CN108401548B - 火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液氧/煤油火箭发动机泵端面动密封动环用耐磨陶瓷涂层及其制备方法，目的是提供一种耐磨、抗氧化、抗强热冲击陶瓷涂层，满足液氧/煤油发动机涡轮泵及氧泵端面动密封应用要求。以等离子体喷涂工艺在特种钢制备的密封动环表面先沉积厚度为40～100μm的镍铬(NiCr)合金层，再喷涂制备厚度为250～400μm的氧化铝(Al2O3)陶瓷层，而后利用金刚石砂轮进行涂层磨抛光加工。所获得的Al2O3涂层动环，在高比压起停考核试验、疲劳考核试验、模拟低温运转试验及试车考核中，涂层无开裂、剥落和鼓泡现象，显示出较好的动密封效果。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨涂层制备技术领域，具体涉及一种液氧/煤油火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层及其制备方法。
背景技术
目前，我国早期火箭发动机推进剂为具有较大毒性、腐蚀性的四氧化二氮和偏二甲肼组合；长征系列运载火箭采用的是液氢/液氧发动机，但单台发动机推力小于50T。尽管此类发动机技术成熟度高，但受发动机推力制约难有更大发展，限制了运载火箭性能的进一步提升。为满足我国深空探测需要，必须研制大推力火箭。为此，我国自主研发的新型火箭发动机，其推进剂为液氧和煤油组合，单台发动机推力为120T。液氧/煤油发动机具有绿色环保、大推力、燃烧效能高、可重复使用、可靠性高等优点。该新型火箭发动机所设计的涡轮泵和氧泵运行速度升高、压力增大，对动密封性能要求极为苛刻(对于涡轮泵，既要能阻止2MPa液氧的泄露，又要满足高承载条件下的多次起停考核；而对于氧泵，既要能阻止0.5～0.6MPa气氧的泄露，又能承受高转速条件下与对偶件材料长时间的摩擦磨损，单次摩擦接触时间与涡轮端相比延长了近70倍)。用于端面动密封的材料将会承受大的压力、高的摩擦速率及由此而产生的高摩擦热(摩擦副最高表面温度接近、甚至超过1000℃)、剧烈的热冲击，因而要求相应密封材料需具备高强度、优异的耐高温和抗氧化性能、良好的导热性能、抗热冲击性能、耐磨损以及良好的机械加工性能等。金属密封材料熔点较低，耐热温度不高，且高温磨损条件下表面损失较为严重；高分子密封材料高温时发生蠕变和应力松弛，其使用温度不超过300℃；陶瓷密封材料虽然具有较好的耐高温性能和机械强度，但其塑韧性低且机械加工困难；石墨类密封材料耐热温度高，易加工，但机械强度低。以上分析表明：单一材料已无法满足液氧/煤油火箭发动机泵端面动密封苛刻磨损工况下的使用要求。有效方法是采用高强度、高耐热金属材料作为基材，在其摩擦表面制备与基材结合良好的耐磨陶瓷涂层。这种方法将金属的塑韧性好、易机械加工和陶瓷的高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点相结合，有望获得较好的动密封效果。
热喷涂技术以其喷涂材料范围广泛、工艺稳定性好、涂层质量可靠、涂层厚度可控等优势成为制备陶瓷涂层的有效工艺方法。热喷涂技术制备的氧化物和碳化物陶瓷涂层可满足多种工况条件的耐磨和密封要求，主要有：Cr2O3、Al2O3、Al2O3/TiO2、WC-Co、NiCr-Cr3C2等。液氧/煤油火箭发动机涡轮泵及氧泵端面动密封要求苛刻，密封动环的摩擦服役条件是高温、高比压(即高PV值，P是接触压强，V是摩擦速率)、强氧化、强热震等复合工况。碳化物耐磨陶瓷材料的高温抗氧化性能较差，不适合上述应用环境；氧化物耐磨陶瓷材料(如Cr2O3、Al2O3等)具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等特点，表现出较好的综合性能，作为耐磨密封涂层材料应用于液氧/煤油火箭发动机泵端面动密封已显示很好的前景。如何选择和制备氧化物耐磨陶瓷涂层以适应苛刻泵端面动密封摩擦磨损工况至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层及其制备方法，具有强度高、硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等物性。
为了达到上述目的，本发明提供一种火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层，包括：喷涂在基材表面上的40～100μm的镍铬合金层；以及喷涂在所述镍铬合金层表面上的250～400μm的氧化铝陶瓷层。
