CN109554657B - 一种组织渐变防钛火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防钛火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可磨耗封严混合面层。该封严涂层采用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涂层，结合等离子喷涂工艺，将两种膨胀系数不同的涂层制备成组织渐变结构涂层，有利于降低异种涂层间的应力，结合强度优异，该组织渐变防钛火可磨耗封严涂层热膨胀系数匹配性良好，兼具防钛火和可磨耗封严作用。

Description

一种组织渐变防钛火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，具体涉及一种组织渐变防钛火可磨耗封严涂层及其制备方法。
背景技术：
高性能航空发动机高压压气机机匣一般采用钛合金材质，在运转过程中钛合金机匣与转子叶片碰磨起火，俗称“钛火”，因此使用钛合金作为发动机机匣需要采取一定的防“钛火”措施，才能保证发动机安全运转。
减小航空发动机压气机机匣与转子叶片之间的间隙是提高发动机工作效率的必要措施，在压气机机匣表面喷涂可磨耗封严涂层，使转子叶片与之相对的钛合金机匣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，提供一种组织渐变防钛火可磨耗封严涂层及其制备方法，针对航空发动机钛合金机匣，进行组织渐变防钛火可磨耗封严涂层的结构设计、成分设计、制备工艺研究，研制出与钛合金机匣相匹配的组织渐变防钛火可磨耗封严涂层的方法，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。该方法具有较高的稳定性，能够满足450℃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、与钛合金材料基体有良好的匹配性及防钛火性能，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：
一种组织渐变防钛火可磨耗封严涂层，包括NiCrAlY底层以及氧化钇稳定氧化锆和可磨耗封严混合面层，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可磨耗封严粉末混合面层厚度为1.5-2.0mm。
所述的可磨耗封严粉末为铝硅/聚苯酯粉末或铝硅/氮化硼粉末。
所述的组织渐变防钛火可磨耗封严涂层硬度为55-65HR15Y。
所述的组织渐变防钛火可磨耗封严涂层在450℃进行加水冷淬火循环实验，反复进行50次，不会出现裂纹和掉块等缺陷。
所述的组织渐变防钛火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)零件除油除污、干吹砂，完成预处理；
(2)等离子喷涂NiCrAlY粉末，喷涂厚度为0.10-0.20mm，形成NiCrAlY底层，其中，所述的等离子喷涂参数为：电流600-650A，氩气流量为110-120scfh，氢气流量为6-8scfh，喷涂距离为115-125mm，喷涂角度为75-90°，表面速率为400-600mm/s；
步骤2，防钛火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可磨耗封严粉末，喷涂厚度为1.5-2.0mm，形成混合面层，其中，所述的等离子喷涂参数为：等离子喷涂，参数为：电流600-650A，氩气流量为95-105scfh，氢气流量为6-8scfh，喷涂距离为110-120mm，喷涂角度为75-90°，表面速率为400-500mm/s；
(2)喷涂结束后，对试样或零件进行清理，制得组织渐变防钛火可磨耗封严涂层。
所述的步骤1(1)中，预处理具体过称为：喷涂涂层前，需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，完成预处理。
所述的步骤1(2)中，NiCrAlY粉末中各成分及质量百分比为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)中，NiCrAlY粉末粒度范围：-120目/+325目。
所述的步骤2(1)中，氧化钇稳定氧化锆粉末中包括成分及质量百分比为Y2O3：6.0～10.0％，余量为ZrO2。
所述的步骤2中(1)，氧化钇稳定氧化锆粉末粒度范围：-140目/+325目。
所述的步骤2中(1)，可磨耗封严粉末为铝硅/氮化硼粉末，所述的铝硅/氮化硼粉末中包括成分及质量百分比为BN：18～24％，Si：8～12％，余量为Al。
所述的步骤2(1)中，可磨耗封严粉末粒度范围：-45目/+325目。
