CN110318907A - 转子发动机端盖结构、喷涂加工方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于转子发动机技术领域，涉及转子发动机端盖结构，包括端盖本体，端盖本体的内端面开设有至少一个首尾相接的环形喷涂槽，环形喷涂槽内喷涂有耐磨复合粉末；环形喷涂槽沿端盖本体周向设置；环形喷涂槽表面设有喷砂层；喷砂层表面喷涂有耐磨复合粉末；还涉及耐磨复合粉末的喷涂加工方法，喷涂加工方法包括：预处理部分，用清洗液将环形喷涂槽清洗干净；用乙炔火焰枪把环形喷涂槽表面清洗液及水分烧干；进行喷砂处理；喷涂部分：采用HVOF喷涂设备将金属陶瓷粉末喷涂于环形喷涂槽的表面，得金属陶瓷涂层。通过巧妙的结构设计，利用性能优越的耐磨复合粉末，提高转子发动机端盖的耐磨耐高温性能。

Description

转子发动机端盖结构、喷涂加工方法及应用
技术领域
本发明属于转子发动机技术领域，涉及转子发动机端盖结构，还涉及喷涂加工方法，以及HVOF喷涂WC-17Co在转子发动机中的应用。
背景技术
铸造铝合金广泛应用于航空结构件，由于其合金本身硬度与耐磨性不够理想，特别是在干摩擦及较高载荷的条件下，磨损形式以剥落为主，并伴随塑性变形，这将对其使用寿命造成很大影响。
现有的转子发动机端盖有一部分使用铝合金材料铸造而成，而在实际的应用过程当中，转子发动机端盖又会受到多种摩擦，包括上述所提到的干摩擦等摩擦形式，摩擦不仅造成端盖较大磨损，减少寿命，而且，摩擦会进一步导致转子发动机端盖发热，进而发生塑性变形，造成密封性能降低的后果。
WC-17Co金属陶瓷涂层因具有高硬度、低孔隙率及良好的耐磨性等特点，被广泛应用在航空、抗冲蚀磨损和磨粒磨损等工件表面强化和修复方面用耐磨材料。目前，制备WC-17Co涂层的热喷涂方法主要有火焰喷涂、等离子喷涂爆炸喷涂和超音速火焰喷涂(HVOF)等。HVOF喷涂具有火焰温度较低，粒子在焰流滞留时间短的特点，是制备金属陶瓷涂层良好可行的方法，特别适合喷涂碳化物金属陶瓷材料，从而获得高硬度、低孔隙率、与基体结合强度高耐磨性良好的WC-17Co涂层。
喷涂槽的设计与加工直接影响涂层与基体的结合强度，对涂层的使用至关重要。合理的喷涂槽设计，能最大程度发挥涂层的高温抗磨损性能，减小端盖端面的磨损，为发动机提供良好的密封性，是发动机长时间稳定运行的保障。
为了解决转子发动机端盖因磨损造成的上述问题，本发明提出了以下优越的技术方案。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种转子发动机端盖结构，不仅提高了转子发动机端盖的耐磨、耐热性能，而且进一步使得转子发动机的密封性能得以改善，同时还延长了转子发动机的使用寿命。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
包括端盖本体，所述端盖本体的内端面开设有至少一个首尾相接的环形喷涂槽，所述环形喷涂槽内喷涂有耐磨复合粉末，所述耐磨复合粉末是金属陶瓷粉末，所述金属陶瓷粉末为WC-17Co、NiCr-Cr3C2、Mo、AT20 和Mo+30％(NiCrBSi)中的一种或多种。
至少一个所述环形喷涂槽形状与转子端部转动轨迹相适应。
进一步优化的方案是，所述环形喷涂槽为一个，且环形喷涂槽开槽面覆盖整个端盖本体内端面。
或者是，所述环形喷涂槽为一个，且在端盖本体内端面上，环形喷涂槽呈8字型。
或者是，所述环形喷涂槽为两个，两个所述环形喷涂槽内外分布，内部的环形喷涂槽呈环形，外部的环形喷涂槽呈8字型。
本发明还包括，转子发动机端盖结构的喷涂加工方法，其包括以下步骤：
1)预处理部分：首先，用清洗液将环形喷涂槽清洗干净；其次，用乙炔火焰枪把环形喷涂槽表面清洗液及水分烧干，控制零件表面温度≤100℃；然后，进行喷砂打毛处理；
2)喷涂部分：采用HVOF喷涂设备将金属陶瓷粉末喷涂于环形喷涂槽的表面，即得到所述金属陶瓷涂层。
进一步的，所述环形喷涂槽的尺寸如下：环形喷涂槽底面与侧面成ω夹角，且有c圆弧过渡，槽深为d，其中，ω取值是120°～160°，c取值是 R0.5～R2，d取值是0.5mm～2mm。
进一步的，所述喷砂打毛处理采用金刚砂，其条件如下：喷嘴与所述环形喷涂槽的喷涂距离为150-180mm，喷砂强度为0.5～0.6mm，喷射方向为垂直于待喷涂面，覆盖率为环形喷涂槽内100％。
进一步的，所述HVOF喷涂的条件如下：氧气流量为50-70L/min，氧气压力1.2-1.5Mpa，煤油流量30-32L/min，送粉量为60-70g/min，送粉电压为 6V，喷涂距离为380-425mm，喷涂电流为500A，喷涂电压为65V.
