CN114833415B - 一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法 - Google Patents

Abstract

一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法，所述方法将电子束（7）产生的热源通过金属薄板（1）陶瓷粉末（6）、陶瓷颗粒（2）、MCrAlYX涂层（3）、镍基高温钎料（5）传导到单晶高温合金块（4）试样表面达到钎涂的要求，从而避免电子束直接冲击涂层而产生的各种问题，获得符合性能要求的叶尖耐磨涂层。由此所制备的叶片叶尖耐磨封严涂层在不断刮削可磨耗涂层时，可以起到保护叶片叶尖和蓖齿等转子零件，使其避免遭受过度磨损的作用，对提升发动机密封性和服役寿命有着重要的意义。

Description

一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法，属合金涂层技术领域。

背景技术

提高航空发动机的封严密封是提升发动机工作效率的重要方法。在发动机高温高压的工作条件下，发动机的叶片，特别是叶尖部分的工作环境十分恶劣，这就要求所使用的叶片金属材料既要有优异的高温力学性能，又要具备良好的抗热腐蚀、抗氧化、抗磨损等性能。

目前，风扇叶片与压气机涡轮叶片大都采用叶尖耐磨涂层与机匣内表面可磨耗封严涂层组成封严密封对，而高温单晶涡轮叶片的叶尖尚无有效的防护。热喷涂技术是制备单晶涡轮叶片防护涂层的常用技术，虽然热喷涂技术易于实现以高沉积速率完成大面积涂层的生产，但热喷涂时会出现涂层/母材界面多为机械结合，且会出现界面污染等缺点。激光熔覆也是制备耐磨涂层一种常用技术，但对于这种与可磨耗封严涂层组成密封对的颗粒部分露出的叶尖耐磨涂层却少有研究。近几年，电火花沉积工艺也被应用于制备叶尖耐磨涂层，此工艺有着结合强度高、对母材影响小、颗粒分布易控制等优点，但其制备效率却有待提高，如公告号CN 111058039 A公开的一种基于火花放电的陶瓷颗粒种植工艺。脉冲电弧种植陶瓷颗粒制备叶尖耐磨涂层时，则需要制备特殊的焊丝，加工工序增加，如CN111468801A公开的一种精密脉冲电弧点焊陶瓷颗粒种植1方法、CN 112296481 A公开的一种颗粒混合粉芯焊丝脉冲电弧颗粒种植方法。因此，叶尖耐磨涂层的制备仍然处于不断的技术探索之中。钎涂技术以其独特的优势开始在耐磨涂层领域快速发展，相比其他几种技术，钎涂技术制备的涂层具有与基体结合强度高、对基体热影响低、复杂零件适应性好、表面精度高等优点，而且钎涂法所制备的涂层厚度易于控制，可制备的涂层厚度范围大。常用的真空炉中钎涂周期较长，能耗较大。真空电子束钎涂是以电子束为热源，发射到样品上，采用扫描的方式将热源传递到所需要钎涂的表面上，实现样品的局部快速加热。相比常用的真空炉中钎涂，真空电子束钎涂的优点在于其在高温段的时间少，所以可以减少钎料对母材的危害；并且电子束的输入能量可以由电子束参数控制，扫描路径也可以轻易编辑。但利用电子束设备钎涂耐磨涂层时，涂层表面的耐磨颗粒以及部分钎料混合物会在电子束的冲击过程中分散到其他区域，无法在样品表面形成较好的涂层。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，采用电火花颗粒种植制备叶尖耐磨涂层的效率较低，而采用真空炉中钎焊制备叶尖涂层时耗时较长的问题；电子束与涂层粉末的直接接触会由于冲击力导致涂层被破坏及颗粒被冲散的问题；所制备的叶尖耐磨涂层，外露部分的陶瓷颗粒会在涂层和金属薄板之间留出大量空隙，增大接触热阻，导致电子束的热量无法向下传递达到钎焊温度的问题；为解决上述问题，提出一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法。

