CN113166917A - 一种高温合金涡轮盘涂层及其制造方法 - Google Patents

一种高温合金涡轮盘涂层及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温合金涡轮盘涂层，组成成分及质量百分比如下：Cr：10～13％，Al：2～4％，Si：1.5～4％，Fe：5～8％，Ti：1～1.5％，C：0.5～1％，B：4～6％，Zn：1.2～2％，Mo：1～2％，Sb：0.2～0.4％，Co：0.5～0.8％，Cu：3～5％，余量为Ni。本发明还公开了一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法。本发明涂层组织均匀，晶粒细化，含氧量小，铸造过程中出现的组织缺陷较少，组织中成分偏析较少，没有出现枝晶偏析，固溶度高，固溶强化相分布均匀，杂质含量低。并且本发明中的涂层中均匀分布纳米级别的多元陶瓷增强相，构成耐磨骨架，从而避免涂层剥落。

Description

一种高温合金涡轮盘涂层及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种高温合金涡轮盘涂层及其制造方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
涡轮盘属于航空发动机的一个部件，涡轮盘工作条件严酷，需要在不同的温度、载荷、环境介质(空气，燃气)下工作，故涡轮盘要求其设计制造必须满足如下性能：强度高、耐磨性高、耐热性好、抗腐蚀能力强、在高、低温环境下稳定性好(即抗热裂性好，同时抗低温冲击)等，从而保证其服役年限以及服役期间的安全性问题。
现有的涡轮盘为了增强其力学性能，经常在其表面涂覆力学性能好的陶瓷涂层，但是现有陶瓷涂层一般为Al2O3，Al2O3为颗粒较大的异质颗粒，该异质颗粒容易剥落，尤其是在涡轮盘高速旋转摩擦过程中陶瓷涂层易剥离。并且现有的涡轮盘一般考察其在高温环境下的力学性能，很少考察其低温环境下的力学性能，而航空飞机在高空运行过程中，冬季的高空环境温度更低，为保证涡轮盘在较低的外界环境下的正常运转，非常有必要设计一种耐高低温的高温合金涡轮盘涂层及其制造方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，本发明提供一种耐高低温、涂层不易剥落、力学性能好的高温合金涡轮盘涂层。
同时，本发明提供一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法，该法采用真空以及气雾化的方法制备粒径极小的高温合金喷雾并采用热喷涂工艺均匀涂覆于涡轮盘表面，该法制得的涂层中含有纳米级别的陶瓷相，涂层更加均匀，不易剥落，并且真空工艺使合金粉末中的易挥发成分B避免逸出。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种高温合金涡轮盘涂层，组成成分及质量百分比如下：Cr：10～13％，Al：2～4％，Si：1.5～4％，Fe：5～8％，Ti：1～1.5％，C：0.5～1％，B：4～6％，Zn：1.2～2％，Mo：1～2％，Sb：0.2～0.4％，Co：0.5～0.8％，Cu：3～5％，余量为Ni。
一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法，包括以下步骤：
步骤一，使用真空熔炼炉熔炼：抽真空后，550℃～580℃预热真空熔炼炉，预热完成后，将Zn置入真空熔炼炉底部，然后再在Zn上覆盖Ni，30min内升温至1100℃～1120℃，熔清后在4h内升温至1800℃～2000℃，再加入Cr、Al、Si、Fe、Ti、C、B、Mo、Sb、Co和Cu，真空熔炼炉先采用低频电磁外场搅拌，同时吹氩搅拌；搅拌时间至少为2h；然后再采用中频电磁外场搅拌1～5h，搅拌完成后获得高温合金液；
