CN110905607A - 一种钛合金压气机叶尖间隙的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种钛合金压气机叶尖间隙的控制方法，其特征在于：机匣内壁喷涂可磨耗封严涂层，转子叶片叶尖复合电镀Ni/c‑BN镀层，这两者作为一对可磨耗密封磨擦副，形成一种新型气路封严涂层结构，发动机运行过程中转子叶片叶尖可以切入机匣内壁的可磨耗封严涂层，留下可提高封严效果的沟槽，形成理想的径向气流间隙，获得最大的压差，从而显著提高发动机的功率，降低航空煤油的消耗，提高发动机整机一次试车合格率。

Description

一种钛合金压气机叶尖间隙的控制方法

技术领域

本发明属于航空发动机压气机气路封严技术，特别涉及一种钛合金压气机叶尖间隙控制方法。

背景技术

航空发动机压气机叶尖间隙是指轴流式发动机转子叶片叶尖与机匣之间的径向间隙。高压燃气在叶片压力面和吸力面之间存在的压差作用下，会通过径向间隙产生泄漏，从而降低发动机的工作效率和稳定性，增加燃油消耗率和排气温度。此外，压气机的运转间隙过大，它的气动特性可能在发动机加速时遭到破坏，并引起喘振。这些喘振多发生在起飞和爬升阶段，特别是达到起飞推力后40～60秒内，影响发动机的稳定性和可靠性。

为了控制压气机叶尖间隙、减少燃气泄漏损失，目前通用的做法是在与压气机转子叶片对应的机匣内壁喷涂可磨耗封严涂层。发动机工作过程中，转子叶片受高速旋转引起的离心负荷和热气流温度场的影响而向外伸长，由于叶片与机匣材料的热膨胀系数差异，叶片不可避免地与机匣内表面涂敷的可磨耗封严涂层发生刮擦损伤。高速摩擦过程中，封严涂层组织结构会趋于致密化，高温下会产生表面氧化而逐渐硬化，当其硬度超过叶片本身的硬度时，叶尖会遭到磨损变短，从而导致叶片与机匣内壁之间径向间隙增大，压气机各级间气体泄漏量增加，发动机效率降低。此外，摩擦过程中所产生大量的摩擦热，会导致钛合金过热，容易产生疲劳裂纹甚至自燃着火。自燃火焰很快将叶片烧坏，烧穿机匣。火焰继续外窜会烧穿外涵的钛合金机匣及发动机短舱，烧坏飞机其他系统的设备，最终导致飞机失事。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛合金压气机叶尖间隙的控制方法，该方法可显著提高发动机的功率，降低航空汽油的消耗，提高发动机整机一次试车合格率。该方法可以推广应用于涡轮外环块和涡轮叶片之间的间隙控制问题，有效保障发动机的可靠性和经济性，具有广阔的市场前景。

本发明技术方案如下：

一种钛合金压气机叶尖间隙的控制方法，其特征在于：机匣内壁喷涂可磨耗封严涂层，转子叶片叶尖复合电镀Ni/c-BN镀层，这两者作为一对可磨耗密封磨擦副，形成一种新型气路封严涂层结构，发动机运行过程中转子叶片叶尖可以切入机匣内壁的可磨耗封严涂层，留下可提高封严效果的沟槽，形成理想的径向气流间隙，获得最大的压差，从而显著提高发动机的功率，降低航空煤油的消耗，提高发动机整机一次试车合格率。

