CN112126883B - 一种尖角朝外的超平整叶尖切削涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种尖角朝外的超平整叶尖切削涂层及其制备方法，属于材料表面改性和涂层技术领域，本发明的涂层由硬质陶瓷颗粒与粘结合金层构成；所述硬质陶瓷颗粒离散分布并通过粘结合金结合于叶尖基体的端面上，形成外表面整体平整、硬质陶瓷颗粒棱角尖锐暴露、与叶尖基体端面结合牢固的切削涂层；本发明通过改变涂层中硬质颗粒的位相角度，可以使得涂层外表面颗粒棱角更尖锐、整体更平整，切削性能更加良好。本发明的涂层外表面整体平整，保证了服役过程中大部分硬质颗粒均可发挥切削作用；大比例尖角朝外的硬质颗粒保证了涂层良好的切削性能；涂层与叶尖结合牢固保证服役过程中涂层不发生脱落。

Description

一种尖角朝外的超平整叶尖切削涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于材料表面改性和涂层技术领域，具体涉及一种尖角朝外的超平整叶尖切削涂层及其制备方法。
背景技术
航空工业的发展对航空发动机的性能提出了越来越高的要求。减小机匣与叶尖之间间隙的气路封严技术是提高发动机效率和降低能耗的关键技术之一。该技术需在机匣内壁制备一层可磨耗封严涂层，同时在叶尖制备硬质耐磨涂层保护叶尖。经过数十年发展，国内外已经形成了较完备的可磨耗封严涂层材料体系。
叶尖耐磨涂层常采用金属基陶瓷复合材料，陶瓷颗粒通过合金粘结相固定在叶尖端面，从而提高叶尖的硬度及耐磨性。目前，叶尖耐磨涂层的常用制备方法为激光熔覆技术和电镀方法，用两种方法制备出的叶尖涂层都具有良好的耐磨性。但由于硬质颗粒形状上的不规则性，制备出的涂层外表面参差不齐，颗粒裸露的部分形态多种多样，导致与机匣碰摩时切削性能很差。
发明内容
为了解决叶尖切削涂层外表面颗粒棱角不尖锐、整体不平整、切削性能差的技术问题，本发明提出了一种大比例尖角朝外的超平整叶尖切削涂层及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种尖角朝外的超平整叶尖切削涂层，由硬质陶瓷颗粒与粘结合金层构成；所述硬质陶瓷颗粒离散分布并通过粘结合金结合于叶尖基体的端面上，形成外表面整体平整、硬质陶瓷颗粒棱角尖锐暴露、与叶尖基体端面结合牢固的切削涂层；
其中，硬质陶瓷颗粒朝向叶尖外表面外法线的一侧顶端高度差别低于硬质陶瓷颗粒平均粒径的0.01-0.15倍；尖角朝着叶尖端面外法线方向的硬质陶瓷颗粒的比例占硬质陶瓷颗粒颗粒总数量的0.7-0.9倍。
所述尖角朝外的硬质陶瓷颗粒指颗粒尖角的两条棱边与叶尖端面外法线的角度均介于0-90°之间。
优选地，所述尖角朝外的硬质陶瓷颗粒指尺寸为0.01-0.2倍颗粒平均粒径的短棱边与叶尖端面外法线角度介于0-20°之间。
优选地，硬质陶瓷颗粒为立方氮化硼颗粒或金刚石颗粒；硬质陶瓷颗粒的平均粒径为50～120μm时，满足切削性能需求；硬质陶瓷颗粒的平均粒径为121～350μm时，满足散热性能需求。
优选地，粘结合金层选择镍含量大于53.0％，铬含量为6％～28％的镍基合金；或者，选择钛含量大于40％，锆含量为18％～30％，铜含量为10％～25％的钛基合金。
本发明公开的尖角朝外的超平整叶尖切削涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)制备粘结合金层：对预处理后的叶尖基体表面涂覆粘结合金层，粘结合金层厚度为硬质陶瓷颗粒平均粒径的0.4-0.8倍；
2)撒布硬质颗粒：将硬质陶瓷颗粒撒布在尖角连续的模具中，振动模具使得硬质陶瓷颗粒尖角向下插入模具中；
3)加热重熔：将涂有粘结合金的叶尖基体端面对接在撒布有颗粒的模具上方，并将对接好的叶尖基体和模具固定，透过模具加热，使得粘结合金重新熔化，硬质陶瓷颗粒与粘结合金牢固结合，制得尖角朝外的超平整叶尖切削涂层。
优选地，步骤1)中，涂覆粘结合金层采用等离子喷涂法，喷涂功率为25～55kW，喷涂距离为100～200mm。