步骤二，真空熔炼炉与真空雾化室之间由雾化喷嘴相连通，真空雾化室内放置有涡轮盘，雾化喷嘴正对涡轮盘，真空熔炼炉内的高温合金液经气雾化后热喷涂至涡轮盘表面形成涂层；
步骤三，涡轮盘及其涂层于300～700℃热处理3～4小时后，自然冷却至室温；
步骤四，将热处理后的涡轮盘及其涂层放入冷冻机中，-100～-80℃冷处理至少30min后，自然回温至室温；
步骤五，将冷处理后的涡轮盘及其涂层进行500～700℃回火处理2～3h后，自然冷却至室温。
所述真空熔炼炉和所述真空雾化室的真空度均为-0.08～-0.1MPa，并且所述真空熔炼炉的真空度较所述真空雾化室的真空度小0.001～0.005MPa。
所述气雾化的雾化气为氩气。
低频电磁外场的频率为50Hz或60Hz，所述中频电磁外场的频率为1000～5000Hz。
所述涂层的厚度为0.5～1mm。
所述真空雾化室内的温度为800～950℃。
所述高温合金液经气雾化形成的雾滴的粒径范围为30～40μm。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的涂层组织均匀，晶粒细化，含氧量小，铸造过程中出现的组织缺陷较少，组织中成分偏析较少，没有出现枝晶偏析，固溶度高，固溶强化相分布均匀，杂质含量低。
(2)本发明中的涂层中均匀分布纳米级别的陶瓷组织，并且陶瓷组织呈现多元化，包括Al2O3相、TiB2相、SiO2相、SiC相、BC4相、Cr2B相等多元陶瓷复合相，上述多元陶瓷复合相弥散分布在涂层基体中，构成耐磨骨架，从而避免涂层剥落。并且涂层与涡轮盘基体之间为结合力强的冶金结合，进一步避免涂层剥落。
(3)本发明中的Cr、Mo、Fe、Cu、Co与Ni形成强化固溶体，同时Al、Ti与Ni形成中间化合物强化相；Ni中强化固溶体的形成，使涡轮盘的强度、硬度、抗震性、耐蚀性、抗氧化性、高温强度明显提高，而膨胀系数、对铜的热电势和电阻温度系数则大大降低。Ni中添加能形成中间化合物强化相的合金元素Al、Ti后，涡轮盘的各元素之间形成NiAl、NiTi等金属间化合物，金属间化合物之间采用金属键牢固结合，使涡轮盘硬度大大提高，涡轮盘的性能，特别是高温力学性能、耐蚀性进一步提高。Ni中添加能够降低低温脆性的元素Al，Al再加上冷处理的工艺，不仅能够满足涡轮盘的力学性能，也能明显提升低温条件下涡轮盘的冲击吸收功。Ni中陶瓷相元素Al、Si、C、Ti、B的加入，再加上真空处理(真空熔炼+真空雾化)的工艺，使本发明的涂层中弥散分布耐磨性能优异的、纳米级别的多元陶瓷复合增强相。
(4)对本发明的涡轮盘的力学性能研究发现，其平均伸长率达到25％以上，抗拉强度高达520Mpa，硬度达到240HV，-100℃下涡轮盘的冲击吸收功Akv2≥50J，-40℃下涡轮盘的冲击吸收功Akv2≥60J，100～700℃下涡轮盘的冲击吸收功均Akv2≥70J。故本发明的涡轮盘受环境温度影响小，在高、低温环境下均可稳定运行，进一步保证了其使用安全性。
(5)将本发明的涡轮盘进行耐摩擦磨损实验，测试后，涡轮盘磨痕光滑，涂层完好。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种高温合金涡轮盘涂层，组成成分及质量百分比如下：Cr：10％，Al：2％，Si：1.5％，Fe：5％，Ti：1％，C：0.5％，B：4％，Zn：1.2％，Mo：1％，Sb：0.2％，Co：0.5％，Cu：3％，余量为Ni。
一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法，包括以下步骤：
