CN109402550A - 一种组织渐变高温可磨耗封严涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种组织渐变高温可磨耗封严涂层及其制备方法，属于航空发动机技术领域，涂层包括相应厚度的NiCrAlY底层以及氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY混合面层。制备方法采用等离子喷涂工艺，结合具有内外双送粉结构等离子喷枪和送粉速率可调节的送粉装置，制备了涂层底层为金属粘接层、面层为由氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末制备成的组织渐变的高温可磨耗封严涂层。将物理性质不同的粉末制备成组织渐变结构涂层，利于降低异种涂层间的应力，兼具良好的力学性能和高温可磨耗封严作用。该涂层体系中氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY组成组织渐变结构，热膨胀系数匹配性良好，结合强度及抗热冲击性优异。

Description

一种组织渐变高温可磨耗封严涂层及其制备方法
技术领域：
本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及使用在航空发动高压涡轮外环上的一种组织渐变高温可磨耗封严涂层及其制备方法。
背景技术：
高性能航空发动机涡轮外环表面一般需要制备一层可磨耗封严涂层，从而减小航空发动机涡轮外环与涡轮转子叶片之间的间隙，这是提高发动机工作效率和推重比的重要措施。通过在高压涡轮外环表面喷涂可磨耗封严涂层，使转子叶片与之相对的涡轮外环在高速运行时以最低的风险来减少动静部件之间的间隙，可以有效提高航空发动机压气机的工作效率。
发明内容：
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种组织渐变高温可磨耗封严涂层及其制备方法，针对高性能航空发动机涡轮外环，进行组织渐变高温可磨耗封严涂层的结构设计、成分设计、制备工艺研究，研制出与航空发动机涡轮相匹配的组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，满足先进航空发动机的研制需求，具有较高生产效率和较低的制备成本。这种组织渐变高温可磨耗封严涂层，具有较高的稳定性，能够满足1200℃以下的工作温度需求，在转子叶片的叶尖和封严材料相互作用时，封严涂层本身被磨损和刮削，在叶片损伤程度最低的前提下，获得发动机实际工作状态相下的最小间隙。该涂层具有良好的结合强度、与基体材料有良好的匹配性，可实现在航空发动机中的长寿命和高可靠性应用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种组织渐变高温可磨耗封严涂层，包括NiCrAlY底层以及氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY混合面层，所述的NiCrAlY底层厚度为0.10-0.20mm，所述的氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY混合面层厚度为1.5-2.0mm。
所述的组织渐变高温可磨耗封严涂层的硬度为75-85HR15Y。
所述的组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，NiCrAlY底层制备：
(1)对零件进行除油除污、干吹砂，完成零件预处理；
所述的步骤1(1)中，零件预处理具体过程为：对零部进行除油除污处理，采用酒精浸洗；随后进行吹砂前保护与干吹砂，采用工装对零件非喷涂区域进行保护，完成零件预处理。
(2)对预处理后零件，采用超音速火焰喷涂NiCrAlY粉末，形成NiCrAlY底层，喷涂厚度为0.10-0.20mm，其中，所述的超音速喷涂参数为：氧气流量为1700-1800scfh，三号喷气燃料流量为7-8scfh，送粉速率为60-70g/min，喷涂距离为350-400mm，喷涂角度为75°-90°，，表面速率为600-800mm/s；
步骤2，组织渐变高温可磨耗封严涂层制备：
(1)在NiCrAlY底层表面，采用等离子喷涂方法，喷涂氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末，形成混合面层，喷涂厚度为涂层总厚度为1.5-2.0mm，其中，所述的等离子喷涂参数为：电流690-710A，氩气流量为95-105scfh，氢气流量为6-8scfh，喷涂距离为95-105mm，喷涂角度为75-90°，表面速率为400-450mm/s；
