CN115176045A

CN115176045A - 耐磨涂层

Info

Publication number: CN115176045A
Application number: CN202180016077.6A
Authority: CN
Inventors: 纪尧姆·弗拉代特; L·P·杜东; 塞尔日·乔治斯·弗拉迪米尔·瑟勒兹内夫
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2022-10-11
Also published as: WO2021170933A1; FR3107524A1; US20230089114A1; FR3107524B1; EP4110966A1

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机的耐磨涂层，该耐磨涂层包括莫氏硬度等于或小于6且熔化温度大于450℃或甚至800℃的无机化合物，和含量在40体积％‑70体积％之间的高分子化合物。

Description

耐磨涂层

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮机的耐磨涂层，以及一种涡轮机模块和包括这种耐磨涂层的涡轮机。

这种耐磨涂层可用于任何类型的涡轮机，尤其是民用或军用涡轮喷气发动机。尤其是，这种耐磨涂层在温度高达450℃的环境中尤其有用。

背景技术

在许多旋转机器中，已知的是在定子环上设置与转子叶片的顶部相对的耐磨轨道。

这种轨道是由“耐磨”材料制成的，当旋转叶片接触到这些轨道时，该材料会磨损。

这确保了转子和定子之间的最小间隙，限制了空气泄漏并提高了旋转机器的性能，而如果他们与定子摩擦时，没有损坏叶片的风险。

涡轮喷气发动机的性能很大程度上取决于定子和转子之间这些间隙的控制。例如，叶片的顶部和耐磨轨道之间的间隙必须保持最小，以减少旋转机器的泵送余量(pumping margin)。

在大直径的情况下，这些间隙可以通过耐磨轨道得到有效控制。

在风道中，通过叶片接触耐磨轨道来减小间隙。当形成接触时，叶片在定子上的摩擦力磨损耐磨轨道，叶片以最小的间隙开口跟随其路径。因此，定子环的直径自动调整为尽可能靠近转子。

在风道外，一系列的滑动片被加工到转子中，并穿过耐磨轨道，形成迷宫(labyrinth)以供空气流动。这个迷宫具有密封作用。

目前用于温度低于450℃的发动机区域的耐磨密封件是基于铝硅合金(Al-Si)结合聚酯型聚合物或六方氮化硼(h-BN)型陶瓷的耐磨涂层。

然而，这些耐磨涂层的耐蚀性较差。叶片在涂层上的摩擦导致氢氧化铝化合物(Al(OH)₃)的产生，该化合物引起耐磨涂层的膨胀，从而引起在涂层中的分层。这些分层10在图1中明显地示出，图1示出了基材12上的耐磨涂层11。这些涂层接下来会失去其耐磨的功能。

此外，这些耐磨涂层在低侵入速度下的耐磨性能较差。

图2显示了通过摩擦叶片获得的基于Al-Si和高分子的耐磨涂层的磨损图。该磨损图示出了侵入耐磨涂层的速率(Ti)随叶片速度(V)变化的函数。在该图中，区域A对应于叶片上涂层的转移区域，区域B对应于叶片上存在铝的弱转移的耐磨涂层的开沟区域，区域C对应于存在耐磨涂层的微切口的开沟区域，区域D对应于通过融合而磨损的区域。箭头表示耐磨涂层是多孔时的磨损方式。

在低侵入速度(约10μm/s)时，我们观察到耐磨涂层转移到叶片(图2的区域A和B)，以及因此的过度穿透(例如246％的穿透)和沟纹的出现，如图2所示。这些转移导致发动机性能的主要损失。

因此，确实需要不存在、至少部分地不存在上述已知结构中固有缺点的用于涡轮机的耐磨涂层、涡轮机模块和包括这种耐磨涂层的涡轮机。

本发明的目的是提出一种能够弥补这些缺点中的至少一些的解决方案。

发明内容

为此目的，本发明涉及一种用于涡轮机的耐磨涂层，该耐磨涂层包括莫氏硬度小于或等于6且熔化温度大于450℃甚至800℃的无机化合物和含量为40体积％-70体积％的高分子化合物。

在本公开中，“无机化合物”是指具有有序原子结构和确定化学组成的固体化合物。尤其地，这种无机化合物可以具有特征为其原子根据给定的周期性和对称性(无机化合物的晶系和空间群)排列的晶体结构。