步骤一，使用真空熔炼炉熔炼：抽真空后，550℃℃预热真空熔炼炉，预热完成后，将Zn置入真空熔炼炉底部，然后再在Zn上覆盖Ni，30min内升温至1100℃℃，熔清后在4h内升温至1800℃℃，再加入Cr、Al、Si、Fe、Ti、C、B、Mo、Sb、Co和Cu，真空熔炼炉先采用低频电磁外场搅拌，同时吹氩搅拌；搅拌时间为2h；然后再采用中频电磁外场搅拌1h，搅拌完成后获得高温合金液；
步骤二，真空熔炼炉与真空雾化室之间由雾化喷嘴相连通，真空雾化室内放置有涡轮盘，雾化喷嘴正对涡轮盘，真空熔炼炉内的高温合金液经气雾化后热喷涂至涡轮盘表面形成涂层；
步骤三，涡轮盘及其涂层于300℃热处理3小时后，自然冷却至室温；
步骤四，将热处理后的涡轮盘及其涂层放入冷冻机中，-100℃冷处理30min后，自然回温至室温；
步骤五，将冷处理后的涡轮盘及其涂层进行500℃回火处理2h后，自然冷却至室温。
所述真空熔炼炉和所述真空雾化室的真空度均为-0.08～-0.1MPa，并且所述真空熔炼炉的真空度较所述真空雾化室的真空度小0.001～0.005MPa。
所述气雾化的雾化气为氩气。
低频电磁外场的频率为50Hz或60Hz，所述中频电磁外场的频率为1000～5000Hz。
所述涂层的厚度为0.5mm。
所述真空雾化室内的温度为800℃。
所述高温合金液经气雾化形成的雾滴的粒径范围为30～40μm。
本实施例制备的涡轮盘平均伸长率为32％，抗拉强度为523Mpa，硬度达到245HV，-100℃下涡轮盘的冲击吸收功Akv2为52J，-40℃下涡轮盘的冲击吸收功Akv2为65J，100～700℃下涡轮盘的冲击吸收功均Akv2为73J。将本实施例的涡轮盘进行耐摩擦磨损实验，测试后，涡轮盘磨痕光滑，涂层完好。
实施例2
一种高温合金涡轮盘涂层，组成成分及质量百分比如下：Cr：13％，Al：4％，Si：4％，Fe：8％，Ti：1.5％，C：1％，B：6％，Zn：2％，Mo：2％，Sb：0.4％，Co：0.8％，Cu：5％，余量为Ni。
一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法，包括以下步骤：
步骤一，使用真空熔炼炉熔炼：抽真空后，580℃预热真空熔炼炉，预热完成后，将Zn置入真空熔炼炉底部，然后再在Zn上覆盖Ni，30min内升温至1120℃，熔清后在4h内升温至2000℃，再加入Cr、Al、Si、Fe、Ti、C、B、Mo、Sb、Co和Cu，真空熔炼炉先采用低频电磁外场搅拌，同时吹氩搅拌；搅拌时间为3h；然后再采用中频电磁外场搅拌5h，搅拌完成后获得高温合金液；
步骤二，真空熔炼炉与真空雾化室之间由雾化喷嘴相连通，真空雾化室内放置有涡轮盘，雾化喷嘴正对涡轮盘，真空熔炼炉内的高温合金液经气雾化后热喷涂至涡轮盘表面形成涂层；
步骤三，涡轮盘及其涂层于700℃热处理4小时后，自然冷却至室温；
步骤四，将热处理后的涡轮盘及其涂层放入冷冻机中，-80℃冷处理50min后，自然回温至室温；
步骤五，将冷处理后的涡轮盘及其涂层进行700℃回火处理3h后，自然冷却至室温。
所述真空熔炼炉和所述真空雾化室的真空度均为-0.08～-0.1MPa，并且所述真空熔炼炉的真空度较所述真空雾化室的真空度小0.001～0.005MPa。
所述气雾化的雾化气为氩气。
低频电磁外场的频率为50Hz或60Hz，所述中频电磁外场的频率为1000～5000Hz。
所述涂层的厚度为1mm。
所述真空雾化室内的温度为950℃。
所述高温合金液经气雾化形成的雾滴的粒径范围为30～40μm。
本实施例制备的涡轮盘平均伸长率为33％，抗拉强度为5273Mpa，硬度达到251HV，-80℃下涡轮盘的冲击吸收功Akv2为58J，-40℃下涡轮盘的冲击吸收功Akv2为64J，100～700℃下涡轮盘的冲击吸收功均Akv2为71J。将本实施例的涡轮盘进行耐摩擦磨损实验，测试后，涡轮盘磨痕光滑，涂层完好。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于：
