CN110791726B - 一种降低可磨耗组分损失率的可磨耗涂层喷涂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在基体上喷涂可磨耗涂层的方法，该方法包括：使用等离子喷涂的方法将原料粉末喷涂在基体上，形成可磨耗涂层；其中，所述原料粉末的颗粒具有包覆复合结构，所述颗粒包括核和包覆所述核的包覆层，所述核含有可磨耗组分，所述包覆层含有骨架组分和粘结剂；其中，所述原料粉末中可磨耗组分的含量为5～60wt％，骨架组分的含量为40～90wt％，粘结剂的含量为5～10wt％；其中，所述等离子喷涂的参数如下：喷涂距离150mm～180mm、送粉速率46g/min～60g/min、电流410A～450A、功率28kW～32kW、喷涂气体含有氩气和氢气，氩气流量60‑70L/min、氢气流量5L/min～6L/min、喷涂过程中基体温度控制在不高于200℃。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，具体涉及一种降低可磨耗组分损失率的可磨耗涂层喷涂方法。
背景技术
可磨耗封严涂层一般用于涂覆于燃气轮机静子部件表面，在燃气轮机的高温高速工况下，可磨耗涂层与转子部件对磨时能够发生涂层的主动磨耗，从而实现转、静子的过盈配合，进而实现转、静子之间最小间隙的控制，同时保护转子部件不被磨损。可磨耗封严涂层对于降低燃气轮机油耗、提高效率和运行安全性具有重要意义。
用于制备可磨耗封严涂层的原料粉末可以是包覆型粉末。图1的(a)示出包覆型粉末的颗粒的结构。包覆型粉末的颗粒具有包覆复合结构，所述颗粒包括核1和包覆所述核1的包覆层200，所述核1含有可磨耗组分，所述包覆层200含有骨架组分201和粘结剂202。骨架组分201的颗粒分布在粘结剂202的形成的基体中。其中，可磨耗组分一般为低剪切强度的非金属材料如石墨、氮化硼、聚苯酯等，其提供涂层的可磨耗性；骨架组分一般是Al、AlSi、CuAl、NiCr等金属或陶瓷，其赋予涂层一定的强度及抗氧化性等。
相关技术使用等离子喷涂等方法制备可磨耗封严涂层。一个等离子喷涂示意图如图2所示。在一个阳极32和一个阴极31之间点火，产生高频率电弧。气体流33经电极之间被电离，由此产生等离子弧，进一步产生等离子焰流5。原料粉末从枪喷嘴4外注入等离子焰流5，被熔化，最后被气体加速并撞击基材6表面形成涂层7。
发明内容
可磨耗封严涂层中通常含有骨架组分和可磨耗组分。发明人发现，可磨耗封严涂层中可磨耗组分的含量对其可磨耗性至关重要。但是，在制备可磨耗封严涂层时，可磨耗组分往往在等离子喷涂过程中损失，导致产品涂层中可磨耗组分的沉积率偏低，涂层质量不佳。
为了解决上述问题，发明人经大量研究，创造性地提出了以下喷涂机理：
如上所述，包覆型粉末的颗粒具有包覆复合结构，所述颗粒包括核1和包覆所述核1的包覆层200，所述核1含有可磨耗组分，所述包覆层200含有骨架组分201和粘结剂202。骨架组分201的颗粒分布在粘结剂202的形成的基体中。当原料粉末在焰流的的作用下从喷枪出发至到达基体时，原料粉末可能存在以下三种状态，如图1的(a)～(c)所示：
参见图1的(a)，第一状态：粉末颗粒表面的粘结剂202完全未分解，此时，当颗粒撞击到基体表面时将发生反弹，无法沉积。
参见图1的(b)，第二状态：粉末颗粒表面的粘结剂202仅分解了一部分，即一部分粘结剂202分解，使骨架组分裸露；另一部分粘结剂202未分解，起到将骨架组分固定在颗粒表面的作用。此时，当颗粒撞击到基体表面时，裸露的骨架组分能够与以液态或半固态形式贴合在基体上，可磨耗组分随之也沉积在了基体表面。
参见图1的(c)，第三状态：粉末颗粒表面的粘结剂202完全分解，此时，颗粒失去了其骨架组分包覆可磨耗组分的结构，可磨耗组分在焰流中将发生烧损和撞击到基体后发生散落，无法有效沉积。