本发明提供的另一技术方案是，一种火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)密封动环基材预处理；即对密封动环基材的表面进行粗糙化和净化处理；(2)在密封动环基材表面等离子体喷涂镍铬合金层；(3)在镍铬合金层表面等离子体喷涂氧化铝陶瓷层；(4)磨抛光氧化铝陶瓷层。
上述火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法，其中，对密封动环基材的表面进行粗糙化过程用刚玉砂喷砂处理，粗糙度Ra为5～10μm。
上述火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法，其中，对密封动环基材的表面进行净化处理采用超声波清洗。
上述火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法，其中，在密封动环基材表面等离子体喷涂镍铬合金层，等离子气体流量为氩气50～70升/分(slpm)，氢气8～12slpm，电流550～650A，功率40～46kW，喷涂距离95～135mm。
上述火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法，其中，在镍铬合金层表面等离子体喷涂氧化铝陶瓷层，等离子气体流量为氩气45～55slpm，氢气7～12slpm，电流620～680A，功率45～50kW，喷涂距离100～120mm。
上述火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法，其中，利用金刚石砂轮对氧化铝陶瓷层进行磨抛光加工。
本发明的火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层及其制备方法，采用镍铬合金层为应力过渡层，粘合性能好，采用氧化铝陶瓷层为工作层，强度高、硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀。
附图说明
本发明的火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层及其制备方法由以下的实施例及附图给出。
图1是本发明的火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法流程图。
具体实施方式
以下将结合图1对本发明的火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层及其制备方法作进一步的详细描述。
本发明的火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层包括：
喷涂在基材表面上的40～100μm的镍铬(NiCr)合金层；以及
喷涂在所述镍铬合金层表面上的250～400μm的氧化铝(Al2O3)陶瓷层。
所述镍铬合金层用作基材与陶瓷层之间的应力过渡层，所述氧化铝陶瓷层为增强火箭发动机泵端面耐磨性能的工作层。
参见图1，本发明的火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法包括以下步骤：
(1)密封动环基材预处理
对密封动环基材的表面进行粗糙化和净化处理；
粗糙化过程用刚玉砂喷砂处理，增加密封动环基材表面粗糙度，粗糙度Ra为5～10μm，确保涂层与基材的良好接触；
净化处理采用超声波清洗，是为了净化基材表面、减少粘附颗粒等，进一步增强基材与应力过渡层的结合性能；
(2)在密封动环基材表面等离子体喷涂NiCr合金层
较佳地，等离子气体流量为氩气50～70升/分(slpm)，氢气8～12slpm，电流550～650A，功率40～46kW，喷涂距离95～135mm；这样的等离子气体流量和电流可使粉末状的镍铬合金有比较好的熔融状态，喷涂距离选择95～135mm可在基材表面形成盘状的沉积，且喷涂效率高，气孔率低，均有利于提高镍铬合金层的喷涂质量；
(3)在NiCr合金层表面等离子体喷涂氧化铝陶瓷层
较佳地，等离子气体流量为氩气45～55slpm，氢气7～12slpm，电流620～680A，功率45～50kW，喷涂距离100～120mm；这样的等离子气体流量和电流可使粉末状的氧化铝有比较好的熔融状态，喷涂距离选择100～120mm可在金属过渡层表面形成盘状的沉积，且喷涂效率高，气孔率低，均有利于提高氧化铝陶瓷层的喷涂质量；