一种高温合金涡轮盘涂层，组成成分及质量百分比如下：Cr：11％，Al：3％，Si：3％，Fe：7％，Ti：1.2％，C：0.8％，B：5％，Zn：1.5％，Mo：1.5％，Sb：0.3％，Co：0.7％，Cu：4％，余量为Ni。
本实施例制备的涡轮盘平均伸长率为33％，抗拉强度为524Mpa，硬度达到249HV，-100℃下涡轮盘的冲击吸收功Akv2为56J，-40℃下涡轮盘的冲击吸收功Akv2为67J，100～700℃下涡轮盘的冲击吸收功均Akv2为76J。将本实施例的涡轮盘进行耐摩擦磨损实验，测试后，涡轮盘磨痕光滑，涂层完好。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种高温合金涡轮盘涂层，其特征在于：组成成分及质量百分比如下：Cr：10～13％，Al：2～4％，Si：1.5～4％，Fe：5～8％，Ti：1～1.5％，C：0.5～1％，B：4～6％，Zn：1.2～2％，Mo：1～2％，Sb：0.2～0.4％，Co：0.5～0.8％，Cu：3～5％，余量为Ni。
2.根据权利要求1所述的一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，使用真空熔炼炉熔炼：抽真空后，550℃～580℃预热真空熔炼炉，预热完成后，将Zn置入真空熔炼炉底部，然后再在Zn上覆盖Ni，30min内升温至1100℃～1120℃，熔清后在4h内升温至1800℃～2000℃，再加入Cr、Al、Si、Fe、Ti、C、B、Mo、Sb、Co和Cu，真空熔炼炉先采用低频电磁外场搅拌，同时吹氩搅拌；搅拌时间至少为2h；然后再采用中频电磁外场搅拌1～5h，搅拌完成后获得高温合金液；
步骤二，真空熔炼炉与真空雾化室之间由雾化喷嘴相连通，真空雾化室内放置有涡轮盘，雾化喷嘴正对涡轮盘，真空熔炼炉内的高温合金液经气雾化后热喷涂至涡轮盘表面形成涂层；
步骤三，涡轮盘及其涂层于300～700℃热处理3～4小时后，自然冷却至室温；
步骤四，将热处理后的涡轮盘及其涂层放入冷冻机中，-100～-80℃冷处理至少30min后，自然回温至室温；
步骤五，将冷处理后的涡轮盘及其涂层进行500～700℃回火处理2～3h后，自然冷却至室温。
3.根据权利要求2所述的一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法，其特征在于：所述真空熔炼炉和所述真空雾化室的真空度均为-0.08～-0.1MPa，并且所述真空熔炼炉的真空度较所述真空雾化室的真空度小0.001～0.005MPa。
4.根据权利要求2所述的一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法，其特征在于：所述气雾化的雾化气为氩气。
5.根据权利要求2所述的一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法，其特征在于：低频电磁外场的频率为50Hz或60Hz，所述中频电磁外场的频率为1000～5000Hz。
6.根据权利要求2所述的一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法，其特征在于：所述涂层的厚度为0.5～1mm。
7.根据权利要求2所述的一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法，其特征在于：所述真空雾化室内的温度为800～950℃。
8.根据权利要求2所述的一种高温合金涡轮盘涂层的制造方法，其特征在于：所述高温合金液经气雾化形成的雾滴的粒径范围为30～40μm。
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