在本公开中，除非另有说明，术语“低于”和“高于”应从广义上理解，即分别表示“小于或等于”和“大于或等于”。

根据本发明的耐磨双组分高分子/无机物涂层有利地具有抗腐蚀和抗开沟性能。实际上，由于它们的物理化学性质，高分子化合物和无机化合物不会腐蚀。

根据本发明的涂层提供非常好的耐磨性并产生低的空气动力学损失。这种耐磨涂层生产成本低廉，并提供了广泛的加工可能性。

在低于或等于450℃，或甚至350℃的温度下，这种耐磨涂层可以在发动机上正常运转，没有时间限制。实际上，高分子化合物可以承受这种温度，而不会降低涂层的耐磨性，并且无机化合物可以在高达450℃、或甚至800℃下保持热稳定。

这种耐磨涂层具有高温稳定性，使其适用于暴露在高温下的涡轮机模块，例如高压压缩机和低压压缩机。

在发动机运行过程中，与耐磨涂层齐平或穿透耐磨涂层的叶片会产生可能爆炸的粉尘。根据本发明的由高分子和无机物组成的耐磨涂层，铝的缺乏极大降低了粉尘对自身爆炸的敏感性。

此外，磨屑是惰性的，这减少了其对涡轮机下游部件的影响。这种涂层降低了堵塞模块的冷却通道的风险。

无机化合物在高达至少450℃，以及有可能在800℃下是稳定的。

所谓“稳定”是指无机化合物从室温升高至相关温度时，不发生物理状态的变化(例如熔化或相变)或化学变化(例如氧化)。

根据本发明，无机化合物可选自：氟化钙，羟基磷灰石，磷酸镧，硅藻土，白云母或硫酸钡。这些无机化合物有利地在高达至少450℃，甚至900℃下是稳定的，并且具有适于提供令人满意的耐磨性的硬度，同时表现出低粗糙度。

高分子化合物可以是聚酯，例如液晶，或可喷射(projectable)聚合物(即，可被喷射的聚合物，尤其是通过热喷涂可被喷射的聚合物)。

优选地，耐磨涂层的孔隙率小于5％。

孔隙率定义为材料中存在的空隙的体积与材料的总体积的比值。由于孔隙率降低，即使没有表面处理，涂层的粗糙度也降低，这限制了空气动力学损失。

耐磨涂层优选地不溶于水和丙酮。耐磨涂层可不溶于或微溶于醇。

本发明还涉及一种涡轮机模块，该涡轮机模块包括：

-设置有多个动叶片的转子，

-定子，和

-至少一个根据本发明的耐磨涂层，设置在转子的一部分和定子的一部分之间的界面处。

该模块可以是用于涡轮机的高压压缩机或低压压缩机。该模块或此类型的压缩机中的温度优选地低于350℃。

涡轮机模块可包括至少一个粗糙度Ra在9μm-40μm之间的底层，该底层优选地在耐磨涂层之下、在转子的所述一部分和定子的所述一部分之上。该底层能够使耐磨涂层更好的附着到待涂覆的基材。有利地，底层越粗糙，耐磨涂层的附着性越好。

有利地，粗糙底层位于定子的所述一部分和耐磨涂层之间。

粗糙底层可以由镍-铝合金或镍-铬-铝合金构成。

本发明还涉及包括根据本发明的模块的飞机涡轮机。

本发明还涉及制造根据本发明的耐磨涂层的方法，该方法包括以下步骤：

-将莫氏硬度小于或等于6且熔化温度大于450℃、甚至800℃的无机化合物的粉末与高分子化合物的粉末混合，

-由粉末混合物形成耐磨涂层，其中高分子化合物的含量为耐磨涂层的40体积％-70体积％，以及

-将耐磨涂层施加在涡轮机模块的具有多个动叶片的转子的一部分和涡轮机模块的定子的一部分之间的界面上。

这确保了涂层在高达至少450℃下的化学稳定性。

耐磨涂层可通过单注射热喷涂或双注射热喷涂，或通过挤出，或通过热模塑来形成。尤其是，可通过用于双组份的双注射热喷涂或在已混合粉末的情况下单注射的方式获得耐磨涂层。

耐磨涂层的施加是通过与粘合剂膜粘合或通过直接注射在转子的一部分和定子的一部分之间来进行的。与该粘合剂接触的至少一个表面优选地通过适当的处理进行粗糙化。

然后可以通过车削和/或铣削和/或磨削来加工耐磨涂层。

该工艺可进一步包括施加粗糙度Ra在9μm-40μm之间的底层的步骤，优选地在转子部分和定子部分之上、在耐磨涂层之下施加粗糙度Ra在9μm-40μm之间的底层的步骤。