本发明还包括，HVOF喷涂上述金属陶瓷粉末在转子发动机中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明突破了传统的技术改进方式，巧妙的在转子发动机端盖端面进行适宜的开槽，本方案中称为环形喷涂槽；并在开好的环形喷涂槽内喷涂性能优越的耐磨复合粉末，本发明节约成本，且处理简单，巧妙的利用了优越材料的性能。
2.本发明通过巧妙的结构加工设计，以及合理的利用性能优越的耐磨复合粉末，不但提高了转子发动机端盖的耐磨、耐高温性能，而且，使得转子发动机密封性能大大提高，延长了转子发动机的使用寿命。
3.由于本发明中，环形喷涂槽在喷涂前做了喷砂处理，使得环形喷涂槽与耐磨复合粉末的结合面积增大，结合强度增强，提高端盖耐磨性能，延长其使用寿命。
4.本发明采用HVOF喷涂WC-17Co等金属陶瓷粉末在转子发动机端盖开设的环形喷涂槽结构中，大大提高了转子发动机的耐磨、耐高温性能，延长其使用寿命。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明一种转子发动机端盖结构的第一类环形喷涂槽形状结构示意图；
图2是本发明一种转子发动机端盖结构的第二类环形喷涂槽形状结构示意图；
图3是本发明一种转子发动机端盖结构的第三类环形喷涂槽形状以及环形喷涂槽分布结构示意图；
图4是环形喷涂槽的局部尺寸放大图；
图5是金相法获取的耐磨复合粉末涂层组织形貌图。
图中：1-端盖本体；2-环形喷涂槽。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，结合附图及实例对本发明的具体实施方式、结构特点及其功效，详细说明如下：
WC-17Co、NiCr-Cr3C2、Mo、AT20和Mo+30％(NiCrBSi)等金属陶瓷涂层因具有高硬度、低孔隙率及良好的耐磨性等特点，被广泛应用在航空、抗冲蚀磨损和磨粒磨损等工件表面强化和修复方面用耐磨材料。目前，制备WC-17Co、NiCr-Cr3C2、Mo、AT20和Mo+30％(NiCrBSi)等涂层的热喷涂方法主要有火焰喷涂、等离子喷涂爆炸喷涂和超音速火焰喷涂(HVOF) 等。HVOF喷涂具有火焰温度较低，粒子在焰流滞留时间短的特点，是制备金属陶瓷涂层良好可行的方法，特别适合喷涂碳化物金属陶瓷材料，从而获得高硬度、低孔隙率、与基体结合强度高耐磨性良好的金属陶瓷涂层。
喷涂槽的设计与加工直接影响涂层与基体的结合强度，对涂层的使用至关重要。合理的喷涂槽设计，能最大程度发挥涂层的高温抗磨损性能，减小端盖本体1端面的磨损，为发动机提供良好的密封性，是发动机长时间稳定运行的保障。
首先，需要说明的是，本领域技术人员考虑到铝合金具有质轻等优点，一般使用铸造铝合金来形成转子发动机端盖产品，而转子发动机在实际运动过程中，其端盖本体1会受到转子以及其他密封件的磨损，磨损必然导致损耗，进一步导致发热，造成端盖本体1热变形，密封性能减弱，同时，使得端盖本体1或转子寿命降低。
基于这样的技术背景，本发明提出以下改进的技术方案。
具体是：
实施例1：
参见图1和图4，图1是本发明一种转子发动机端盖本体1结构的第一类环形喷涂槽2形状结构示意图。
图1中，首先，需要注意的是，为了减小所有可能的磨损，本实例具体在转子发动机端盖本体1内表面尽可能大面积的开设环形喷涂槽2，该环形喷涂槽2覆盖了转子发动机腔体内部转子及其密封件与端盖本体1端面可能接触的所有位置，极大的减小了转子及其密封件对端盖本体1的磨损；
其中，环形喷涂槽2的具体尺寸是：环形喷涂槽2底面与侧面成ω夹角，且有c圆弧过渡，槽深为d，此设计可增大涂层与基体的结合面积，减小窄小接触面处的应力集中，从而有效增大涂层和基体的结合强度。其中，ω可取值(120°,160°)，c可取值(R0.5,R2)，d可取值(0.5,2)mm。