作为优选的技术方案：

所述可磨耗封严涂层为NiCrFeAl-BN，采用等离子喷涂方法制备。

所述可磨耗封严涂层的厚度为1.2～2.0mm。

机匣内壁可磨耗封严涂层的制备工艺流程为：

1)、零件清洗：用脱脂棉或毛刷蘸丙酮对零件的喷涂区域及相邻区域进行仔细地擦拭清洗，彻底除去零表面上的油污。

2)、保护：使用保护工装及高温保护胶带对零件非喷涂区进行遮蔽保护，保护完成后需进行二次确认，保证不存在漏保护或过保护现象。

3)、吹砂：将零件放入吹砂机内，并确保零件装夹位置正确且牢固，涂层性能试片固定在喷涂区域下方；设定吹砂工艺参数后开启吹砂设备，待砂流稳定后对喷涂区域进行吹砂；吹砂完成后使用压缩空气吹除零件表面浮灰，检查吹砂表面应均匀无金属光泽，不存在漏吹及过吹现象；吹砂后的零件表面禁止赤手接触，且避免因工位器具等不洁净而造成污染。

4)、喷涂：将零件固定在转台上；架设冷却风架，冷却风应对着喷涂表面进行冷却，且冷却点尽量远离喷涂点；按照工艺文件要求设定工艺参数，并开启设备；在不送粉的情况下用等离子焰流对零件进行预热，预热温度为60-100℃，并使用红外线测温仪测量温度；开启送粉器，待等离子焰流及送粉稳定后对零件进行喷涂；喷涂过程中采用红外线测温仪测量零件温度，不超过200℃，若超温应停止喷涂并对零件继续冷却，停止时间不应超过1小时。

5)、喷涂后清理：从转台上拆下零件，去除胶带、工装等保护；使用压缩空气吹除零件表面浮灰等多余物，若零件表面有粘胶残留，则使用脱脂棉吸附丙酮进行擦除。

6)、外观检查及性能分析：检查涂层表面状态，喷涂区域应均匀覆盖，涂层应无裂纹、鼓泡、剥落、脱落、分层、掉块现象；对涂层性能试片进行检测，满足标准要求则代表零件涂层合格。

7)、涂层机械加工：对涂层进行车加工，保证装配尺寸要求。

本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

(1)采用新型气路封严涂层结构可以实现叶片与机匣内壁的零间隙配合，显著降低压气机级间燃气泄漏率，大幅度提高航空发动机效率、经济性率、气动性能稳定性和压气机喘振裕度。

(2)转子叶片叶尖硬质耐磨涂层采用复合电镀工艺制备，避免了激光熔覆等热工艺过程可能在叶尖附近产生热影响区，降低叶片的疲劳性能等问题，同时镀件形状对涂层厚度分布影响小，对基体无热影响，操作比较简单，易于控制，适合复杂零件的表面镀覆。

附图说明

图1可磨耗封严涂层位置示意图。

图2可磨耗封严涂层位置示意图(剖视图)。

图3未采用叶尖强化，仅喷涂可磨耗封严涂层的刮削试样表面形貌。

图4采用叶尖强化，同时喷涂可磨耗封严涂层的刮削试样表面形貌。

图5钛合金表面复合电镀Ni/c-BN镀层的表面形貌照片。

具体实施方式

如图1、2所示，在机匣内壁采用等离子喷涂方法制备可磨耗封严涂层NiCrFeAl-BN，具体制备工艺流程为：

1)、零件清洗：用脱脂棉或毛刷蘸丙酮对零件的喷涂区域及相邻区域进行仔细地擦拭清洗，彻底除去零表面上的油污。

2)、保护：使用保护工装及高温保护胶带对零件非喷涂区进行遮蔽保护，保护完成后需进行二次确认，保证不存在漏保护或过保护现象。

3)、吹砂：将零件放入吹砂机内，并确保零件装夹位置正确且牢固，涂层性能试片固定在喷涂区域下方；设定吹砂工艺参数后开启吹砂设备，待砂流稳定后对喷涂区域进行吹砂；吹砂完成后使用压缩空气吹除零件表面浮灰，检查吹砂表面应均匀无金属光泽，不存在漏吹及过吹现象；吹砂后的零件表面禁止赤手接触，且避免因工位器具等不洁净而造成污染。