粗糙底层可以由镍-铝合金或镍-铬-铝合金构成。

可以通过在区域中的等离子喷涂将粗糙底层沉积在定子的一部分上。在这种情况下，底层的粗糙度Ra可为10μm。

或者，可以通过电弧丝喷涂将粗糙底层沉积在定子的一部分上。在这种情况下，底层的粗糙度Ra为40μm。

附图说明

在参考附图，阅读以下非限制性示例描述后，本发明将更好理解，并且本发明的进一步细节、特征和优点将变得更清楚，其中：

已经描述的图1表示由Al-Si和聚酯构成的耐磨涂层在循环腐蚀测试后的微观结构，

已经描述的图2表示通过摩擦叶片获得的、由Al-Si和高分子构成的耐磨涂层的磨损图，

已经描述的图3表示在耐磨性测试后，叶片在由Al-Si和h-BN构成的耐磨涂层上留下的痕迹，

图4示出了根据本发明的涡轮机的轴向截面图，

图5表示根据本发明的涡轮机的透视图，

图6表示根据本发明的涡轮机模块的前视图，

图7表示根据本发明的耐磨涂层的抗腐蚀性和抗开沟性随无机化合物和高分子化合物之间的比率变化的图形，

图8示出了双注射热喷涂装置，

图9和10表示根据本发明的由羟基磷灰石和聚酯构成的耐磨涂层的微观结构，以及

图11表示在耐磨性测试后，叶片在根据本发明的由羟基磷灰石和聚酯构成的耐磨涂层上留下的痕迹。

在不同实施方式中具有相同功能的元件在图中具有相同的参考标记。

具体实施方式

图4和图5示出了沿主轴线A延伸的双流涡轮喷气发动机1，构成根据本发明的涡轮机的一个实例。涡轮喷气发动机1从箭头F所示的气流方向的上游到下游包括风扇2、低压压缩机3、高压压缩机4、燃烧室5、高压涡轮6和低压涡轮7。低压压缩机3和高压压缩机4具有几个压缩级。

每个压缩级的转子包括多个动叶片，该动叶片安装在连接到涡轮喷气发动机1的高压轴的盘上。护罩(shroud)将该盘连接到前一级的盘。

每个级的定子包括与转子的动叶片相对设置的护罩，和与转子护罩相对设置的多个固定叶片。定子的护罩具有耐磨轨道，转子的动叶片的外端与之摩擦。

在图5和图6中转子13的动叶片9和定子15的耐磨轨道14之间的接触区域8是尤其可见的。耐磨轨道14接合转子13的叶片9的顶部。接触区域8对应于转子13的叶片9的顶部和耐磨轨道14之间的间隙。

现在将描述用于形成这些耐磨轨道的耐磨涂层的实例。

耐磨涂层包括无机化合物和高分子化合物。更具体地，耐磨涂层可由无机化合物和高分子化合物组成。除任何杂质外，这种耐磨涂层不包括任何其他组分。尤其，这种耐磨涂层不包括金属化合物。

无机化合物的莫氏硬度小于或等于6，熔化温度大于450℃、甚至800℃。换言之，无机化合物至少在高达450℃或800℃下是稳定的。

无机化合物可选自：氟化钙(CaF₂)、羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)、磷酸镧(LaPO₄)、硅藻土(SiO₂)、白云母(KAI₂(AlSi₃O₁₀)(OH,F)₂)或硫酸钡(BaO₄S)。