优选地，步骤2)中，模具选择与粘结合金和硬质陶瓷颗粒浸润性差的材料；
模具熔点高于粘结合金熔点按开尔文温度计算的1.35倍；
优选地，模具有连续分布的凹坑，凹坑形状为尖角朝下的棱锥，陶瓷颗粒在模具凹坑内实现尖角向下优先排布，从而在与粘结合金结合之后形成尖角朝外的结构，提高抗磨和切削性能。
优选地，凹坑深度为硬质陶瓷颗粒平均粒径的0.2-0.5倍；单个凹坑的单向最小尺寸超过凹坑平均边长0.05倍的面之间的夹角的平均值为凹坑角平均值，以避免过小尺寸凹坑无法保证颗粒直立而倾倒后不能实现尖角朝外特性，单个颗粒的单向最小尺寸超过颗粒平均粒径0.05倍的面之间的夹角的平均值为颗粒尖角平均值，凹坑角平均值为颗粒尖角平均值的0.5-1.5倍，以避免过小尺寸凹坑无法保证颗粒直立而倾倒后不能实现尖角朝外特性。
优选地，步骤3)中，将模具撒有颗粒的一侧向上放置，将叶尖端面的粘结合金层与颗粒对接在一起。
优选地，步骤3)中，加热温度为粘结合金熔点按开尔文温度计算的1.05-1.2倍，同时低于叶尖基体的熔点，且低于的温度为超过叶尖基体与粘结合金熔点之差的0.5倍；加热方式采用感应加热，感应电流为20～65A，加热时间为2～15s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
由于叶尖涂层在服役过程中除具备较高的硬度即耐磨性外，还需要有良好的切削作用。为更好的实现叶尖涂层的切削作用，叶尖涂层中的硬质陶瓷颗粒需足够锋利，本发明通过改变涂层中硬质陶瓷颗粒的位相角度，可以使得涂层外表面颗粒棱角更尖锐、整体更平整，切削性能更加良好。本发明的涂层将硬质陶瓷颗粒离散分布并通过粘结合金层结合在叶尖端面上；硬质陶瓷颗粒朝向叶尖外表面外法线的一侧顶端高度差别低于平均粒径的0.01-0.15倍；涂层外表面整体平整、硬质陶瓷颗粒棱角尖锐暴露且与叶尖断面结合牢固。外表面整体平整，保证了服役过程中大部分硬质颗粒均可发挥切削作用；大比例尖角朝外的硬质颗粒保证了涂层良好的切削性能；涂层与叶尖结合牢固保证服役过程中涂层不发生脱落。
附图说明
图1为本发明提供的尖角朝外的超平整叶尖切削涂层的结构图；
图2为本发明提供的使得叶尖切削涂层大比例尖角朝外的模具的主视结构图；
图3为本发明提供的使得叶尖切削涂层大比例尖角朝外的模具的左视结构图；
图4为本发明提供的使得叶尖切削涂层大比例尖角朝外的模具的俯视结构图。
其中：1.叶尖基体，2.粘结合金层，3.硬质陶瓷颗粒。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明公开的一种大比例尖角朝外的超平整叶尖切削涂层，由硬质陶瓷颗粒3与粘结合金层2构成；所述硬质陶瓷颗粒3离散分布并通过粘结合金结合于叶尖基体1的端面上，形成外表面整体平整、硬质陶瓷颗粒棱角尖锐暴露、与叶尖基体1端面结合牢固的切削涂层；
其中，硬质陶瓷颗粒3朝向叶尖外表面外法线的一侧顶端高度差别低于硬质陶瓷颗粒3平均粒径的0.01-0.15倍；尖角朝着叶尖端面外法线方向的硬质陶瓷颗粒的比例占硬质陶瓷颗粒3颗粒总数量的0.7-0.9倍。
实施例1
本实施例的涂层由Ni71CrSi粘结合金层、金刚石陶瓷层组成。平均粒径为50μm的金刚石颗粒通过Ni71CrSi粘结合金结合在镍基高温合金GH4037叶尖端面上，Ni71CrSi粘结合金层与GH4037叶尖形成牢固冶金结合并将金刚石颗粒紧紧包裹住，形成外表面超平整、大比例金刚石颗粒棱角尖锐暴露、与GH4037叶尖端面结合牢固的切削涂层。
该涂层具体制备方法如下：
基体表面预处理：对GH4037基体表面依次进行打磨、喷丸和清洗处理，去污染除油污，并去除基体表面氧化层，提高涂层与基体间的结合力；
制备粘结合金层：对预处理后的叶片尖端基体表面采用真空等离子喷涂方式制备一层厚度为50μm的Ni71CrSi合金层，工艺参数为电流400A，电压50V，送粉速度15g/min，喷涂距离100mm；