4)、喷涂：将零件固定在转台上；架设冷却风架，冷却风应对着喷涂表面进行冷却，且冷却点尽量远离喷涂点；按照工艺文件要求设定工艺参数，并开启设备；在不送粉的情况下用等离子焰流对零件进行预热，预热温度为60-100℃，并使用红外线测温仪测量温度；开启送粉器，待等离子焰流及送粉稳定后对零件进行喷涂；喷涂过程中采用红外线测温仪测量零件温度，不超过200℃，若超温应停止喷涂并对零件继续冷却，停止时间不应超过1小时。

5)、喷涂后清理：从转台上拆下零件，去除胶带、工装等保护；使用压缩空气吹除零件表面浮灰等多余物，若零件表面有粘胶残留，则使用脱脂棉吸附丙酮进行擦除。

6)、外观检查及性能分析：检查涂层表面状态，喷涂区域应均匀覆盖，涂层应无裂纹、鼓泡、剥落、脱落、分层、掉块现象；对涂层性能试片进行检测，满足标准要求则代表零件涂层合格。

7)、涂层机械加工：对涂层进行车加工，保证装配尺寸要求。

转子叶片叶尖复合电镀Ni/c-BN镀层，对叶尖进行强化处理。

图2为未采用叶尖强化，仅喷涂可磨耗封严涂层的刮削试样表面形貌。从图可以看出涂层发生烧蚀，同时涂层发生剥落现象。

图3为采用叶尖强化，同时喷涂可磨耗封严涂层的刮削试样表面形貌。从图可以看出涂层表面刮痕平滑，同时涂层仍旧完整。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种钛合金压气机叶尖间隙的控制方法，其特征在于：机匣内壁喷涂可磨耗封严涂层，转子叶片叶尖复合电镀Ni/c-BN镀层，这两者作为一对可磨耗密封磨擦副，形成一种新型气路封严涂层结构，发动机运行过程中转子叶片叶尖可以切入机匣内壁的可磨耗封严涂层，留下可提高封严效果的沟槽。

2.按照权利要求1所述钛合金压气机叶尖间隙的控制方法，其特征在于：所述可磨耗封严涂层为NiCrFeAl-BN，采用等离子喷涂方法制备。

3.按照权利要求1所述钛合金压气机叶尖间隙的控制方法，其特征在于：所述可磨耗封严涂层的厚度为1.2～2.0mm。

4.按照权利要求1所述钛合金压气机叶尖间隙的控制方法，其特征在于，机匣内壁可磨耗封严涂层的制备工艺流程为：

1)、对零件的喷涂区域及相邻区域进行清洗；

2)、保护：使用保护工装及高温保护胶带对零件非喷涂区进行遮蔽保护；

3)、吹砂：将零件放入吹砂机内，并确保零件装夹位置正确且牢固，涂层性能试片固定在喷涂区域下方；设定吹砂工艺参数后开启吹砂设备，待砂流稳定后对喷涂区域进行吹砂；吹砂完成后使用压缩空气吹除零件表面浮灰，检查吹砂表面均匀无金属光泽，不存在漏吹及过吹现象；

4)、喷涂：将零件固定在转台上；架设冷却风架，冷却风对着喷涂表面进行冷却；设定工艺参数后开启设备；在不送粉的情况下用等离子焰流对零件进行预热，预热温度为60-100℃，并使用红外线测温仪测量温度；开启送粉器，待等离子焰流及送粉稳定后对零件进行喷涂；喷涂过程中采用红外线测温仪测量零件温度，不超过200℃，若超温应停止喷涂并对零件继续冷却，停止时间不应超过1小时；

5)、喷涂后清理：从转台上拆下零件，去除保护；使用压缩空气吹除零件表面多余物；

6)、外观检查及性能分析：检查涂层表面状态，涂层应无裂纹、鼓泡、剥落、脱落、分层、掉块现象；对涂层性能试片进行检测；

7)、涂层机械加工：对涂层进行车加工，保证装配尺寸要求。

Images