羟基磷灰石具有六方晶系和6/m空间群。这种无机化合物在高达至少900℃下是稳定的，并且莫氏硬度为5。此外，这种无机化合物不溶于水、丙酮和醇。

高分子化合物可以是聚酯，例如液晶，或可喷涂高分子，例如热喷涂高分子。

该耐磨涂层的体积平均高分子化合物含量在40％和70％之间。

耐磨涂层中高分子化合物的比例取决于发动机部件的功能。例如，用于高压压缩机的耐磨涂层的聚酯含量低(约耐磨涂层的40体积％)，而用于低压压缩机的聚酯含量高(约耐磨涂层的70体积％)。

图7示出了耐磨涂层的耐腐蚀性(R_e)(即抗腐蚀性能)和耐开沟性(R_S)(即抗开沟性能)随无机化合物和高分子化合物之间的比值(R_P)变化的函数。

对于包含0％-80％的高分子化合物和20％-100％的无机化合物的耐磨涂层，耐开沟性R_S(由曲线a表示)是稳定的，而耐腐蚀性R_e(由曲线b表示)随着耐磨涂层中高分子化合物的百分比增加(耐磨涂层的高分子化合物从0体积％至80体积％)而增加，并且因此随着耐磨涂层中无机化合物的百分比的减少(耐磨涂层的无机化合物从100体积％至20体积％)而增加。

在图7中，区域Z1对应于高分子化合物在耐磨涂层中的最佳百分比。该区域Z1范围为耐磨涂层中40体积％至70体积％高分子化合物。包括这种体积百分比的高分子化合物的耐磨涂层表现出最佳的抗腐蚀性能和抗开沟性能。

根据本发明的耐磨涂层不包含大于70体积％的高分子化合物。实际上，在耐磨涂层中高分子化合物超过70体积％时，耐磨涂层对基材的附着力将不足，尤其是在通过热喷涂获得耐磨涂层的情况下。在图7中，区域Z2对应于耐磨涂层中上述高分子化合物的百分比，对于这样的百分比，耐磨涂层对基材没有足够的附着力。

根据本发明的耐磨涂层不包含小于40体积％的高分子化合物。实际上，在耐磨涂层中高分子化合物低于40体积％时，耐磨涂层的耐腐蚀性会不足。在图7中，区域Z3对应于耐磨涂层中上述高分子化合物的百分比，对于这样的百分比，耐磨涂层的耐腐蚀性不足。

优选地，耐磨涂层的孔隙率小于5％。这种孔隙率可以通过放大200倍的显微镜观察来评估。

耐磨涂层不溶于水和丙酮，微溶于醇，并可溶于发动机清洗剂。尤其地，无机化合物在pH3及以下(低于酸雨pH值)时显著溶解。

可使用粉末通过热喷涂在待涂覆的基材上来沉积耐磨涂层。对于由羟基磷灰石和聚酯构成的耐磨涂层，无机化合物在喷涂前的粉末粒径范围为-130μm至+45μm，聚酯在喷涂前的粉末粒径范围为-150μm或-145μm至+45μm。

在单注射热喷涂的情况下，将无机化合物和高分子化合物的粉末预先混合，然后通过等离子体火炬将粉末混合物喷涂到待涂覆的基材上。

在双注射热喷涂的情况下，无机化合物的粉末和高分子化合物的粉末在喷涂在待涂覆的基材上的过程中混合。图8示出了双注射热喷涂装置。该装置20包括无机化合物注射器21、高分子化合物注射器22和等离子火炬23。无机化合物和高分子化合物被注入到等离子体火炬束(plasma torch beam)中，等离子体火炬束将它们喷射到待涂覆的基材上。

耐磨涂层可以通过任何已知的技术来加工，包括车削、铣削或磨削。在表面加工后，可得到如图9所示的耐磨涂层，其微观结构如图10所示。这种耐磨涂层的孔隙率小于或等于5％。

这种耐磨涂层的耐磨度(根据DMC 0420评定)在100％-130％范围内。有了这种耐磨涂层，没有叶片磨损。

DMC 0420测试使用A/O(耐磨度/过度穿透度)比率来评估耐磨涂层的性能，该比率是采用图中未示出的测量装置测量的：布置三个模拟叶片从旋转轮的周边突出。待测试的耐磨样品放置在旋转轮下方。旋转轮以恒定的速度向耐磨样品前进，并穿透它到设定深度。然后测量挖入耐磨样品的实际深度，并计算设定深度与挖入深度的比值。这个比率称为A/O比率，以百分比表示。

