CN109182949A - 一种高性能封严涂层及其制备方法 - Google Patents

一种高性能封严涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及表面防护技术领域，具体为一种高性能封严涂层及其制备方法。该高性能封严涂层为双层结构，由粘结底层和工作面层组成；其中，粘结底层的成分为Ni基合金涂层，各组分质量分数为：Cr:20～25wt％，Al:8～12wt％，Y:0.8～1.2wt％，Ni:余量；工作面层为复合材料涂层，由NiCrAlFe合金、SiO2和BN成分组成，各组分质量分数为：Ni:≥57.5wt％，Cr:10～16wt％，Fe:6～10wt％，Al:2～5wt％，BN:4～6wt％，SiO2:0.5～3wt％，其它有机物≤3.5wt％。利用大气等离子喷涂技术制备Ni基合金涂层，采用火焰喷涂技术在Ni基合金涂层表面制备工作面层，该种高性能封严涂层可有效减小运转间隙，提高机组热效率。

Description

一种高性能封严涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面防护技术领域，具体为一种高性能封严涂层及其制备方法。
背景技术
气路封严技术是提高发动机性能的重要手段。可磨耗封严涂层由于其生产工艺简便、返修和调整性能容易、封严效果好而在航空航天、透平机械和燃气轮机等领域得到广泛应用。可磨耗封严涂层大多由一定比例的金属相和具有自润滑作用的非金属的复合材料组成，还有较多的孔洞。其中，金属相的作用是抗腐蚀、抗氧化，保证涂层自身的强度以及和基体的结合强度，常用的金属相有：镍、铝、铜、铁及其合金等。非金属相的作用是保证涂层的可磨耗性，常用的非金属相有石墨、六方氮化硼、二硫化钼、氟化钙、硅藻土、二氧化硅和高分子聚合物等。而孔洞的存在也降低涂层的硬度，保证涂层的可磨耗性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能封严涂层及其制备方法，解决汽轮机转动部套(叶片和转子)与静子部套之间的密封问题，以提高汽轮机机组的工作效率。
本发明的技术方案如下：
一种高性能封严涂层，该高性能封严涂层为双层结构，由粘结底层和工作面层组成；其中，粘结底层的成分为Ni基合金涂层，各组分质量分数为：Cr:20～25wt％，Al:8～12wt％，Y:0.8～1.2wt％，Ni:余量；工作面层为复合材料涂层，由NiCrAlFe合金、SiO2和BN成分组成，各组分质量分数为：Ni:≥57.5wt％，Cr:10～16wt％，Fe:6～10wt％，Al:2～5wt％，BN:4～6wt％，SiO2:0.5～3wt％，其它有机物≤3.5wt％。
所述的高性能封严涂层，粘结底层厚度为0.1～0.2mm，涂层总厚度为2.0～2.5mm，机加工后封严涂层的工作面层厚度为1.0～1.2mm。
所述的高性能封严涂层，涂层非金属相含量为40～50％，硬度HR15y为55～65，结合强度≥3.0MPa。
所述的高性能封严涂层的制备方法，包括如下过程：
(1)利用大气等离子喷涂技术制备Ni基合金涂层，具体工艺参数为电流450～550A，电压60～70V，送粉速率25.0～35.0g/min，送粉气流量3～8L/min，主气流量35～55L/min，主气压力60～80psi，次气流量4～10L/min，次气压力50～70psi，喷涂距离100～150mm；
(2)采用火焰喷涂技术在Ni基合金涂层表面制备工作面层，具体工艺参数为氧气流量10～20L/min，氧气压力0.10～0.30MPa，乙炔流量10～20L/min，乙炔压力0.05～0.15MPa，送粉气流量4～7L/min，送粉气压力0.4～0.6MPa，送粉速率25.0～35.0g/min，喷涂距离200～280mm。
本发明的设计思想是：
