CN115261764B - 一种航空发动机机匣涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种航空发动机机匣涂层及其制备方法。本申请所述机匣涂层的涂料组分为：按占总重量的百分数计，合金粉末2％‑8％，Gd2Zr2O7粉末20％‑30％，陶瓷类氧化物粉末25％‑45％，搪瓷釉粉补足余量至100％。通过各组分的协同增效作用并控制喷涂工艺，本申请在具有较高喷涂效率的同时，也通过提高涂层致密性和其与基体的结合力，进一步提高了该涂层的耐磨、耐腐蚀、耐高温和耐应力变形性能，可用于对性能要求很高的航空发动机机匣表面的修饰强化。

Description

一种航空发动机机匣涂层及其制备方法
技术领域
本申请涉及金属表面处理技术领域，C09D 1/02，具体涉及一种航空发动机机匣涂层及其制备方法。
背景技术
现代航空涡轮发动机在高温、高压、高速条件下服役，高可靠性和耐高温是现代航空发动机对机匣部件提出的最基本要求。随着我国航空行业的高速发展，表面工程技术也成为了研究热点，涂层就是其中之一，特别是在先进航空发动机的关键制造技术中，涂层对航空发动机关键零部件的耐磨、高温、防护、隔热、封严和阻燃等方面起到了显著的作用，已成为航空动力装置的核心技术之一。在航空发动机机匣表面采用等离子涂覆工艺制备多功能涂层，可有效提高发动机的使用寿命，但现有的表面涂层的耐高温、抗腐蚀、耐磨和抗应力性能仍然不够，存在较大的改善空间。
CN101709162A公开了一种耐高温纳米自修复无机涂料，包括耐高温多组元粉体，氧化铝粉，二氧化钛，云母粉，金属锌粉，余量为硅酸钾，其中耐高温多组元粉体组成为镍铬铝钇粉末，氧化镁，氧化铬，余量为氧化钙。该涂料用于GH907材料的舰载发动机上以提高发动机的耐腐蚀性能和耐高温氧化性能，但是研究中未对该涂层的力学强度进行分析。
CN111250368A公开了一种航空发动机机匣类零件用聚苯酯封严涂层的制备工艺，虽然该制备工艺中的聚苯酯涂层硬度高，孔隙含量低，但其抗腐蚀和耐高温性能仍未可知。
发明内容
为了解决以上技术问题，本申请首先提供了一种航空发动机机匣涂层。
按占总重量的百分数计，所述机匣涂层的涂料组分为：合金粉末2％-8％，Gd2Zr2O7粉末20％-30％，陶瓷类氧化物粉末25％-45％，搪瓷釉粉补足余量至100％。
Gd2Zr2O7材料不仅具有较低的热导率和较高的热膨胀系数，而且显示出较好的抗熔融硅酸盐腐蚀性能，是一种极具潜力的热障涂层新材料；通过在抗高温耐腐蚀的Gd2Zr2O7粉末中添加金属颗粒，降低涂层与发动机机匣接触面的热膨胀系数差异，有效改善基体与涂料涂层热物理、力学性能之间的不匹配性，增强其与基体的结合力并提高涂层的抗剥落性能。
陶瓷类氧化物粉末和搪瓷釉粉材料具有优异的抗氧化和抗腐蚀性能，其对涂层性能的增强作用可一步提高涂层的承载能力和摩擦磨损性能。
在一种优选的实施方案中，按占总重量的百分数计，当所述机匣涂层的涂料组分为：合金粉末5％，Gd2Zr2O7粉末25％，氧化铝粉18.3％，氧化钛粉16.7％，搪瓷釉粉35％时，所制备的涂层具有优异的抗燃气热腐蚀和耐弯曲性能；推测是：合金粉末的添加可提高涂料与金属基层的结合力，但合金粉末添加量过多时，涂层抗腐蚀性能下降，陶瓷类氧化物粉末和搪瓷釉粉在一定程度上的添加可提高涂料涂层的硬度、抗腐蚀和耐高温性能，但其添加量过多时，涂层过硬其抵抗应力的性能会变差，容易发生裂纹失稳扩展，进而涂层断裂、剥落，降低寿命。
进一步地，所述陶瓷类氧化物粉末为氧化硅粉、氧化铝粉、氧化钛粉、氧化锆粉、氧化锌粉、氧化铈粉中的一种或几种。
进一步地，所述陶瓷类氧化物粉末为氧化铝粉和氧化钛粉。
进一步地，所述陶瓷类氧化物粉末中氧化铝粉和氧化钛粉的重量比为(0.5-2)：1。
优选地，所述陶瓷类氧化物粉末中氧化铝粉和氧化钛粉的重量比为1.1：1。
进一步地，按合金粉末的总重量计，所述合金粉末的组分为：Cr 25％-30％，Al5％-11％，Ti 3％-8％，Si 1％-3％，Ni补足余量至100％。
通过合金粉末中各金属的协同作用，通过增强所制备涂层的致密性和涂层与金属基体的结合力，进一步增强涂层的耐磨、耐腐蚀性能和力学强度。
优选地，按合金粉末的总重量计，所述合金粉末的组分为：Cr 28％，Al8％，Ti5％，Si 2％，Ni 57％。