根据另一种技术，由羟基磷灰石和聚酯构成的耐磨涂层可以沉积在待涂覆的基材上，优选地在低压压缩机上。将羟基磷灰石粉末和聚酯粉末混合，然后挤出或热模塑成环。该环是耐磨轨道坯件，然后将其结合到待涂覆的基材上或直接注射到基材，例如低压压缩机的外壳上。耐磨轨道坯件可通过粘合剂膜进行粘合。或者，为了最小化粘合密封的厚度并确保耐磨涂层更好地粘附在基材上，环可以冷插入。然后通过在炉中烘烤，例如在大约175℃的温度下进行粘合。然后将耐磨轨道加工到所需尺寸。

可在待涂覆的基材和耐磨涂层之间添加粘合底层。底层越粗糙，耐磨涂层的粘附性越强。优选地，底层的粗糙度Ra在9μm-40μm之间。例如，底层可以由在空气中通过等离子体喷涂沉积在基材上的镍-铝(NiAl)合金或镍-铬-铝(NiCrAl)合金构成。这种底层的粗糙度Ra为约10μm。底层可由通过电弧喷涂沉积的NiAl或NiCrAl构成。这种底层的粗糙度Ra为约40μm。

Claims

1.一种用于涡轮机(1)的耐磨涂层，包括莫氏硬度小于或等于6且熔化温度大于450℃甚至800℃的无机化合物、和含量在40体积％和70体积％之间的高分子化合物，其特征在于，所述无机化合物选自：氟化钙、羟基磷灰石、磷酸镧、硅藻土、云母或硫酸钡。

2.根据权利要求1所述的耐磨涂层，其中，所述高分子化合物为聚酯或可喷射的聚合物。

3.根据权利要求1或2所述的耐磨涂层，其中，孔隙率小于5％。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的耐磨涂层，其中，所述无机化合物为羟基磷灰石，所述高分子化合物为聚酯。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的耐磨涂层，其中，所述涂层不溶于水和丙酮。

6.一种涡轮机模块，包括：

-设置有多个动叶片(9)的转子(13)，

-定子(15)，和

-至少一个根据权利要求1-5中任一项所述的耐磨涂层，所述耐磨涂层设置在所述转子的一部分和所述定子的一部分之间的界面处。

7.根据权利要求6所述的模块，包括至少一个粗糙度Ra在9μm和40μm之间的底层，所述底层在所述耐磨涂层之下、在所述转子(13)的所述一部分和所述定子(15)的所述一部分之上。

8.根据权利要求7所述的模块，其中，所述粗糙底层位于所述定子(15)的所述一部分和所述耐磨涂层之间。

9.根据权利要求7或8所述的模块，其中，所述粗糙底层由镍-铝合金或镍-铬-铝合金构成。

10.一种飞机涡轮机(1)，包括根据权利要求6-9中任一项所述的模块。

11.一种制造根据权利要求1-5中任一项所述的耐磨涂层的方法，包括以下步骤：

-将莫氏硬度小于或等于6且熔化温度大于450℃的无机化合物的粉末与高分子化合物的粉末混合，

-由粉末混合物形成耐磨涂层，其中所述高分子化合物的含量在所述耐磨涂层的40体积％和70体积％之间，

-将所述耐磨涂层施加在涡轮机模块的具有多个动叶片(9)的转子(13)的一部分和定子(15)的一部分之间的界面上。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过单注射热喷涂或双注射热喷涂、挤出或热模塑来进行所述耐磨涂层的形成。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，通过与粘合剂膜粘合或通过直接注射在所述转子(13)的所述一部分和所述定子(15)的所述一部分之间来进行所述耐磨涂层的施加。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，通过在区域中的等离子喷涂将粗糙底层沉积在所述定子(15)的所述一部分上，所述底层的粗糙度Ra为10μm，所述/底层由镍-铝合金或镍-铬-铝合金构成。

15.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，通过电弧丝喷涂将粗糙底层沉积在所述定子(15)的所述一部分上，所述底层的粗糙度Ra为40μm，所述底层由镍-铝合金或镍-铬-铝合金构成。