，油耗可减少0.5～1％，发动机的效率可提高2％左右；对涡轮外环涂覆可磨耗、高温抗氧化烧蚀、防冲刷的高温封严涂层，可明显减少燃气气流损失，提高发动机热效率，具有成本低廉、加工工艺简单、生产周期短的特点。
但是，随着航空发动机研制过程中对寿命、可靠性和经济性要求的不断提高，发动机的转速、温度成倍增加，造成涡轮部件的工况环境进一步严峻，同时发动机喘振等带来的不确定因素，导致涡轮外环承受着导致外环块承受着更为恶劣的高温、高速气流冲刷、高速对磨、高交变载荷等工况环境。原有高温可磨耗封严涂层与基体结合强度不高、涂层易掉块剥离、热稳定性及高温可磨耗性差，已经不能满足先进航空发动机使用要求。
当前国内高温封严涂层主要采用大气等离子制备MCrAlY/聚苯脂涂层。北京航空制造工程研究所(专利号：201410616508.4)所发明高温封严涂层由于孔隙大，高温环境下氧气容易与涂层MCrAlY发生氧化反应，生成Al2O3、Cr2O3等硬度高且脆的氧化物相，这使得涂层硬度提高，在发动机使用过程中与之对磨的涡轮转子叶片叶尖磨损严重，涂层失去可磨耗作用，且其涂层结构复杂，涂层开裂几率高，批生产困难。
因此，如何提高高温可磨耗封严涂层的高温可磨耗性、抗氧化烧蚀性、结合强度、抗热震性及使用寿命，使我们需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法，该封严涂层具有具有抗氧化、高温较低硬度、可磨耗、高温稳定性、抗热震、结合强度高的特点。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高温可磨耗封严涂层，封严涂层为单层结构，厚度大于等于1.5mm，封严涂层的材料为MCrAlY合金粉，其中，M为Ni和/或Co；MCrAlY合金粉中，按照重量计，包括21％～22％的Cr，8％～11％的Al，0.5％～1％的Y，余量为M；封严涂层与基体表面为冶金结合，封严涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于5％，封严涂层结合强度大于60Mpa。
所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法：将MCrAlY合金粉通过超音速火焰喷涂工艺喷涂至基体表面制备封严涂层；对基体表面进行多次喷涂，单次喷涂的沉积厚度小于等于0.01mm，每喷涂0.5～1.0mm采用真空热处理对已喷涂的涂层进行去应力及扩散处理；最后喷涂得到的封严涂层厚度大于等于1.5mm。
优选地，喷涂后所得到的封严涂层进行磨加工和/或车加工，使封严涂层厚度满足工件最终尺寸要求。
优选地，真空热处理为在真空度小于等于6.65×10-2pa的真空环境下，将已喷涂的涂层在950℃～1100℃下保温4h～6h，然后缓冷至500℃以下。
优选地，超音速火焰喷涂工艺中采用氮气作为载气，氮气流量为20SCFH～30SCFH；采用煤油与氧气作为燃烧喷涂气体，或者采用氢气与氧气作为燃烧喷涂气体；送粉率为20g/min～40g/min，喷涂距离为300mm～450mm。
优选地，采用煤油与氧气作为燃烧喷涂气体时，氧气的流量为1700SCFH～2000SCFH，煤油流量为4GPH～6GPH。
优选地，MCrAlY合金粉的粒度范围为10μm～40μm。
优选地，在对基体表面进行喷涂前，对基体表面进行清洁，并进行粗化处理，使表面粗糙度大于5μm。
优选地，采用喷砂工艺对基体表面进行粗化处理时，其中，采用氧化铝砂作为工作介质，风压采用0.1～0.3MPa。
优选地，所述基体为高温合金高压涡轮外环，高温合金为等轴晶铸造高温合金或单晶铸造高温合金。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的高温可磨耗封严涂层，其为单层结构，封严涂层结构简单，易于批量生产；封严涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于5％，封严涂层结合强度大于60Mpa，封严涂层1000℃高温硬度HR45Y小于等于70，水冷抗热震性能大于100次，1000℃热稳定性良好，硬度变化不大，具有抗氧化、高温较低硬度、可磨耗、高温稳定性、抗热震、结合强度高的特点，工作温度可达1100℃，可明显降低涡轮转子叶片的磨损，提高了涂层的可磨耗性、可靠性及使用寿命，涡轮转子叶片使用寿命明显提高，显著降低发动机维修费用，提高发动机可靠性。
本发明提供的高温可磨耗封严涂层的制备方法，将MCrAlY合金粉通过超音速火焰喷涂设备喷涂至基体表面制备涂层，对基体表面进行多次喷涂，单次喷涂的沉积厚度小于等于0.01mm，每喷涂0.5mm～1.0mm采用真空热处理对已涂覆的涂层进行去应力及扩散处理；最后喷涂得到的涂层厚度大于等于1.5mm。解决了现有技术中高温可磨耗涂层可磨耗性差、涂层易脱落、高温稳定性差等问题，有效提高了高压涡轮气路封严效果。
附图说明
图1为本发明提供的封严涂层组织结构图，其中图中的尺寸标号为50μm。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供了一种高温可磨耗封严涂层，涂层为单层结构，厚度大于等于1.5mm，涂层的材料为MCrAlY合金粉，MCrAlY合金粉中的M为金属Ni和/或金属Co。
MCrAlY合金粉的粒度范围为10μm～40μm。