所述的步骤2(1)中，混合面层的制备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，可磨耗封严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可磨耗封严粉末的送粉速率，每喷涂0.30-0.40mm的厚度，就同时改变2种粉末的送粉速率配比，铝硅/氮化硼粉末依次按照0g/min、10g/min、20g/min、30g/min、40g/min的顺序设置送粉速率；相应地，氧化钇稳定氧化锆粉末按照20g/min、10g/min、5g/min、0g/min、0g/min的顺序设置送粉速率，并保证二者同时送粉完毕。
所述的步骤2(1)中，通过不断调节两种粉末的送粉速率，实现涂层组织结构的渐变，最终将具备可磨耗封严作用的铝硅/氮化硼粉末粉末和具备隔热作用氧化钇稳定氧化锆粉末同时喷涂，制备出的兼具可磨耗封严用和隔热防钛火作用的复合涂层，并保证了两种涂层的匹配性。
本发明的有益效果：
(1)本发明的一种组织渐变防钛火可磨耗封严涂层及其制备方法，可实现陶瓷隔热涂层和可磨耗封严涂层的同时制备，将两种物理性质不同的涂层制备成组织渐变结构涂层；制备出的涂层兼具防钛火和可磨耗封严作用，并且保证两种涂层的匹配性，涂层硬度范围HR15Y55-65，有效防止对磨叶片的损伤；且涂层的抗热冲击性能得到有效提高，涂层在450℃进行加水冷淬火循环实验，反复进行50次不会出现裂纹和掉块等缺陷，
(2)本发明制备的防钛火可磨耗封严涂层，在发动机使用过程中能够有效保护转子叶片的叶尖，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。此外该涂层对钛合金材料基体形成有效的防护，避免了基体高温摩擦产生钛火，保证了发动机零部件的质量可靠性并延长了使用寿命。
(3)本发明的组织渐变防钛火可磨耗封严涂层工艺流程简单、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压气机钛合金机匣表面，具有非常广阔的市场前景。
(4)经研究和生产应用情况表明，等离子喷涂防钛火可磨耗封严涂层可以将某机压气机工作效率，使转子叶片与之相对的钛合金机匣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风扇和压气机的工作效率，如果压气机径向间隙增加0.076mm，单位耗油率约增大1％。此外压气机运转间隙过大，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制备的组织渐变防钛火可磨耗封严涂层中各层的金相图，其中，图(a)为NiCrAlY底层金相图，图(b)为氧化钇稳定氧化锆和铝硅/氮化硼混合面层金相图。
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。
铝硅/氮化硼粉末中包括成分及质量百分比为BN：20％，Si：10％，余量为Al，粒度范围：-45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
一种组织渐变防钛火可磨耗封严涂层，包括NiCrAlY底层以及氧化钇稳定氧化锆和铝硅/氮化硼混合面层，所述的NiCrAlY底层厚度为0.15mm，所述的氧化钇稳定氧化锆和铝硅/氮化硼混合面层厚度为1.5mm。
所述的组织渐变防钛火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粉末涂层，具体参数为：Prxair-SG100型号等离子喷枪，电流600A，氩气流量为95scfh，氢气流量为6scfh，喷涂距离为110mm，喷涂角度为90°，表面速率为400mm/s，制得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：组织渐变防钛火可磨耗涂层制备：
(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铝硅/氮化硼粉末，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600A，氩气流量为95scfh，氢气流量为6scfh，喷涂距离为110mm，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，铝硅/氮化硼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0.30～0.35mm的厚度，就同时改变2种粉末的送粉速率配比，铝硅/氮化硼粉末依次按照0g/min、10g/min、20g/min、30g/min、40g/min的顺序设置送粉速率；相应地，氧化钇稳定氧化锆粉末按照20g/min、10g/min、5g/min、0g/min、0g/min的顺序设置送粉速率，制得氧化钇稳定氧化锆和铝硅/氮化硼混合面层，该面层厚度为1.5mm，该面层的金相图如图1(b)所示；
(3)喷涂结束后，制得组织渐变防钛火可磨耗封严涂层，硬度为HR15Y 55-60，去除非喷涂区域的保护工装。
实施例2
一种组织渐变防钛火可磨耗封严涂层，包括NiCrAlY底层以及氧化钇稳定氧化锆和铝硅/氮化硼混合面层，所述的NiCrAlY底层厚度为0.20mm，所述的氧化钇稳定氧化锆和铝硅/氮化硼混合面层厚度为2.0mm。