(2)喷涂结束后，对试样或零件进行清理，制得组织渐变高温可磨耗封严涂层。
所述的步骤1(2)和2(1)中，NiCrAlY粉末包括组分及质量百分比为Cr：20.0～23.0％，Al：10.0～13.0％，Y：0.8～1.2％，余量为Ni及不可避免杂质。
所述的步骤1(2)和2(1)中，NiCrAlY粉末粒度范围为：-140目/+270目。
所述的步骤2(1)中，氧化钇稳定氧化锆粉末中各组分及质量百分比为Y2O3：6.0～10.0％，余量为ZrO2。
所述的步骤2(1)中，氧化钇稳定氧化锆粉末粒度为：-140目/+325目。
所述的步骤2(1)中，混合面层采用具有内外双送粉结构的等离子喷枪和送粉速率可调节的送粉装置制备而成。
所述的步骤2(1)中，氧化钇稳定氧化锆粉末通过内送粉的方式进入等离子焰流心部，NiCrAlY粉末通过外送粉的方式进入焰流外部，从而使两种粉末同时进入等离子焰流中，实现两种粉末的同步喷涂；
所述的步骤2(1)中，通过不断调节氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末的送粉速率，每喷涂0.10-0.20mm的厚度，就同时改变两种粉末的送粉速率配比，氧化钇稳定氧化锆粉末的送粉速率依次按照0g/min、5g/min、10g/min、15g/min、20g/min、25g/min、30g/min、35g/min、40g/min的顺序提高；相应地，NiCrAlY粉末的送粉速率按照40g/min、35g/min、30g/min、25g/min、20g/min、15g/min、10g/min、5g/min、0g/min的顺序依次降低，并保证二者同时送粉完毕。
所述的步骤2(1)中，通过不断调节氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末的送粉速率，实现涂层组织结构的渐变，最终将具备抗高温氧化能力的NiCrAlY粉末和具备热障作用氧化钇稳定氧化锆粉末同时喷涂，制备出的高温可磨耗封严涂层兼具高温氧化涂层作用和热障涂层作用，并且保证两种涂层的匹配性。
本发明的有益效果：
(1)本发明制备的高温可磨耗封严涂层，兼具高温氧化涂层作用和热障涂层的作用，并且保证两种涂层的匹配性，且涂层的硬度降至75-85HR15Y，有效降低了高温可磨耗封严图层对涡轮叶片的磨损，具有较好的可磨耗性能。
(2)本发明制备的组织渐变高温可磨耗封严涂层，在发动机使用过程中能够有效保护涡轮转子叶片的叶尖，将叶片损伤程度降到最低，并获得发动机实际工作状态下的最小间隙，提升发动机的推力，并降低燃油消耗，保证了发动机零部件的质量可靠性并延长了使用寿命。
(3)本发明的组织渐变高温可磨耗封严涂层制备工艺流程简单、质量可靠、生产效率高、适合批量生产，可以广泛用于军用和民用航空发动机涡轮外环或者外环机匣的气路封严，具有非常广阔的市场前景。
(4)经研究和生产应用情况表明，本发明的组织渐变高温可磨耗封严涂层可以提高航空发动机的工作效率，使转子叶片与之相对的涡轮外环在高速运行时以最低的风险来减少动静部件之间的间隙。封严涂层可以有效提高发动机的工作效率，此外转子和静子运转间隙过大，其气动性能可能在发动机加速时遭到破坏而引起喘振。因而可磨耗封严涂层性能可以直接影响发动机的整体效率，具有较高的经济效益。
附图说明：
图1为实施例1制备的组织渐变高温可磨耗封严涂层混合面层的金相图，其中，图(a)为氧化钇稳定氧化锆(送粉速率5g/min)和NiCrAlY(送粉速率35g/min)混合面层金相图，图(b)为氧化钇稳定氧化锆(送粉速率35g/min)和NiCrAlY(送粉速率5g/min)混合面层金相图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中：
NiCrAlY粉末包括组分及质量百分比为Cr：22.0％，Al：11.0％，Y：1.0％，余量为Ni及不可避免杂质，粒度范围为：-140目/+270目；
氧化钇稳定氧化锆粉末中各组分及质量百分比为Y2O3：8.0％，余量为ZrO2，粒度为：-140目/+325目。
采用的等离子喷枪型号为Prxair-SG100；送粉器型号为Prxair-1264。
实施例1
一种组织渐变高温可磨耗封严涂层，包括NiCrAlY底层以及氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY混合面层，所述的NiCrAlY底层厚度为0.15mm，所述的氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY混合面层厚度为1.5mm。
该组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：NiCrAlY底层制备：