环形喷涂槽表面经过喷砂打毛处理，再喷涂WC-17Co或者其它金属陶瓷涂层，需要说明的是：WC-17Co涂层喷涂后的表面超过端盖本体1表面，要有喷涂余量，然后，经打磨至与端盖本体1表面相平或者进一步打磨至其他要求。
本实施例还所提供了的金属陶瓷涂层的喷涂加工方法，包括如下步骤：
1)HVOF喷涂WC-17Co的试样见图1，按照图1或图纸要求进行精铣加工；
2)用清洗液(乙醇或丙酮)把待环形喷涂槽清洗干净，以便除去表面及内部舒松孔处的油污和切削液，吹干备用；
3)用乙炔火焰枪把表面清洗液及水分烧干，控制零件表面温度不超过 100℃；
4)给零件安装喷涂保护工装，进行喷丸处理，以增大待喷涂面的表面积，提高环形喷涂槽基体与涂层的结合强度；
喷丸的工艺参数为：喷嘴与所述环形喷涂槽的距离为150-180mm，喷砂强度为0.5～0.6mm，喷射方向为垂直于待喷涂面，覆盖率为环形喷涂槽内 100％；
5)采用HVOF工艺在铸铝合金表面制备WC-17Co金属陶瓷复合涂层：
具体过程是：将要喷涂的端盖安装在喷涂工作台上；
设置喷枪距环形喷涂槽表面间距，及其他喷涂工艺参数：
工作台转速为300r/min，喷枪移动速度为50-57mm/s，喷涂方向为垂直喷涂面，喷涂距离为为380-425mm，喷涂电流为500A，喷涂电压为65V。喷涂工艺参数为：氧气流量为50-70L/min，氧气压力1.2-1.5Mpa，煤油流量30-32L/min，送粉量为60-70g/min，送粉电压为6V；其中，采用的WC-17Co 粉末的粒径为40～50μm。
本实施例中WC-17Co涂层的加工，主要有以下几步：
1)研非喷涂面，去掉高点及毛刺；
2)以非喷涂面为基准，磨喷涂面至见光基材，进刀量0.03mm/刀；
3)以非喷涂面为基准，磨喷涂面见光后0.2mm，改进刀量为0.02/刀，至喷涂面余量0.1-0.15mm左右；
4)以非喷涂面为基准，磨喷涂面，改进刀量为先0.01mm/刀，磨至图纸尺寸。
分别选用HXD-1000TMC型显微硬度计和DHCG-400型图像分析仪对 AT20涂层、Mo+30％(NiCrBSi)涂层、WC-17Co涂层、Mo涂层和NiCr-Cr3C2 涂层进行显微硬度和孔隙率的测定，在涂层厚度均为0.5-0.6mm的情况下，试验结果分别如表1、表2所示；
表1涂层显微硬度试验结果对比
通过涂层显微硬度试验结果对比显示，通过HVOF喷涂的涂层硬度大于等离子喷涂的涂层硬度，WC-17Co涂层的试样硬度大于Mo涂层和 NiCr-Cr3C2涂层的硬度，均值达到960HV。
表2涂层孔隙率试验结果对比
按照GB/T8642-2002标准试验方法对喷涂三种不同涂层的试片进行抗拉结合强度的测定，测定结果如表3所示：
通过涂层孔隙率试验结果对比显示，通过HVOF喷涂的涂层孔隙率小于等离子喷涂的涂层硬度，通过HVOF喷涂WC-17Co涂层的试样孔隙率远小于其他涂层的孔隙率，均值达到0.65。
表3涂层结合强度试验结果对比
通过涂层结合强度试验结果对比显示，通过HVOF喷涂WC-17Co涂层的试样结合强度远大于通过等离子喷涂AT20涂层、Mo涂层和通过HVOF 喷涂NiCrBSi、NiCr-Cr3C2的结合强度，均值达到75.12MPa。
通过金相法获取的涂层组织形貌图如图5所示，经显微观察：WC-17Co 涂层与基材界面结合良好无空隙和氧化物(氧化物含量≤0.6％)。涂层组织细密无大尺寸孔洞(孔洞尺寸≤13um)和未熔颗粒，涂层内部无断裂和分层，涂层质量符合使用要求。
实施例2：
参见图2和图4，图2是本发明一种转子发动机端盖本体1结构的第二类环形喷涂槽2形状结构示意图。
图2中，与实施例1不同的是，该实例只考虑了转子对端盖本体1的磨损，环形喷涂槽2开设的形状为“8”字型，与转子转动的轨迹相适应，其槽宽较窄；环形喷涂槽2加工量小，喷涂面积小；其他结构及喷涂处理方式与实施例1相同。