所述的组织渐变防钛火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，具体参数为：Prxair-SG100型号等离子喷枪，电流650A，氩气流量为100scfh，氢气流量为7scfh，喷涂距离为120mm，喷涂角度为90°，表面速率为400mm/s，制得NiCrAlY底层，厚度为0.20mm；
步骤2：组织渐变防钛火可磨耗涂层制备：
(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铝硅/氮化硼粉末，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650A，氩气流量为100scfh，氢气流量为7scfh，喷涂距离为120mm，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，铝硅/氮化硼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0.30～0.35mm的厚度，就同时改变2种粉末的送粉速率配比，铝硅/氮化硼粉末依次按照0g/min、10g/min、20g/min、30g/min、40g/min的顺序设置送粉速率；相应地，氧化钇稳定氧化锆粉末按照20g/min、10g/min、5g/min、0g/min、0g/min的顺序设置送粉速率，涂层总厚度为2.0mm；
(3)喷涂结束后，制得组织渐变防钛火可磨耗封严涂层，硬度为HR15Y 60-65，去除非喷涂区域的保护工装。

Claims (5)

1.一种组织渐变防钛火可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，所述的封严涂层包括NiCrAlY底层以及氧化钇稳定氧化锆和可磨耗封严粉末混合面层，所述的NiCrAlY底层厚度为0.20mm，所述的氧化钇稳定氧化锆和可磨耗封严粉末混合面层厚度为2.0mm；
所述的方法包括以下步骤：
步骤1，NiCrAlY底层制备：
(1)零件除油除污、干吹砂，完成预处理；
(2)等离子喷涂NiCrAlY粉末，喷涂厚度为0.20mm，形成NiCrAlY底层，其中，所述的等离子喷涂参数为：电流650A，氩气流量为100scfh，氢气流量为7scfh，喷涂距离为120mm，喷涂角度为90°，表面速率为400mm/s；
步骤2，防钛火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可磨耗封严粉末，喷涂厚度为2.0mm，形成混合面层，其中，所述的等离子喷涂参数为：电流650A，氩气流量为100scfh，氢气流量为7scfh，喷涂距离为120mm，喷涂角度为90°，表面速率为400mm/s；所述的可磨耗封严粉末为铝硅/氮化硼粉末，所述的铝硅/氮化硼粉末中包括成分及质量百分比为 BN：18~24%，Si：8~12%，余量为Al，可磨耗封严粉末粒度范围：-45目/+325目；所述的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，可磨耗封严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，并通过不断调节氧化钇稳定氧化锆粉末和可磨耗封严粉末的送粉速率，每喷涂0.30-0.35mm的厚度，就同时改变2种粉末的送粉速率配比，铝硅/氮化硼粉末依次按照0g/min、10g/min、20g/min、30g/min、40g/min的顺序设置送粉速率；相应地，氧化钇稳定氧化锆粉末按照20g/min、10g/min、5g/min、0g/min、0g/min的顺序设置送粉速率，并保证二者同时送粉完毕；
(2)喷涂结束后，对试样或零件进行清理，制得组织渐变防钛火可磨耗封严涂层，所述的封严涂层硬度为HR15Y60-65。
2.根据权利要求1所述的组织渐变防钛火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粉末中各成分及质量百分比为 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，NiCrAlY粉末粒度范围：-120目/+325目。
3.根据权利要求1所述的组织渐变防钛火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包括成分及质量百分比为Y2O3：6.0~10.0%，余量为ZrO2。
4.根据权利要求1所述的组织渐变防钛火可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中(1)，氧化钇稳定氧化锆粉末粒度范围：-140目/+325目。
5.根据权利要求1所述的组织渐变防钛火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，混合面层的制备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。
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