基于上述对于喷涂机理的新认识，发明人意识到，要获得质量改善的涂层，须使到达基体表面的粉末为第二状态的粉末。在这一理论指导下，发明人提出一种创新的制备可磨耗涂层的方法。该方法能够有效地改善可磨耗组分损失的问题，获得性能改善的涂层。
在一些方面，本公开提供一种在基体上喷涂可磨耗涂层的方法，该方法包括：
使用等离子喷涂的方法将原料粉末喷涂在基体上，形成可磨耗涂层；
其中，所述原料粉末的颗粒包括核和包覆所述核的包覆层，所述核含有可磨耗组分，所述包覆层含有骨架组分和粘结剂；
其中，所述原料粉末中
可磨耗组分的含量为5～60wt％(例如5～10wt％、10～20wt％、20～30wt％、30～40wt％、40～50或50～60wt％)，
骨架组分的含量为35～90wt％(例如35-40wt％、40～50wt％、50～60wt％、60～70wt％、70～80wt％或80～90wt％)，
粘结剂的含量为5～10wt％；
其中，所述等离子喷涂的参数如下：喷涂距离150mm～180mm(例如160～170mm)、送粉速率46g/min～60g/min(例如50～60g/min)、电流410A～450A(例如420～430A)、功率28kW～32kW(例如28～30kW)、喷涂等离子体气体含有氩气和氢气，氩气流量60-70L/min(例如65L/min)、氢气流量5L/min～6L/min、喷涂过程中基体温度控制在不高于200℃(例如为140～160℃)。
在一些实施方案中，原料粉末的颗粒具有包覆复合结构。
在一些实施方案中，上述方法还包括以下步骤：
在实施喷涂前，烘干原料粉末，然后对烘干后的粉末进行过筛，收集通过筛网的粉末，用于等离子喷涂；
所述烘干的温度为70-90℃；
所述筛网的目数为45-65目。
在一些实施方案中，所述可磨耗组分选自石墨、氮化硼和聚苯酯中的一种或多种。
在一些实施方案中，当所述可磨耗组分是氮化硼时，可磨耗组分在原料粉末中的含量为15～25wt％，例如28～22wt％。
在一些实施方案中，当所述可磨耗组分是石墨时，可磨耗组分在原料粉末中的含量为40～50wt％，例如43～48wt％。
在一些实施方案中，所述骨架组分选自金属和陶瓷中的一种或多种。
在一些实施方案中，所述骨架组分选自Al、铝硅合金、铜合金、镍合金、铬合金中的一种或多种。
在一些实施方案中，铝硅合金中铝元素和硅元素的重量比为20～25:1～5，例如22:3。
在一些实施方案中，所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、醇酸清漆、丙烯酸酯中的一种或多种。
在一些实施方案中，所述原料粉末具有以下一项或多项特征：
原料粉末中最小颗粒的粒径不小于15微米；
原料粉末中最大颗粒的粒径不大于220微米；
原料粉末的D50粒径为40～80微米。
在一些实施方案中，在基底上喷涂可磨耗涂层之前，还包括对基底进行预处理的步骤，所述预处理选自表面清理、粗化、预喷涂高温合金层(例如镍铝合金层)中的一步或多步。
在一些方面，提供一种涂层，由上述任一项方法制备获得。
在一些方面，提供一种燃气轮机，所述燃气轮机的静子部件表面设置有上述涂层。
术语说明：
喷涂距离：喷嘴出口中心点与喷嘴轴线和基体表面交点之间的直线距离，单位一般为mm。
送粉速率：喷涂原料被输送入喷涂焰流的速率，单位一般为g/min。
电流：喷涂等离子体正、负极之间的直流电流强度，单位一般为A。
功率：喷涂等离子体正、负极之间电流和电压的乘积，单位一般为kW。
喷涂气体：用于产生等离子体的气体。
D50粒径：累积粒度分布百分数达到50％时对应的粒径值。
有益效果
本公开方法或产品具有以下一项或多项优点：
(1)可磨耗组分的损失少，沉积率高；
(2)涂层中可磨耗组分的含量高；
(3)涂层中可磨耗组分分布均匀；
(4)涂层的结合强度高。
附图说明
图1为原料粉末在等离子喷涂焰流中的颗粒结构变化的示意图；
图2为一个等离子喷涂过程的示意图；