实现本发明方法的技术方案如下，一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法，包括将待制备涂层的单晶高温合金块表面氧化层去除，清洗去油去杂质；所述方法还包括以下步骤：

（1）将MCrAlYX粉末与镍基高温钎料粉末分别与水性有机粘结剂混合制成“粉末面团”，采用特定厚度模具将“粉末面团”分别压制成薄片状；按两层均匀涂覆于单晶高温合金块表面，上层为镍基高温钎料薄片，下层为MCrAlYX薄片，形成涂层；其中M= Ni, Co，X=Ta，Hf，Si；

（2）将表面金属化的陶瓷颗粒按排布需求嵌入涂层，颗粒外露出一定高度，组装成叶尖耐磨涂层原始形态；随后对涂层样品进行干燥和脱脂烧结。

（3）为避免电子束直接冲击到涂层上造成飞溅，采用一定厚度的金属薄板作为热传导层，放置于涂层上方，并用陶瓷粉末填充涂层与金属薄板之间留有的间隙；压实以确保电子束能量有效向下传导，使高温钎料熔化并逐渐渗流进入MCrAlYX涂层。

（4）采用真空电子束设备，将组装好的涂层样品放进真空工作室；调整电子束为散焦状态，并设定工艺参数和扫描路径，抽取真空，待真空度小于5×10^-2Pa后发射电子束；使高温钎料熔化并逐渐渗流进入MCrAlYX涂层，随后凝固形成叶尖耐磨涂层。

所述陶瓷颗粒选用碳化物、硼化物、氧化物、氮化物或金刚石等陶瓷材料；颗粒外形为尖锐的不规则形，颗粒粒径为50~300μm；种植在涂层表面的陶瓷颗粒外露高度控制在颗粒粒径的20%~80%之间。

所述陶瓷颗粒表面金属化处理包括化学镀、电镀或PVD；表面金属化的陶瓷颗粒根据排布需求均匀地或者按一定图案嵌入到涂层表面。

所述涂层样品的干燥和脱脂烧结的技术参数为：升温速度10~20℃/min加热至60~100℃，保温1~2小时；再以5~10℃/min的升温速度加热至160~200℃，保温1~2小时。

所述金属薄板的材质为具有高熔点和高热导率的材料，但不限于不锈钢、铜及铜合金；所述金属薄板厚度0.1~2mm；选用的陶瓷粉末为具有高热导率的氮化物、氧化物陶瓷材料，粒径小于10μm；其中，陶瓷粉末需要均匀密实的填满涂层与基板之间的空隙，以确保热量能够传递至钎焊涂层样品，使高温钎料熔化并逐渐渗流进入MCrAlYX涂层，随后凝固形成叶尖耐磨涂层。

所述电子束参数为：加速电压40~80kV，束流6~20mA，加热时间100~500s，扫描速度30~100mm/s，聚焦电流200~400mA，束斑直径10~50mm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点及有益效果：

本发明利用真空电子束设备，可以避免真空钎涂技术的钎焊周期长、高温停留时间长的问题，大大减少钎料对母材的熔蚀问题，制备性能优异耐磨涂层；同时，真空电子束设备还具有局部快速加热、对能量输入路径可任意调整的优点，提升了涂层制备的效率。此外，在真空条件下实验，可避免金属元素的氧化、涂层表面腐蚀等问题。

本发明避免了真空电子束对涂层表面的直接冲击，使电子束的热量满足钎焊温度和保温时间的同时，不会对涂层造成损伤。

本发明选用的热传导层采用了金属薄板与陶瓷粉末相结合的方式，确保涂层与热传导层之间不会存在过多的空隙，避免了电子束热量无法有效向下传递的问题。本发明操作简单方便，可实现高效快速的涂层制备过程。