撒布硬质颗粒：将金刚石颗粒撒布在尖角连续的模具(模具结构图如图2、图3和图4所示)中，振动模具使得金刚石颗粒尖角向下插入模具中；
加热重熔：将涂有Ni71CrSi合金层的叶尖端面对接在撒布有金刚石颗粒的模具上方，并将对接好的叶尖和模具固定；采用感应线圈方式透过模具对涂层进行加热，感应电流为20A，加热5s使得Ni71CrSi合金层重新熔化，将大比例尖角朝外的金刚石颗粒紧紧包裹且与基体形成牢固的冶金结合。
按照此方法得到的涂层硬度为370-410HV0.2，涂层间结合强度在53-60MPa之间。
实施例2
本实施例的由Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金层、立方氮化硼陶瓷层组成。平均粒径为70μm的立方氮化硼颗粒通过Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金结合在钛合金TC4叶尖端面上，Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金层与TC4叶尖形成牢固冶金结合并将立方氮化硼颗粒紧紧包裹住，形成外表面超平整、大比例立方氮化硼颗粒棱角尖锐暴露、与TC4叶尖端面结合牢固的切削涂层。
该涂层具体制备方法如下：
基体表面预处理：对TC4基体表面依次进行打磨、喷丸和清洗处理，去污染除油污，并去除基体表面氧化层，提高涂层与基体间的结合力；
制备粘结合金层：对预处理后的叶片尖端基体表面采用真空等离子喷涂方式制备一层厚度为100μm的Ti20Zr25Cu10Ni合金层，工艺参数为电流450A，电压55V，送粉速度16g/min，喷涂距离125mm；
撒布硬质颗粒：将立方氮化硼颗粒撒布在尖角连续的模具中，振动模具使得立方氮化硼颗粒尖角向下插入模具中；
加热重熔：将涂有Ti20Zr25Cu10Ni合金层的叶尖端面对接在撒布有立方氮化硼颗粒的模具上方，并将对接好的叶尖和模具固定；采用感应线圈方式透过模具对涂层进行加热，感应电流为40A，加热6s使得Ti20Zr25Cu10Ni合金层重新熔化，将大比例尖角朝外的立方氮化硼颗粒紧紧包裹且与基体形成牢固的冶金结合。
按照此方法得到的涂层硬度为350-400HV0.2，涂层间结合强度在54-61MPa之间。
实施例3
本实施例的由Ni71CrSi粘结合金层、金刚石陶瓷层组成。平均粒径为120μm的金刚石颗粒通过Ni71CrSi粘结合金结合在镍基高温合金GH4037叶尖端面上，Ni71CrSi粘结合金层与GH4037叶尖形成牢固冶金结合并将金刚石颗粒紧紧包裹住，形成外表面超平整、大比例金刚石颗粒棱角尖锐暴露、与GH4037叶尖端面结合牢固的切削涂层。
该涂层具体制备方法如下：
基体表面预处理：对GH4037基体表面依次进行打磨、喷丸和清洗处理，去污染除油污，并去除基体表面氧化层，提高涂层与基体间的结合力；
制备粘结合金层：对预处理后的叶片尖端基体表面采用真空等离子喷涂方式制备一层厚度为100μm的Ni71CrSi合金层，工艺参数为电流500A，电压60V，送粉速度15g/min，喷涂距离150mm；
撒布硬质颗粒：将金刚石颗粒撒布在尖角连续的模具中，振动模具使得金刚石颗粒尖角向下插入模具中；
加热重熔：将涂有Ni71CrSi合金层的叶尖端面对接在撒布有金刚石颗粒的模具上方，并将对接好的叶尖和模具固定；采用感应线圈方式透过模具对涂层进行加热，感应电流为50A，加热4s使得Ni71CrSi合金层重新熔化，将大比例尖角朝外的金刚石颗粒紧紧包裹且与基体形成牢固的冶金结合。
按照此方法得到的涂层硬度为330-380HV0.2，涂层间结合强度在62-66MPa之间。
实施例4
本实施例的涂层由Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金层、立方氮化硼陶瓷层组成。平均粒径为150μm的立方氮化硼颗粒通过Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金结合在钛合金TC4叶尖端面上，Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金层与TC4叶尖形成牢固冶金结合并将立方氮化硼颗粒紧紧包裹住，形成外表面超平整、大比例立方氮化硼颗粒棱角尖锐暴露、与TC4叶尖端面结合牢固的切削涂层。