图3为实施例1的涂层的截面的扫描电子显微镜照片；
图4为对比例1的涂层的截面的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
以下实施例使用的原料粉末(铝硅氮化硼复合粉末/铝硅石墨复合粉末)的成分和粒径参数如下：
*铝硅合金中铝元素和硅元素的重量比为22:3
*原料粉末的粒径范围为15～220微米。即原料粉末中最小颗粒的粒径不小于15微米，最大颗粒的粒径不大于220微米。
*粘结剂是丙烯酸酯。
实施例1
步骤一：将铝硅氮化硼复合粉末在80℃下烘干30min，用50目筛网对烘干后的粉末过筛，取筛下物备用；
步骤二：对待涂覆不锈钢基体进行表面清理和吹砂粗化，采用常规工艺大气等离子喷涂镍铝复合粉末制备底层，厚度120μm；
步骤三：以步骤一制取的粉末为喷涂材料，使用Metco公司的F4MB喷枪进行喷涂，喷涂参数为：喷涂距离150mm、送粉速率50g/min、电流410A、功率28kW、氩气流量65L/min、氢气流量5L/min、喷涂过程中基体温度80℃～150℃。
实施例2
步骤一：将铝硅石墨复合粉末在80℃下烘干30min，用50目筛网对烘干后的粉末过筛，取筛下物备用；
步骤二：对待涂覆不锈钢基体进行表面清理和吹砂粗化，采用常规工艺大气等离子喷涂镍铝复合粉末制备底层，厚度120μm；
步骤三：以步骤一制取的粉末为喷涂材料，使用Metco公司的F4MB喷枪进行喷涂，喷涂参数为：喷涂距离160mm、送粉速率60g/min、电流450A、功率30kW、氩气流量65L/min、氢气流量6L/min、喷涂过程中基体温度80℃～150℃。
实施例3
步骤一：将铝硅氮化硼复合粉末在80℃下烘干30min，用60目筛网对烘干后的粉末过筛，取筛下物备用；
步骤二：对待涂覆基体进行表面清理和吹砂粗化，采用常规工艺大气等离子喷涂镍铝复合粉末制备底层，厚度110μm；
步骤三：以步骤一制取的粉末为喷涂材料，使用Metco公司的F4喷枪进行喷涂，喷涂参数为：喷涂距离180mm、送粉速率55g/min、电流410A、功率28kW、氩气流量65L/min、氢气流量5L/min、喷涂过程中基体温度80℃～150℃。
实施例4
步骤一：将铝氮化硼复合粉末在100℃下烘干30min，用50目筛网对烘干后的粉末过筛，取筛下物备用；
步骤二：对待涂覆基体进行表面清理和吹砂粗化，采用常规工艺大气等离子喷涂镍铝复合粉末制备底层，厚度120μm；
步骤三：以步骤一制取的粉末为喷涂材料，使用Metco公司的F4喷枪进行喷涂，喷涂参数为：喷涂距离160mm、送粉速率60g/min、电流450A、功率30kW、氩气流量65L/min、氢气流量6L/min、喷涂过程中基体温度80℃～150℃。
对比例1
对比例1与实施例1步骤一、二相同，区别在于步骤三：喷涂参数不同。
步骤三的喷涂参数如下：以步骤一制取的粉末为喷涂材料，使用Metco公司的F4喷枪进行喷涂，喷涂参数为：喷涂距离110mm、送粉速率35g/min、电流480A、功率35kW、氩气流量75L/min、氢气流量7L/min、喷涂过程中基体温度200℃。
对比例2
对比例2与实施例2步骤一、二相同，区别在于步骤三：喷涂参数不同。
步骤三的喷涂参数如下：以步骤一制取的粉末为喷涂材料，使用Metco公司的F4喷枪进行喷涂，喷涂参数为：喷涂距离190mm、送粉速率65g/min、电流400A、功率27kW、氩气流量65L/min、氢气流量4L/min、喷涂过程中基体温度150℃。
实施例1～4和对比例1～2的喷涂参数和涂层沉积率如下表所示：
表1
分析检测：
(1)涂层中可磨耗组分(氮化硼/石墨)含量检测方法如下
氮化硼含量测试方法：采用机械方式将铝硅氮化硼涂层从基体上剥离，并研磨成粉末，然后采用ICP-AES法测定粉末中B的含量，最后根据分子量计算BN的含量，B含量检测标准为NACIS/C H 121:2013。