封严涂层对综合性能要求很高，必须兼有诸如结合强度高、易磨耗、耐高温、抗氧化、磨削相容性等。其中，封严涂层的可磨耗性与结合强度是相互矛盾的。可磨耗性提高，涂层孔隙率增加，硬度降低，结合强度下降，工作时易出现“掉块”现象；相反，涂层强度提高，孔隙率降低，硬度提高，可磨耗性下降，工作时叶片磨损严重。所以，该材料采用多组元复合设计，面层中BN和SiO2作为润滑相可提高涂层的可磨削性，NiCrAlFe金属相可提高涂层的结合强度，同时通过调节面层的制备工艺参数优化涂层的结构组织，尤其是孔隙率和各相的含量与分布，使涂层具有优异的综合性能。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明制备的封严涂层具有优异的组织结构和涂层性能，涂层非金属相含量40～50％，硬度HR15y为55～65，结合强度≥3.0MPa。
2、封严涂层对涂层的综合性能具有很高的要求，其中可磨耗性与结合强度是相互矛盾的。可磨耗性提高，涂层非金属相含量增加，硬度降低，会导致涂层结合强度下降，工作时易出现“掉块”现象；相反，涂层结合强度提高，非金属相含量降低，硬度提高，会导致可磨耗性下降，工作时叶片磨损严重。采用本发明制备的封严涂层达到综合性能的良好匹配。
3、本发明制备的封严涂层可用于汽轮机的气路封严，对提高汽轮机机组热效率，促进产品升级，具有重要意义。
附图说明
图1为实施例1的涂层进行组织形貌。
图2为实施例2的涂层进行组织形貌。
图3为实施例3的涂层进行组织形貌。
图4为实施例4的涂层进行组织形貌。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明的高性能封严涂层为双层结构，由粘结底层和工作面层组成。其中，粘结底层的成分为Ni基合金涂层，喷涂粉末的各组分质量分数见表1。工作面层为复合材料涂层，所述的涂层由NiCrAlFe、SiO2和BN成分组成，喷涂粉末的各组分质量分数见表2。
表1 NiCrAlY合金粉末成分(wt％)
成分 Cr Al Y
重量％ 20～25 8～12 0.8～1.2
表2 NiCrFeAl-BN·SiO2粉末成分(wt％)
成分 Ni Cr Fe Al BN SiO<sub>2</sub> 其它有机物
重量％ ≥57.5 10.0～16.0 6.0～10.0 2.0～5.0 4.0～6.0 0.5～3.0 ≤3.5
上述高性能封严涂层的制备方法如下，首先采用大气等离子喷涂工艺制备Ni基合金涂层，具体喷涂工艺参数见表3；然后采用火焰喷涂工艺在Ni基合金涂层表面制备工作面层，具体喷涂工艺参数见表4。
表3 等离子喷涂NiCrAlY底层参数
表4 火焰喷涂工作面层参数
所述高性能封严涂层粘结底层厚度为0.1～0.2mm，涂层总厚度为2.0～2.5mm，机加工后封严涂层的工作面层厚度为1.0～1.2mm。所述涂层非金属相含量为40～50％，硬度HR15y为55～65，结合强度≥3.0MPa。
本发明高性能封严涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：利用大气等离子喷涂技术制备Ni基合金涂层，具体工艺参数为电流450～550A，电压60～70V，送粉速率25.0～35.0g/min，送粉气流量3～8L/min，主气流量35～55L/min，主气压力60～80psi，次气流量4～10L/min，次气压力50～70psi，喷涂距离100～150mm。涂层粘结底层厚度为0.1～0.2mm。
步骤2：采用火焰喷涂技术在Ni基合金涂层表面制备工作面层，具体工艺参数为氧气流量10～20L/min，氧气压力0.10～0.30MPa，乙炔流量10～20L/min，乙炔压力0.05～0.15MPa，送粉气流量4～7L/min，送粉气压力0.4～0.6MPa，送粉速率25.0～35.0g/min，喷涂距离200～280mm。涂层总厚度为2.0～2.5mm。
步骤3：采用车床加工由步骤2制备的封严涂层，加工后封严涂层的工作面层厚度为1.0～1.2mm。
步骤4：对步骤2所制备的封严涂层，采用金相分析系统对涂层进行组织形貌观察，分析涂层孔隙率。