该涂层具体制备方法如下：
基体表面预处理：对TC4基体表面依次进行打磨、喷丸和清洗处理，去污染除油污，并去除基体表面氧化层，提高涂层与基体间的结合力；
制备粘结合金层：对预处理后的叶片尖端基体表面采用真空等离子喷涂方式制备一层厚度为150μm的Ti20Zr25Cu10Ni合金层，工艺参数为电流500A，电压70V，送粉速度18g/min，喷涂距离160mm；
撒布硬质颗粒：将立方氮化硼颗粒撒布在尖角连续的模具中，振动模具使得立方氮化硼颗粒尖角向下插入模具中；
加热重熔：将涂有Ti20Zr25Cu10Ni合金层的叶尖端面对接在撒布有立方氮化硼颗粒的模具上方，并将对接好的叶尖和模具固定；采用感应线圈方式透过模具对涂层进行加热，感应电流为45A，加热15s使得Ti20Zr25Cu10Ni合金层重新熔化，将大比例尖角朝外的立方氮化硼颗粒紧紧包裹且与基体形成牢固的冶金结合。
按照此方法得到的涂层硬度为360-410HV0.2，涂层间结合强度在55-61MPa之间。
实施例5
本实施例的涂层由Ni71CrSi粘结合金层、金刚石陶瓷层组成。平均粒径为250μm的金刚石颗粒通过Ni71CrSi粘结合金结合在镍基高温合金GH4037叶尖端面上，Ni71CrSi粘结合金层与GH4037叶尖形成牢固冶金结合并将金刚石颗粒紧紧包裹住，形成外表面超平整、大比例金刚石颗粒棱角尖锐暴露、与GH4037叶尖端面结合牢固的切削涂层。
该涂层具体制备方法如下：
基体表面预处理：对GH4037基体表面依次进行打磨、喷丸和清洗处理，去污染除油污，并去除基体表面氧化层，提高涂层与基体间的结合力；
制备粘结合金层：对预处理后的叶片尖端基体表面采用真空等离子喷涂方式制备一层厚度为150μm的Ni71CrSi合金层，工艺参数为电流600A，电压65V，送粉速度15g/min，喷涂距离180mm；
撒布硬质颗粒：将金刚石颗粒撒布在尖角连续的模具中，振动模具使得金刚石颗粒尖角向下插入模具中；
加热重熔：将涂有Ni71CrSi合金层的叶尖端面对接在撒布有金刚石颗粒的模具上方，并将对接好的叶尖和模具固定；采用感应线圈方式透过模具对涂层进行加热，感应电流为55A，加热2s使得Ni71CrSi合金层重新熔化，将大比例尖角朝外的金刚石颗粒紧紧包裹且与基体形成牢固的冶金结合。
按照此方法得到的涂层硬度为340-390HV0.2，涂层间结合强度在63-68MPa之间。
实施例6
本实施例的涂层由Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金层、立方氮化硼陶瓷层组成。平均粒径为350μm的立方氮化硼颗粒通过Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金结合在钛合金TC4叶尖端面上，Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金层与TC4叶尖形成牢固冶金结合并将立方氮化硼颗粒紧紧包裹住，形成外表面超平整、大比例立方氮化硼颗粒棱角尖锐暴露、与TC4叶尖端面结合牢固的切削涂层。
该涂层具体制备方法如下：
基体表面预处理：对TC4基体表面依次进行打磨、喷丸和清洗处理，去污染除油污，并去除基体表面氧化层，提高涂层与基体间的结合力；
制备粘结合金层：对预处理后的叶片尖端基体表面采用真空等离子喷涂方式制备一层厚度为200μm的Ti20Zr25Cu10Ni合金层，工艺参数为电流700A，电压75V，送粉速度20g/min，喷涂距离200mm；
撒布硬质颗粒：将立方氮化硼颗粒撒布在尖角连续的模具中，振动模具使得立方氮化硼颗粒尖角向下插入模具中；