(1)对零部进行除油除污处理，采用酒精擦拭零件喷涂区域，去除油污和杂物；
(2)对零件不需要喷涂的部位进行保护，采用金属工装遮蔽的方式进行保护；
(3)对零件需要喷涂区域进行等离子喷涂涂层，氧气流量为1700scfh，三号喷气燃料流量为7scfh，送粉速率为60g/min，喷涂距离为350mm，喷涂角度为90°，表面速率为600mm/s，制备的NiCrAlY底层厚度为0.15mm，该NiCrAlY底层的金相图如图1(a)所示；
步骤2：组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备：
(1)在NiCrAlY底层表面，采用等离子喷枪，型号为Prxair-SG100，进行等离子喷涂氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末，送粉器型号为Prxair-1264，等离子喷涂的主要参数为：Prxair-SG100型号等离子喷枪，Prxair-1264型号送粉器，电流690A，氩气流量95scfh，氢气流量6scfh，喷涂距离为95mm，喷涂角度为90°，表面速率为400mm/s，
(2)在喷涂过程中，氧化钇稳定氧化锆粉末通过内送粉的方式进入等离子焰流心部，NiCrAlY粉末通过外送粉的方式进入焰流外部，上述两种粉末同时进入等离子焰流中，每喷涂0.15mm的厚度，就同时改变两种粉末的送粉速率配比，氧化钇稳定氧化锆粉末的送粉速率依次按照0g/min、5g/min、10g/min、15g/min、20g/min、25g/min、30g/min、35g/min、40g/min的顺序提高；相应地，NiCrAlY粉末的送粉速率按照40g/min、35g/min、30g/min、25g/min、20g/min、15g/min、10g/min、5g/min、0g/min的顺序依次降低，制得氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY混合面层，厚度为1.5mm，硬度为75HR15Y，喷涂过程中，氧化钇稳定氧化锆(送粉速率5g/min)和NiCrAlY(送粉速率35g/min)时，形成的混合面层金相图如图1(a)所示，氧化钇稳定氧化锆(送粉速率35g/min)和NiCrAlY(送粉速率5g/min)时，形成的混合面层金相图如图1(b)所示；
(3)喷涂结束后，清理试样，制得组织渐变高温可磨耗封严涂层，去除非喷涂区域的保护工装。
实施例2
一种组织渐变高温可磨耗封严涂层，包括NiCrAlY底层以及氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY混合面层，所述的NiCrAlY底层厚度为0.20mm，所述的氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY混合面层厚度为2.0mm。
该组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：NiCrAlY底层制备：
(1)对零部进行除油除污处理，采用酒精擦拭零件喷涂区域，去除油污和杂物；
(2)对零件不需要喷涂的部位进行保护，采用金属工装遮蔽的方式进行保护；
(3)对零件需要喷涂区域进行等离子喷涂NiCrAlY粉末，具体参数为：氧气流量为1800scfh，三号喷气燃料流量为8scfh，送粉速率为70g/min，喷涂距离为400mm，喷涂角度为90°，表面速率为80mm/s，制得NiCrAlY底层，厚度为0.20mm；
步骤2：组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备：
(1)在NiCrAlY底层表面，采用等离子喷涂的方法，喷涂氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末，等离子喷涂的主要参数为：Prxair-SG100型号等离子喷枪，Prxair-1264型号送粉器，电流700A，氩气流量为100scfh，氢气流量为7scfh，喷涂距离为100mm，喷涂角度为90°，表面速率为400mm/s；
(2)在喷涂过程中，氧化钇稳定氧化锆粉末通过内送粉的方式，进入等离子焰流心部，NiCrAlY粉末通过外送粉的方式进入焰流外部，上述两种粉末同时进入等离子焰流中，每喷涂0.20mm的厚度，就同时改变两种粉末的送粉速率配比，氧化钇稳定氧化锆粉末的送粉速率依次按照0g/min、5g/min、10g/min、15g/min、20g/min、25g/min、30g/min、35g/min、40g/min的顺序提高，相应地，NiCrAlY粉末的送粉速率按照40g/min、35g/min、30g/min、25g/min、20g/min、15g/min、10g/min、5g/min、0g/min的顺序依次降低，制得氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY混合面层，厚度为2.0mm，硬度为80HR15Y；