步骤5：对步骤3所制备的封严涂层，采用粘结拉伸法进行结合强度的测度。
步骤6：对步骤3所制备的封严涂层，采用表面洛氏硬度计进行硬度HR15y的测度。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1：
本实施例中，高性能封严涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：利用大气等离子喷涂技术在隔板套表面制备Ni基合金涂层，具体工艺参数为电流450A，电压60V，送粉速率25g/min，送粉气流量3L/min，主气流量35L/min，主气压力60psi，次气流量4L/min，次气压力50psi，喷涂距离100mm。
步骤2：采用火焰喷涂技术在Ni基合金涂层表面制备工作面层，具体工艺参数为氧气流量10L/min，氧气压力0.10MPa，乙炔流量10L/min，乙炔压力0.05MPa，送粉气流量4L/min，送粉气压力0.40MPa，送粉速率25g/min，喷涂距离200mm。
步骤3：步骤2所得的封严涂层中，粘结底层(Ni基合金涂层)厚度为0.15mm，工作面层厚度为2.5mm。
步骤4：采用车床加工由步骤2制备的封严涂层，加工后封严涂层的工作面层厚度为1.0mm。
步骤5：如图1所示，采用金相分析系统对由步骤2所获得的涂层进行组织形貌观察，对涂层的孔隙率进行测定，涂层的非金属相为48.74％。
步骤6：采用粘结拉伸法对由步骤4所获得的涂层进行结合强度的测度，涂层的平均结合强度为3.25MPa。
步骤7：采用表面洛氏硬度计对由步骤4所获得的涂层进行硬度HR15y的测度，平均硬度HR15y为55.8。
实施例2：
本实施例中，高性能封严涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：利用大气等离子喷涂技术在隔板套表面制备Ni基合金涂层，具体工艺参数为电流480A，电压64V，送粉速率28g/min，送粉气流量5L/min，主气流量45L/min，主气压力70psi，次气流量6L/min，次气压力60psi，喷涂距离120mm。
步骤2：采用火焰喷涂技术在Ni基合金涂层表面制备工作面层，具体工艺参数为氧气流量14L/min，氧气压力0.18MPa，乙炔流量14L/min，乙炔压力0.08MPa，送粉气流量5L/min，送粉气压力0.45MPa，送粉速率28g/min，喷涂距离240mm。
步骤3：步骤2所得的封严涂层中，粘结底层(Ni基合金涂层)厚度为0.13mm，工作面层厚度为2.4mm。
步骤4：采用车床加工由步骤2制备的封严涂层，加工后封严涂层的工作面层厚度为1.1mm。
步骤5：如图2所示，采用金相分析系统对由步骤2所获得的涂层进行组织形貌观察，对涂层的孔隙率进行测定，涂层的非金属相为46.39％。
步骤6：采用粘结拉伸法对由步骤4所获得的涂层进行结合强度的测度，涂层的平均结合强度为4.62MPa。
步骤7：采用表面洛氏硬度计对由步骤4所获得的涂层进行硬度HR15y的测度，平均硬度HR15y为57.9。
实施例3：
本实施例中，高性能封严涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：利用大气等离子喷涂技术在隔板套表面制备Ni基合金涂层，具体工艺参数为电流520A，电压68V，送粉速率32g/min，送粉气流量7L/min，主气流量50L/min，主气压力75psi，次气流量8L/min，次气压力65psi，喷涂距离130mm。
步骤2：采用火焰喷涂技术在Ni基合金涂层表面制备工作面层，具体工艺参数为氧气流量18L/min，氧气压力0.25MPa，乙炔流量18L/min，乙炔压力0.12MPa，送粉气流量6L/min，送粉气压力0.55MPa，送粉速率32g/min，喷涂距离260mm。
步骤3：步骤2所得的封严涂层中，粘结底层(Ni基合金涂层)厚度为0.12mm，工作面层厚度为2.3mm。