(4)磨抛光氧化铝陶瓷层
利用金刚石砂轮对氧化铝陶瓷层进行磨抛光加工，实现涂层的平整度、平行度和表面光洁度。
上述喷涂工艺参数以Sulzer Metco公司的F4-MB喷枪为基准列示。
现以具体实施例详细说明本发明，以下各实施例均采用Sulzer Metco公司的F4-MB喷枪：
实施例1
进行高比压条件下涂层摩擦副的摩擦磨损性能当量考核试验，以环-环接触方式，密封动环基材为动密封专用特种钢，试样尺寸为Φ75mm×Φ53mm×20mm，在密封动环基材表面采用等离子体喷涂工艺制备40μm厚NiCr合金层，在NiCr合金层表面采用等离子体喷涂工艺制备280μm厚Al2O3陶瓷层，而后对Al2O3陶瓷层进行磨抛光加工。静环为粉末冶金CuC。在PV＝22MPa·m/s，起停考核33次条件下，Al2O3陶瓷层无开裂、剥落和鼓泡现象。喷涂工艺参数如表1所示。
表1等离子体喷涂工艺参数
| 参数 | NiCr | Al2O3 |
| 氩气(slpm) | 50 | 45 |
| 氢气(slpm) | 8 | 7 |
| 电流(A) | 550 | 620 |
| 功率(kW) | 40 | 45 |
| 喷涂距离(mm) | 95 | 100 |
实施例2
进行高比压条件下涂层摩擦副的摩擦磨损性能当量考核试验，以环-环接触方式，密封动环基材为动密封专用特种钢，试样尺寸为Φ75mm×Φ53mm×20mm，在密封动环基材表面采用等离子体喷涂工艺制备60μm厚NiCr合金层，在NiCr合金层表面采用等离子体喷涂工艺制备330μm厚Al2O3陶瓷层，而后对Al2O3陶瓷层进行磨抛光加工。静环为石墨。在PV＝15MPa·m/s，起停考核33次条件下，Al2O3陶瓷层表面光洁，无开裂、剥落和鼓泡现象。喷涂工艺参数如表2所示。
表2等离子体喷涂工艺参数
| 参数 | NiCr | Al2O3 |
| 氩气(slpm) | 55 | 50 |
| 氢气(slpm) | 9 | 9 |
| 电流(A) | 570 | 640 |
| 功率(kW) | 41 | 47 |
| 喷涂距离(mm) | 100 | 105 |
实施例3
进行涂层摩擦副疲劳考核试验，以环-块接触方式，密封动环基材为动密封专用特种钢，试样尺寸为Φ40mm×Φ16mm×10mm，在密封动环基材表面采用等离子体喷涂工艺制备75μm厚NiCr合金层，在NiCr合金层表面采用等离子体喷涂工艺制备380μm厚Al2O3陶瓷层，而后对Al2O3陶瓷层进行磨抛光加工。对磨块为粉末冶金CuC。在PV＝25MPa·m/s，磨损时间60min条件下，摩擦副滑动摩擦系数＜0.16，Al2O3陶瓷层磨损率≤10-8mm3N-1m-1，且无开裂、剥落和鼓泡现象。喷涂工艺参数如表3所示。
表3等离子体喷涂工艺参数
| 参数 | NiCr | Al2O3 |
| 氩气(slpm) | 60 | 55 |
| 氢气(slpm) | 10 | 12 |
| 电流(A) | 600 | 650 |
| 功率(kW) | 43 | 49 |
| 喷涂距离(mm) | 120 | 110 |
实施例4
进行涂层摩擦副疲劳考核试验，以环-块接触方式，密封动环基材为动密封专用特种钢，试样尺寸为Φ40mm×Φ16mm×10mm，在密封动环基材表面采用等离子体喷涂工艺制备100μm厚NiCr合金层，在NiCr合金层表面采用等离子体喷涂工艺制备400μm厚Al2O3陶瓷层，而后对Al2O3陶瓷层进行磨抛光加工。对磨块为石墨。在PV＝22MPa·m/s，磨损时间60min条件下，摩擦副滑动摩擦系数＜0.12，Al2O3陶瓷层磨损率≤10-8mm3N-1m-1，且无开裂、剥落和鼓泡现象。喷涂工艺参数如表4所示。
表4等离子体喷涂工艺参数
| 参数 | NiCr | Al2O3 |
| 氩气(slpm) | 65 | 52 |
| 氢气(slpm) | 12 | 10 |
| 电流(A) | 630 | 670 |
| 功率(kW) | 45 | 49 |
| 喷涂距离(mm) | 125 | 120 |
实施例5
涡轮泵密封动环氧化铝陶瓷层实体部件试车考核。在涡轮泵密封动环表面采用等离子体喷涂工艺制备50μm厚NiCr合金层，在NiCr合金层表面采用等离子体喷涂工艺制备350μm厚Al2O3陶瓷层，而后对Al2O3陶瓷层进行磨抛光加工。静环为粉末冶金CuC。Al2O3/CuC涡轮泵脱开式端面动密封摩擦副通过了液氧/煤油发动机极限工况试车考核，考核后涂层(Al2O3陶瓷层)表面光滑、无开裂、无脱落。喷涂工艺参数如表5所示。