(3)喷涂结束后，制得组织渐变高温可磨耗封严涂层，去除非喷涂区域的保护工装。

Claims (10)

1.一种组织渐变高温可磨耗封严涂层，其特征在于，包括NiCrAlY底层以及氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY混合面层，所述的NiCrAlY底层厚度为0.10-0.20mm，所述的氧化钇稳定氧化锆和NiCrAlY混合面层厚度为1.5-2.0mm。
2.根据权利要求1所述的一种组织渐变高温可磨耗封严涂层，其特征在于，所述的组织渐变高温可磨耗封严涂层的硬度为75-85 HR15Y。
3.权利要求1所述的组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，NiCrAlY底层制备：
(1)对零件进行除油除污、干吹砂，完成零件预处理；
(2)对预处理后零件，采用超音速火焰喷涂NiCrAlY粉末，形成NiCrAlY底层，喷涂厚度为0.10-0.20mm，其中，所述的超音速喷涂参数为：氧气流量为1700-1800scfh，三号喷气燃料流量为7-8scfh，送粉速率为60-70g/min，喷涂距离为350-400mm，喷涂角度为75°-90°，，表面速率为600-800mm/s；
步骤2，组织渐变高温可磨耗封严涂层制备：
(1)在NiCrAlY底层表面，采用等离子喷涂方法，喷涂氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末，形成混合面层，喷涂厚度为涂层总厚度为1.5-2.0mm，其中，所述的等离子喷涂参数为：电流690-710A，氩气流量为95-105scfh，氢气流量为6-8scfh，喷涂距离为95-105mm，喷涂角度为75-90°，表面速率为400-450mm/s；
(2)喷涂结束后，对试样或零件进行清理，制得组织渐变高温可磨耗封严涂层。
4.根据权利要求3所述的组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1(2)中，NiCrAlY粉末包括组分及质量百分比为Cr：20.0～23.0％，Al：10.0～13.0％，Y：0.8～1.2％，余量为Ni及不可避免杂质。
5.根据权利要求3所述的组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤1(2)中，NiCrAlY粉末粒度范围为：-140目/+270目。
6.根据权利要求3所述的组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，氧化钇稳定氧化锆粉末中各组分及质量百分比为Y2O3：6.0～10.0％，余量为ZrO2。
7.根据权利要求3所述的组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，氧化钇稳定氧化锆粉末粒度为：-140目/+325目。
8.根据权利要求3所述的组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，混合面层采用具有内外双送粉结构的等离子喷枪和送粉速率可调节的送粉装置制备而成。
9.根据权利要求3所述的组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，氧化钇稳定氧化锆粉末通过内送粉的方式进入等离子焰流心部，NiCrAlY粉末通过外送粉的方式进入焰流外部，使两种粉末同时进入等离子焰流中，实现两种粉末的同步喷涂。
10.根据权利要求3所述的组织渐变高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，通过不断调节氧化钇稳定氧化锆粉末和NiCrAlY粉末的送粉速率，每喷涂0.10-0.20mm的厚度，即同时改变两种粉末的送粉速率配比，氧化钇稳定氧化锆粉末的送粉速率依次按照0g/min、5g/min、10g/min、15g/min、20g/min、25g/min、30g/min、35g/min、40g/min的顺序提高；相应地，NiCrAlY粉末的送粉速率按照40g/min、35g/min、30g/min、25g/min、20g/min、15g/min、10g/min、5g/min、0g/min的顺序依次降低。
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