步骤4：采用车床加工由步骤2制备的封严涂层，加工后封严涂层的工作面层厚度为1.1mm。
步骤5：如图3所示，采用金相分析系统对由步骤2所获得的涂层进行组织形貌观察，对涂层的孔隙率进行测定，涂层的非金属相为44.97％。
步骤6：采用粘结拉伸法对由步骤4所获得的涂层进行结合强度的测度，涂层的平均结合强度为6.21MPa。
步骤7：采用表面洛氏硬度计对由步骤4所获得的涂层进行硬度HR15y的测度，平均硬度HR15y为60.5。
实施例4：
本实施例中，高性能封严涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：利用大气等离子喷涂技术在隔板套表面制备Ni基合金涂层，具体工艺参数为电流550A，电压70V，送粉速率35g/min，送粉气流量8L/min，主气流量55L/min，主气压力80psi，次气流量10L/min，次气压力70psi，喷涂距离150mm。
步骤2：采用火焰喷涂技术在Ni基合金涂层表面制备工作面层，具体工艺参数为氧气流量20L/min，氧气压力0.30MPa，乙炔流量20L/min，乙炔压力0.15MPa，送粉气流量7L/min，送粉气压力0.60MPa，送粉速率35g/min，喷涂距离280mm。
步骤3：步骤2所得的封严涂层中，粘结底层(Ni基合金涂层)厚度为0.11mm，工作面层厚度为2.2mm。
步骤4：采用车床加工由步骤2制备的封严涂层，加工后封严涂层的工作面层厚度为1.2mm。
步骤5：如图4所示，采用金相分析系统对由步骤2所获得的涂层进行组织形貌观察，对涂层的孔隙率进行测定，涂层的非金属相为42.08％。
步骤6：采用粘结拉伸法对由步骤4所获得的涂层进行结合强度的测度，涂层的平均结合强度为7.91MPa。
步骤7：采用表面洛氏硬度计对由步骤4所获得的涂层进行硬度HR15y的测度，平均硬度HR15y为62.8。
实施例结果表明，本发明涂层非金属相含量为40～50％，硬度HR15y为55～65，结合强度≥3.0MPa。该种高性能封严涂层可有效减小运转间隙，提高机组热效率。

Claims (4)

1.一种高性能封严涂层，其特征在于，该高性能封严涂层为双层结构，由粘结底层和工作面层组成；其中，粘结底层的成分为Ni基合金涂层，各组分质量分数为：Cr:20～25wt％，Al:8～12wt％，Y:0.8～1.2wt％，Ni:余量；工作面层为复合材料涂层，由NiCrAlFe合金、SiO2和BN成分组成，各组分质量分数为：Ni:≥57.5wt％，Cr:10～16wt％，Fe:6～10wt％，Al:2～5wt％，BN:4～6wt％，SiO2:0.5～3wt％，其它有机物≤3.5wt％。
2.如权利要求1所述的高性能封严涂层，其特征在于，粘结底层厚度为0.1～0.2mm，涂层总厚度为2.0～2.5mm，机加工后封严涂层的工作面层厚度为1.0～1.2mm。
3.如权利要求1所述的高性能封严涂层，其特征在于，涂层非金属相含量为40～50％，硬度HR15y为55～65，结合强度≥3.0MPa。
4.一种权利要求1～3之一所述的高性能封严涂层的制备方法，其特征在于，包括如下过程：
(1)利用大气等离子喷涂技术制备Ni基合金涂层，具体工艺参数为电流450～550A，电压60～70V，送粉速率25.0～35.0g/min，送粉气流量3～8L/min，主气流量35～55L/min，主气压力60～80psi，次气流量4～10L/min，次气压力50～70psi，喷涂距离100～150mm；
(2)采用火焰喷涂技术在Ni基合金涂层表面制备工作面层，具体工艺参数为氧气流量10～20L/min，氧气压力0.10～0.30MPa，乙炔流量10～20L/min，乙炔压力0.05～0.15MPa，送粉气流量4～7L/min，送粉气压力0.4～0.6MPa，送粉速率25.0～35.0g/min，喷涂距离200～280mm。
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