表5等离子体喷涂工艺参数
| 参数 | NiCr | Al2O3 |
| 氩气(slpm) | 57 | 49 |
| 氢气(slpm) | 8 | 12 |
| 电流(A) | 600 | 660 |
| 功率(kW) | 42 | 47 |
| 喷涂距离(mm) | 120 | 110 |
实施例6
氧泵密封动环氧化铝涂层实体部件低温运转试验。在氧泵密封动环表面采用等离子体喷涂工艺制备50μm厚NiCr合金层，在NiCr合金层表面采用等离子体喷涂工艺制备350μm厚Al2O3陶瓷层，而后对Al2O3陶瓷层进行磨抛光加工。静环分别为C/C复合材料和石墨。试验介质为液氮，转速17000rpm。试验共进行两组，运转次数为11次。第一组为Al2O3陶瓷层/(C/C)摩擦副组合，试验时间14min，压力1.3MPa；第二组为Al2O3陶瓷层/石墨摩擦副组合，试验时间28min，压力0.9MPa。试车后涂层(Al2O3陶瓷层)表面光滑、无开裂、无脱落，初步满足了发动机连续多次试车的要求。喷涂工艺参数如表6所示。
表6等离子体喷涂工艺参数
| 参数 | NiCr | Al2O3 |
| 氩气(slpm) | 59 | 49 |
| 氢气(slpm) | 7 | 11 |
| 电流(A) | 610 | 650 |
| 功率(kW) | 42 | 47 |
| 喷涂距离(mm) | 115 | 115 |
试验表明，采用本发明获得的耐磨陶瓷涂层，在高比压起停考核试验、疲劳考核试验、模拟运转试验及试车考核中，涂层无开裂、剥落和鼓泡现象，满足液氧/煤油火箭发动机涡轮泵及氧泵端面动密封的应用要求。
Claims (4)
1.一种火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)密封动环基材预处理；
即对密封动环基材的表面进行粗糙化和净化处理；
(2)在密封动环基材表面等离子体喷涂40～100μm镍铬合金层；
等离子气体流量为氩气50～70升/分(slpm)，氢气8～12slpm，电流550～650A，功率40～46kW，喷涂距离95～135mm
(3)在镍铬合金层表面等离子体喷涂250～400μm氧化铝陶瓷层；
等离子气体流量为氩气45～55slpm，氢气7～12slpm，电流620～680A，功率45～50kW，喷涂距离100～120mm；
(4)磨抛光氧化铝陶瓷层。
2.如权利要求1所述的火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，对密封动环基材的表面进行粗糙化过程用刚玉砂喷砂处理，粗糙度Ra为5～10μm。
3.如权利要求1所述的火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，对密封动环基材的表面进行净化处理采用超声波清洗。
4.如权利要求1所述的火箭发动机泵端面动密封用耐磨陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，利用金刚石砂轮对氧化铝陶瓷层进行磨抛光加工。
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|---|---|---|---|---|
| CN110274840A (zh) * | 2019-07-12 | 2019-09-24 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 与发动机台架试车考核等效的涂层摩擦磨损性能测试方法 |
| CN115310307A (zh) * | 2022-10-12 | 2022-11-08 | 西安航天动力研究所 | 一种用于判定火箭发动机端面密封可重复使用性的方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| CN115310307A (zh) * | 2022-10-12 | 2022-11-08 | 西安航天动力研究所 | 一种用于判定火箭发动机端面密封可重复使用性的方法 |
| CN115310307B (zh) * | 2022-10-12 | 2023-02-14 | 西安航天动力研究所 | 一种用于判定火箭发动机端面密封可重复使用性的方法 |
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