涂层与基体表面为冶金结合，涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于5％，涂层结合强度大于60MPa。
本发明还提供了一种高温可磨耗封严涂层的制备方法，采用MCrAlY合金粉，MCrAlY合金粉中的M为金属Ni和/或金属Co；将MCrAlY合金粉通过超音速火焰喷涂设备喷涂至金属表面制备涂层；对基体表面进行多次喷涂，单次喷涂的沉积厚度小于等于0.01mm，采用真空热处理对已喷涂的涂层进行去应力及扩散处理；最后喷涂得到的涂层厚度大于等于1.5mm，然后进行磨加工和/或车加工，使涂层厚度满足工件最终尺寸要求。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，每喷涂0.8～1.5mm采用真空热处理对已喷涂的涂层进行去应力及扩散处理，真空热处理为在真空度小于等于6.65×10-2pa的真空环境下，将已涂覆的涂层在950℃～1100℃下保温4h～6h，然后缓冷至500℃以下。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，超音速火焰喷涂采用煤油与氧气作为燃烧喷涂气体，也可使用氢气与氧气作为燃烧喷涂气体，氧气的流量为1700SCFH～2000SCFH，煤油流量为4GPH～6GPH，氮气作为载气，流量为20SCFH～30SCFH，送粉率为20g/min～40g/min，喷涂距离为300mm～450mm。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，MCrAlY合金粉的粒度范围为10μm～40μm。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，在对基体表面进行喷涂前，对基体表面进行去除，并进行粗化处理，表面粗糙度Ra需大于5μm。建议采用20#氧化铝砂作为工作介质，风压采用0.1～0.3MPa。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，在对基体表面进行喷涂前，对需喷涂部位以外区域进行遮蔽保护。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，所需喷涂的基体为高温合金高压涡轮外环，高温合金为等轴晶铸造高温合金或单晶铸造高温合金。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，涂层与基体实现了冶金结合，涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于5％，结合强度大于60MPa，涂层1000℃高温硬度HR45Y小于等于70，水冷抗热震性能大于100次，1000℃热稳定性良好。
实施例1K465高温合金基体高压涡轮外环高温可磨耗涂层的制备方法
本实施例采用超音速火焰喷涂设备，基体材料为K465高温合金对高压涡轮外环制备CoNiCrAlY高温封严涂层。具体包括以下步骤：
用丙酮或者汽油清洗零件喷涂表面，然后利用热喷涂胶带对非喷涂面进行保护。
利用清洁、干燥的20目氧化铝砂子对高压涡轮外环喷涂面进行喷砂处理，风压为0.4MPa，处理后基体表面粗糙为7μm，然后去除保护胶带。
通过超音速火焰喷涂设备在进喷砂处理的零件表面制备高温可磨耗涂层，粉末采用CoNiCrAlY合金粉，以CoNiCrAlY合金粉的质量为100％计，CoNiCrAlY合金粉中包括：32wt％的Ni，21wt％的Cr,8wt％的Al，0.5wt％的Y，余量为Co。粒度范围为10～38μm。每喷涂0.8mm对涂层进行真空热处理，涂层总厚度为2.4mm，最终通过磨加工和/或车加工保证零件最终尺寸。
上述超音速火焰喷涂工艺参数为：氧气流量为1900SCFH，煤油流量为4.5GPH，氮气作为载气，流量为25SCFH，送粉率为30g/min，喷涂距离为350mm，单遍沉积厚度0.01mm。
上述真空热处理的具体过程如下：将基体及已涂覆的涂层放入真空加热炉中，真空热处理炉子的真空度3×10-2pa，随炉升温至1100℃保温6h，随炉缓冷至500℃以下关闭加热装置，随炉冷至室温。
实施例2单晶高温合金基体高温可磨耗涂层的制备方法
本发明采用超音速火焰喷涂制备NiCrAlY高温封严涂层，基体材料为DD5单晶高温合金。具体包括以下步骤：
用丙酮或者汽油清洗喷涂表面，然后激光对基体进行粗化处理，处理后的基体表面粗糙度为6μm，通过超音速火焰喷涂设备在粗化处理的DD5单晶基体表面制备高温可磨耗涂层，粉末采用NiCrAlY合金粉，以NiCrAlY合金粉的质量为100％计，NiCrAlY合金粉中包括：22wt％的Cr,10wt％的Al，1.0wt％的Y，余量为Ni,合金粉粒度范围为15～45μm。每喷涂1.0mm对涂层进行真空热处理，涂层总厚度为2.0mm。
上述超音速火焰喷涂工艺参数为：氧气的流量为1850SCFH，煤油流量为4GPH，氮气作为载气，流量为20SCFH，送粉率为25g/min，喷涂距离为320mm。
上述真空热处理参数为真空度1×10-2pa以下，随炉升温至1000℃保温4h，随炉缓冷至500℃以下关闭加热装置，随炉冷至室温。
实施例3
本实施例采用超音速火焰喷涂制备NiCoCrAlY高温封严涂层，基体材料为K477。具体包括以下步骤：