这样，WC-17Co等金属陶瓷涂层的制备和加工时间更少，且在利用 HVOF喷涂的高温对端盖本体1产生的热变形更小，便于加工，环形喷涂槽2底面与侧面的加工设计与实施例1相同。
实施例3：
参见图3和图4，图3是本发明一种转子发动机端盖本体1结构的第三类环形喷涂槽2形状以及环形喷涂槽2分布结构示意图。
图3中，与实施例1和实施例2不同的是，该实施例考虑了转子对端盖本体1的磨损，还考虑部分密封件的滑动轨迹的磨损，环形喷涂槽2由“8”字型和内部的环形构成，喷涂面相比实施例1环形喷涂槽2小，能几乎覆盖转子及其密封件所有的滑动轨迹，减小端盖本体1表面的磨损量，环形喷涂槽2横断面设计与实施例1相同。
这样，WC-17Co涂层的制备和加工时间也较少，且在利用HVOF喷涂的高温对端盖本体1产生的热变形更小，便于加工，环形喷涂槽2底面与侧面的加工设计与实施例1相同。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.转子发动机端盖结构，其特征在于，包括端盖本体(1)，所述端盖本体(1)的内端面开设有至少一个首尾相接的环形喷涂槽(2)，所述环形喷涂槽(2)内喷涂有耐磨复合粉末，所述耐磨复合粉末为WC-17Co、NiCr-Cr3C2、Mo、AT20和Mo+30％(NiCrBSi)中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的转子发动机端盖结构，其特征在于，至少一个所述环形喷涂槽(2)形状与转子端部转动轨迹相适应。
3.根据权利要求1或2所述的转子发动机端盖结构，其特征在于，所述环形喷涂槽(2)为一个，且环形喷涂槽(2)开槽面覆盖整个端盖本体(1)内端面。
4.根据权利要求1或2所述的转子发动机端盖结构，其特征在于，所述环形喷涂槽(2)为一个，且在端盖本体(1)内端面上，环形喷涂槽(2)呈8字型。
5.根据权利要求1或2所述的转子发动机端盖结构，其特征在于，所述环形喷涂槽(2)为两个，两个所述环形喷涂槽(2)内外分布，内部的环形喷涂槽(2)呈环形，外部的环形喷涂槽(2)呈8字型。
6.权利要求1-5任一项所述的转子发动机端盖结构的喷涂加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)预处理部分：首先，用清洗液将环形喷涂槽清洗干净；其次，用乙炔火焰枪把环形喷涂槽表面清洗液及水分烧干，控制零件表面温度≤100℃；然后，进行喷砂打毛处理；
2)喷涂部分：采用HVOF喷涂设备将金属陶瓷粉末喷涂于环形喷涂槽的表面，即得到所述金属陶瓷涂层。
7.根据权利要求6所述的转子发动机端盖结构的喷涂加工方法，其特征在于，所述环形喷涂槽(2)的尺寸如下：环形喷涂槽(2)底面与侧面成ω夹角，且有c圆弧过渡，槽深为d，其中，ω取值是120°～160°，c取值是R0.5～R2，d取值是0.5mm～2mm。
8.根据权利要求6所述的转子发动机端盖结构的喷涂加工方法，其特征在于，所述喷砂打毛处理采用金刚砂，其条件如下：喷嘴与所述环形喷涂槽的喷涂距离为150-180mm，喷砂强度为0.5～0.6mm，喷射方向为垂直于待喷涂面，覆盖率为环形喷涂槽内100％。
9.根据权利要求6所述的转子发动机端盖结构的喷涂加工方法，其特征在于，所述HVOF喷涂的条件如下：氧气流量为50-70L/min，氧气压力1.2-1.5Mpa，煤油流量30-32L/min，送粉量为60-70g/min，送粉电压为6V，喷涂距离为380-425mm，喷涂电流为500A，喷涂电压为65V。
10.HVOF喷涂权利要求1-9任一项所述金属陶瓷粉末在转子发动机中的应用。
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