加热重熔：将涂有Ti20Zr25Cu10Ni合金层的叶尖端面对接在撒布有立方氮化硼颗粒的模具上方，并将对接好的叶尖和模具固定；采用感应线圈方式透过模具对涂层进行加热，感应电流为65A，加热10s使得Ti20Zr25Cu10Ni合金层重新熔化，将大比例尖角朝外的立方氮化硼颗粒紧紧包裹且与基体形成牢固的冶金结合。
按照此方法得到的涂层硬度为340-400HV0.2，涂层间结合强度在53-59MPa之间。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种尖角朝外的超平整叶尖切削涂层，其特征在于，由硬质陶瓷颗粒（3）与粘结合金层（2）构成；所述硬质陶瓷颗粒（3）离散分布并通过粘结合金结合于叶尖基体（1）的端面上，形成外表面整体平整、硬质陶瓷颗粒棱角尖锐暴露、与叶尖基体（1）端面结合牢固的切削涂层；
其中，硬质陶瓷颗粒（3）朝向叶尖外表面外法线的一侧顶端高度差别低于硬质陶瓷颗粒（3）平均粒径的0.01-0.15倍；尖角朝着叶尖端面外法线方向的硬质陶瓷颗粒的比例占硬质陶瓷颗粒（3）颗粒总数量的0.7-0.9倍；尖角朝外的硬质陶瓷颗粒（3）指颗粒尖角的两条棱边与叶尖端面外法线的角度均介于0-90°之间；
所述尖角朝外的硬质陶瓷颗粒（3）指尺寸为0.01-0.2倍颗粒平均粒径的短棱边与叶尖端面外法线角度介于0-20°之间。
2.根据权利要求1所述的尖角朝外的超平整叶尖切削涂层，其特征在于，硬质陶瓷颗粒（3）为立方氮化硼颗粒或金刚石颗粒；硬质陶瓷颗粒（3）的平均粒径为50~120 μm时，满足切削性能需求；硬质陶瓷颗粒（3）的平均粒径为121 ~350 μm时，满足散热性能需求。
3.根据权利要求1所述的尖角朝外的超平整叶尖切削涂层，其特征在于，粘结合金层（2）选择镍含量大于53.0%，铬含量为6%~28%的镍基合金；或者，选择钛含量大于40%，锆含量为18%~30%，铜含量为10%~25%的钛基合金。
4.权利要求1所述的尖角朝外的超平整叶尖切削涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）制备粘结合金层：对预处理后的叶尖基体表面涂覆粘结合金层，粘结合金层厚度为硬质陶瓷颗粒平均粒径的0.4-0.8倍；
2）撒布硬质颗粒：将硬质陶瓷颗粒撒布在尖角连续的模具中，振动模具使得硬质陶瓷颗粒尖角向下插入模具中；
3）加热重熔：将涂有粘结合金的叶尖基体端面对接在撒布有颗粒的模具上方，并将对接好的叶尖基体和模具固定，透过模具加热，使得粘结合金重新熔化，硬质陶瓷颗粒与粘结合金牢固结合，制得尖角朝外的超平整叶尖切削涂层。
5.根据权利要求4所述的尖角朝外的超平整叶尖切削涂层的制备方法，其特征在于，步骤1）中，涂覆粘结合金层采用等离子喷涂法，喷涂功率为25~55kW，喷涂距离为100~200mm。
6.根据权利要求4所述的尖角朝外的超平整叶尖切削涂层的制备方法，其特征在于，步骤2）中，模具选择与粘结合金和硬质陶瓷颗粒浸润性差的材料；
模具熔点高于粘结合金熔点按开尔文温度计算的1.35倍；
模具有连续分布的凹坑，凹坑形状为尖角朝下的棱锥，凹坑深度为硬质陶瓷颗粒平均粒径的0.2-0.5倍；单个凹坑的单向最小尺寸超过凹坑平均边长0.05倍的面之间的夹角的平均值为凹坑角平均值，单个颗粒的单向最小尺寸超过颗粒平均粒径0.05倍的面之间的夹角的平均值为颗粒尖角平均值，凹坑角平均值为颗粒尖角平均值的0.5-1.5倍。
7.根据权利要求4所述的尖角朝外的超平整叶尖切削涂层的制备方法，其特征在于，步骤3）中，将模具撒有颗粒的一侧向上放置，将叶尖端面的粘结合金层与颗粒对接在一起。
8.根据权利要求4所述的尖角朝外的超平整叶尖切削涂层的制备方法，其特征在于，步骤3）中，加热温度为粘结合金熔点按开尔文温度计算的1.05-1.2倍，同时低于叶尖基体的熔点，且低于的温度为超过叶尖基体与粘结合金熔点之差的0.5倍；加热方式采用感应加热，感应电流为20~65A，加热时间为2~15s。
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