附图说明

图1为一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法示意图；

图2为真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层表面宏观图片；

图3为真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层截面的微观组织图；

图中，1是金属薄板；2是陶瓷颗粒；3是MCrAlYX涂层；4是单晶高温合金块；5是镍基高温钎料；6是陶瓷粉末；7是电子束。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如下：

本实施例一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法，具体实施方式如下：

（1）采用砂纸打磨将待制备涂层的单晶高温合金块表面氧化层去除，并采用无水酒精清洗以去除表面油污与杂质。

（2）将MCrAlYX（M= Ni, Co；X=Ta, Hf，Si）涂层粉末材料（粒径50~180μm）与镍基高温钎料粉末（粉末粒径10~45μm）分别与水性有机粘结剂混合制成“粉末面团”（质量比为10:1~8:1）；MCrAlYX涂层粉末面团与镍基高温钎料粉末面团的质量比为2:8~5:5；之后采用特定深度模具将“粉末面团”压制成薄片状，厚度0.1~0.3mm，并按照上层为镍基高温钎料薄片，下层为MCrAlYX薄片的两层方式涂覆于单晶高温合金块表面，形成涂层。

（3）采用化学镀、电镀或PVD等镀层方法对陶瓷颗粒表面进行金属化，以增加陶瓷颗粒与涂层的连接性；陶瓷颗粒选用碳化物、硼化物、氧化物、氮化物或金刚石等陶瓷材料，颗粒外形为尖锐的不规则形，颗粒粒径为50~300μm；将表面金属化的陶瓷颗粒按排布需求嵌入涂层，可以均匀铺设也可以按照一定图案铺设，颗粒外露出一定高度，外露高度控制在颗粒粒径的20%~80%之间，组装成叶尖耐磨涂层原始形态。随后对其进行干燥和脱脂烧结，其温度制度为升温速度10~20℃/min加热至60~100℃，保温1~2小时；再以5~10℃/min的升温速度加热至160~200℃，保温1~2小时。

（4）为避免电子束直接冲击到涂层上造成飞溅，采用一定厚度的金属薄板作为热传导层，金属薄板材质为具有高熔点和高热导率的材料，包括但不限于不锈钢、铜及铜合金等，厚度0.1~2mm，放置于涂层上方，并用陶瓷粉末填充涂层与金属薄板之间留有的间隙，压实以确保电子束能量有效向下传导达到钎焊温度要求，使高温钎料熔化并逐渐渗流进入MCrAlYX涂层，随后凝固形成叶尖耐磨涂层。选用的陶瓷粉末为具有高热导率的氮化物、氧化物等陶瓷材料，粒径小于10μm。

（5）采用真空电子束设备，将组装好的涂层样品放进真空工作室，抽取真空到＜5×10-2Pa。调整电子束为散焦状态，并设定工艺参数和扫描路径，完成钎涂过程。优选工艺参数范围：加速电压40~80kV，束流6~20mA，加热时间100~500s，扫描速度30~100mm/s，聚焦电流200~400mA，束斑直径10~50mm。

具体实施例：

本实施例的金属基体选用单晶高温合金PWA1483，用砂纸打磨掉金属基体表面氧化层并用无水乙醇超声清洗去除油污和杂质，吹干备用。

将NiCoCrAlYTa粉末与BNi-2镍基钎料按照4:6的重量比例称量后，按10:1的重量比分别与水性粘结剂混合成粉末面团状，然后压制成薄片状均匀涂覆于单晶块上。压制成薄片状的涂层呈两层式分布，其中上层为BNi-2高温钎料，厚度0.3mm；下层为NiCoCrAlYTa，厚度0.2mm。

之后选用50目的Al₂O₃陶瓷颗粒，在其表面化学镀Ni金属层之后，均匀的嵌入涂层表面，外露高度为颗粒粒径的50%~70%。将组装好的样品进行干燥和脱脂烧结处理，温度制度为：升温速度10℃/min加热至60℃，保温1小时；再以5℃/min的升温速度加热至160℃，保温1小时。