石墨含量测试方法：采用机械方式将铝硅石墨涂层从基体上剥离，并研磨成粉末，然后采用高频燃烧红外吸收法测定涂层中C含量，参考标准：ASTM C1494-2013。
(2)涂层结合强度检测方法如下
涂层结合强度测试方法参照《HB5476-1991热喷涂涂层结合强度试验方法》进行。
(3)涂层沉积率检测：
涂层沉积率检测参照《GB/T31564-2015热喷涂热喷涂沉积效率的测定》进行。
实施例1～4和对比例1～2的涂层中可磨耗组分(氮化硼/石墨)的含量、涂层与基体的结合强度以及涂层的沉积率如下表所示：
表2
(4)涂层形貌
图3和图4分别为实施例1和对比例1的涂层截面的扫描电子显微镜照片。图中的神色区域代表为氮化硼，浅色区域代表为铝硅合金。如图3和4的对比可知，相较于对比例1的涂层，实施例1的涂层中氮化硼的含量更高，而且氮化硼在涂层中的分布更为均匀。
基于上述实施例1～4和对比例1～2的实验数据对比可知，本申请方法确实获得了以下一项或多项优点：
(1)涂层制备过程中可磨耗组分的损失少，沉积率高；
(2)涂层中可磨耗组分的含量高；
(3)涂层中可磨耗组分分布均匀；
(4)涂层的结合强度高。
尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，但本领域技术人员将理解：根据已经公开的所有教导，可以对细节进行各种修改变动，并且这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (8)
1.一种在基体上喷涂可磨耗涂层的方法，该方法包括：
使用等离子喷涂的方法将原料粉末喷涂在基体上，形成可磨耗涂层；
其中，所述原料粉末的颗粒包括核和包覆所述核的包覆层，所述核含有可磨耗组分，所述包覆层含有骨架组分和粘结剂；
其中，所述可磨耗组分为石墨或氮化硼；
当所述可磨耗组分是氮化硼时，可磨耗组分在原料粉末中的含量为15～25wt％；
当所述可磨耗组分是石墨时，可磨耗组分在原料粉末中的含量为40～50wt％；
其中，所述骨架成分为铝硅合金；
其中，所述原料粉末中骨架组分的含量为35～80wt％，粘结剂的含量为5～10wt％；
其中，所述等离子喷涂的参数如下：喷涂距离150mm～180mm、送粉速率50g/min～60g/min、电流410A～450A、功率28kW～30kW、喷涂等离子体气体含有氩气和氢气，氩气流量60-70L/min、氢气流量5L/min～6L/min、喷涂过程中基体温度控制在不高于200℃。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
在实施喷涂前，烘干原料粉末，然后对烘干后的粉末进行过筛，收集通过筛网的粉末，用于等离子喷涂；
其中，所述烘干的温度为70-90℃；
其中，所述筛网的目数为45-65目。
3.根据权利要求1所述的方法，所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、醇酸清漆、丙烯酸酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，所述原料粉末具有以下一项或多项特征：
-原料粉末中最小颗粒的粒径不小于15微米；
-原料粉末中最大颗粒的粒径不大于220微米；
-原料粉末的D50粒径为40～80微米。
5.根据权利要求1所述的方法，在基底上喷涂可磨耗涂层之前，还包括对基底进行预处理的步骤，所述预处理选自表面清理、粗化、预喷涂高温合金层中的一步或多步。
6.根据权利要求5所述的方法，所述高温合金层为镍铝合金层。
7.一种涂层，由权利要求1～6任一项所述的方法制备获得。
8.一种燃气轮机，所述燃气轮机的静子部件表面设置有权利要求7所述的涂层。
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