用丙酮或者汽油清洗喷涂表面，然后利用热喷涂胶带对非喷涂面进行保护。喷涂表面经清洁、干燥的20目氧化铝砂子进行喷砂处理，风压为0.2MPa，处理后基体表面粗糙度为6μm。通过超音速火焰喷涂设备在粗化表面制备高温可磨耗涂层，粉末采用NiCoCrAlY合金粉，以NiCoCrAlY合金粉的质量为100％计，NiCoCrAlY合金粉中包括：20wt％的Co，21wt％的Cr,11wt％的Al，0.8wt％的Y，余量为Ni,粒度范围为15～45μm。每喷涂1.2mm对涂层进行真空热处理，涂层总厚度为2.2mm。
上述超音速火焰喷涂工艺参数为：氧气的流量为1950SCFH，煤油流量为5.1GPH，氮气作为载气，流量为23SCFH，送粉率为30g/min，喷涂距离为340mm。单遍沉积厚度0.01mm。
上述真空热处理参数为真空度9×10-3pa，随炉升温至1050℃保温5h，随炉缓冷至500℃以下关闭加热装置，随炉冷至室温。
本发明的高温可磨耗封严涂层及其制备方法，可应用于航空发动机及燃气轮机高压涡轮外环气路的封严，高温可磨耗封严涂层与基体实现了冶金结合，涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于5％，结合强度大于60MPa，涂层1000℃高温硬度HR45Y小于等于70，水冷抗热震性能大于100次，1000℃热稳定性良好，硬度变化不大，具有抗氧化、高温较低硬度、可磨耗、高温稳定性、抗热震、结合强度高的特点，工作温度可达1100℃，可明显降低涡轮转子叶片的磨损，提高了涂层的可磨耗性、可靠性及使用寿命，涡轮转子叶片使用寿命明显提高，显著降低发动机维修费用，提高发动机可靠性。
本发明公开了一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法，将MCrAlY合金粉通过超音速火焰喷涂设备喷涂至基体表面制备涂层，对基体表面进行多次喷涂，单次喷涂的沉积厚度小于等于0.01mm，每喷涂0.8mm～1.5mm采用真空热处理对已涂覆的涂层进行去应力及扩散处理；最后喷涂得到的涂层厚度大于等于1.5mm。解决了现有技术中高温可磨耗涂层可磨耗性差、涂层易脱落、高温稳定性差等问题，有效提高了高压涡轮气路封严效果。

Claims (10)

1.一种高温可磨耗封严涂层，其特征在于，封严涂层为单层结构，厚度大于等于1.5mm，封严涂层的材料为MCrAlY合金粉，其中，M为Ni和/或Co；MCrAlY合金粉中，按照重量计，包括21％～22％的Cr，8％～11％的Al，0.5％～1％的Y，余量为M；封严涂层与基体表面为冶金结合，封严涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于5％，封严涂层结合强度大于60Mpa。
2.权利要求1所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，将MCrAlY合金粉通过超音速火焰喷涂工艺喷涂至基体表面制备封严涂层；对基体表面进行多次喷涂，单次喷涂的沉积厚度小于等于0.01mm，每喷涂0.5～1.0mm采用真空热处理对已喷涂的涂层进行去应力及扩散处理；最后喷涂得到的封严涂层厚度大于等于1.5mm。
3.如权利要求2所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，喷涂后所得到的封严涂层进行磨加工和/或车加工，使封严涂层厚度满足工件最终尺寸要求。
4.如权利要求2所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，真空热处理为在真空度小于等于6.65×10-2pa的真空环境下，将已喷涂的涂层在950℃～1100℃下保温4h～6h，然后缓冷至500℃以下。
5.如权利要求2所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，超音速火焰喷涂工艺中采用氮气作为载气，氮气流量为20SCFH～30SCFH；采用煤油与氧气作为燃烧喷涂气体，或者采用氢气与氧气作为燃烧喷涂气体；送粉率为20g/min～40g/min，喷涂距离为300mm～450mm。
6.如权利要求5所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，采用煤油与氧气作为燃烧喷涂气体时，氧气的流量为1700SCFH～2000SCFH，煤油流量为4GPH～6GPH。
7.如权利要求2所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，MCrAlY合金粉的粒度范围为10μm～40μm。
8.如权利要求2所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，在对基体表面进行喷涂前，对基体表面进行清洁，并进行粗化处理，使表面粗糙度大于5μm。
9.如权利要求8所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，采用喷砂工艺对基体表面进行粗化处理时，其中，采用氧化铝砂作为工作介质，风压采用0.1～0.3MPa。
10.如权利要求2所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，所述基体为高温合金高压涡轮外环，高温合金为等轴晶铸造高温合金或单晶铸造高温合金。
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