采用粒径10μm氮化铝粉末填满涂层表面因陶瓷颗粒露出而形成的空隙，并将0.5mm厚的304不锈钢薄板置于样品表面作为热传导层，压实后固定。

采用真空电子束设备，将处理好的样品放入真空室内，关闭室门，抽取真空到3×10-2Pa，调整工艺参数：加速电压60kV，束流8mA，加热时间150s，加热时间200s，扫描速度100mm/s，聚焦电流400mA，束斑直径20mm。

设置扫描路径，发射电子束，完成单晶高温合金耐磨涂层的真空电子束钎涂过程。

Claims (7)

1.一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法，包括将待制备涂层的单晶高温合金块表面氧化层去除，清洗去油去杂质；其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

（1）将MCrAlYX粉末与镍基高温钎料粉末分别与水性有机粘结剂混合制成“粉末面团”，并分别压制成薄片状；按两层均匀涂覆于单晶高温合金块表面，上层为镍基高温钎料薄片，下层为MCrAlYX薄片，形成涂层；其中M=Ni+Co，X=Ta、Hf或Si；

（2）将表面金属化的陶瓷颗粒按排布需求嵌入涂层，颗粒外露出一定高度，颗粒外露高度为颗粒粒径的20%~80%，组装成叶尖耐磨涂层原始形态；随后对涂层样品进行干燥和脱脂烧结；

（3）采用厚度0.1~2mm的金属薄板作为热传导层，放置于涂层上方，并用陶瓷粉末填充涂层与金属薄板之间留有的间隙；

（4）采用真空电子束设备，将组装好的涂层样品放进真空工作室；调整电子束为散焦状态，并设定工艺参数和扫描路径，抽取真空，待真空度小于5×10^-2Pa后发射电子束；使高温钎料熔化并逐渐渗流进入MCrAlYX涂层，随后凝固形成叶尖耐磨涂层。

2.根据权利要求1所述的一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法，其特征在于，所述MCrAlYX粉末粒径为50~180μm，其在涂层中的含量为20~50 wt.%；所述镍基高温钎料粉末粒径10~45μm，其在涂层中含量为50~80wt.%；所述的水性有机粘结剂是包含一种或多种的乙烯基聚合物，挥发温度为100~200℃；涂层混合粉末与水性有机粘结剂的重量比为10:1~8:1；压制成薄片状的涂层，每层厚度控制在0.1~0.3mm之间。

3.根据权利要求1所述的一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒选用碳化物、硼化物、氧化物、氮化物或金刚石陶瓷材料；颗粒外形为尖锐的不规则形，颗粒粒径为50~300μm。

4.根据权利要求1所述的一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法，其特征在于，所述涂层样品的干燥和脱脂烧结的技术参数为：升温速度10~20℃/min加热至60~100℃，保温1~2小时；再以5~10℃/min的升温速度加热至160~200℃，保温1~2小时。

5.根据权利要求1所述的一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法，其特征在于，所述金属薄板的材质为具有高熔点和高热导率的材料，但不限于不锈钢、铜及铜合金；选用的陶瓷粉末为具有高热导率的氮化物、氧化物陶瓷材料，粒径小于10μm；其中，陶瓷粉末需要均匀密实的填满涂层与基板之间的空隙，以确保热量能够传递至钎焊涂层样品，使高温钎料熔化并逐渐渗流进入MCrAlYX涂层，随后凝固形成叶尖耐磨涂层。

6.根据权利要求1所述的一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法，其特征在于，所述电子束参数为：加速电压40~80kV，束流6~20mA，加热时间100~500s，扫描速度30~100mm/s，聚焦电流200~400mA，束斑直径10~50mm。

7.根据权利要求3所述的一种真空电子束钎焊单晶高温合金叶尖耐磨涂层的方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒表面金属化处理包括化学镀、电镀或PVD；表面金属化的陶瓷颗粒根据排布需求均匀地或者按一定图案嵌入到涂层表面。

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