进一步地，所述涂料的颗粒平均直径为10-20μm。
进一步地，所述涂层的厚度为50-150μm。
优选地，所述涂层的厚度为100μm。涂层的厚度是一个影响发动机性能的重要的参数，如果涂层较厚时其抵抗应力的能力下降，受外力冲击容易出现局部、边缘脱落、掉块、开裂的情况，而涂层太薄，涂层脱落会明显减少，但是机匣壳体耐高温、耐磨的程度也会随之降低，影响发动机的性能。
本申请的另一方面提供了一种航空发动机机匣涂层的制备方法，按照以下步骤：
(1)基体表面除油、除锈；
(2)基体表面喷砂；
(3)等离子体喷涂涂料；
(4)涂料固化。
进一步地，本申请对步骤(1)的除油、除锈工艺并无特殊要求，按照行业常规方式进行即可。
进一步地，所述步骤(2)喷砂过程中，砂子粒度为25-35目，压力为0.3-0.5MPa。
进一步地，所述步骤(3)等离子体喷涂过程中，氩气流量40-55L/min，氢气流量10-20L/min，电流500-650A，送粉速率30-40g/min，喷涂距离130-140mm，喷涂角度为90°；控制等离子体喷涂工艺以更好控制涂层均匀性和致密性，进一步增强涂层性能。
优选地，所述步骤(3)等离子体喷涂过程中，氩气流量50L/min，氢气流量15L/min，电流580A，送粉速率35g/min，喷涂距离135mm，喷涂角度为90°；此喷涂工艺参数所制备的涂层其抗腐蚀性能和弯曲强度最高，推测是：控制喷涂角度为90°，能更好地使涂料喷涂均匀，提高涂层致密性；当送粉速率过快时，部分涂料不能被充分熔化，需要经过长时间的多次喷涂才能达到较好的效果，喷涂效率慢，当送粉速度过慢时，涂料中部分原料氧化严重。对于过远的喷涂距离，涂料喷出后温度降低量多，造成气孔的产生，涂层与金属基体的结合力也会降低，另外部分涂料会溅射出去造成喷涂效率低下，然而喷涂距离过小时，喷涂又不均匀。
进一步地，所述步骤(3)中可根据厚度要求进行多遍喷涂，第一次喷涂完毕后，将零件放入60℃烘箱中干燥，待零件表面干燥后再喷涂下一道，喷涂和干燥过程与上述过程相同。
进一步地，所述步骤(4)中涂层固化温度为180-200℃，固化时间为1-2h。
有益效果：
本申请中机匣涂层的涂料由于合金粉末、Gd2Zr2O7粉末、陶瓷类氧化物粉末和搪瓷釉粉的协同增效作用，表现了较好的抗腐蚀、耐高温和耐磨损的性能；另外，本申请通过控制喷涂工艺，在具有较高喷涂效率的同时，也通过提高涂层致密性和其与基体的结合力，进一步提高了该涂层的耐磨、耐腐蚀、耐高温和耐应力变形性能，可用于对性能要求很高的航空发动机机匣表面的修饰强化。
具体实施方式
实施例
实施例1
一种航空发动机机匣涂层，按占总重量的百分数计，所述机匣涂层的涂料组分为：合金粉末5％，Gd2Zr2O7粉末25％，氧化铝粉18.3％，氧化钛粉16.7％，搪瓷釉粉35％。
按合金粉末的总重量计，合金粉末的组分为：Cr 28％，Al8％，Ti 5％，Si 2％，Ni57％。
所述合金粉末的制备方法：将合金粉末各组分按重量比配料并混合均匀后于1300℃下熔融，之后导入雾化器进行雾化，自然状态下冷却凝固，再将上述合金粉末于280℃的烘箱中干燥2小时即可。
将所述涂料组分混合后经研磨机研磨，使涂料的颗粒平均直径为15μm。
一种航空发动机机匣涂层的制备方法，按照以下步骤：
(1)基体表面除油、除锈；
(2)基体表面喷砂；
采用30目的白刚玉砂对机匣的金属表面进行喷砂，喷砂压力为0.5MPa。
(3)等离子体喷涂涂料；
喷涂参数为：氩气流量50L/min，氢气流量15L/min，电流580A，送粉速率35g/min，喷涂距离135mm，喷涂角度为90°，喷涂1次；喷涂完毕后，将零件放入60℃烘箱中干燥2h，涂层厚度为100μm。
(4)涂料固化。
将喷涂好的零件放入鼓风烘箱内固化，在180℃下保持1.5h；烘箱自然冷却至35℃以下取出。
实施例2
一种航空发动机机匣涂层，按占总重量的百分数计，所述机匣涂层的涂料组分为：合金粉末2％，Gd2Zr2O7粉末20％，氧化铝粉15％，氧化钛粉30％，搪瓷釉粉33％。
按合金粉末的总重量计，所述合金粉末的组分为：Cr 30％，Al 11％，Ti 8％，Si1％，Ni50％。
所述合金粉末的制备方法：将合金粉末各组分按重量比配料并混合均匀后于1300℃下熔融，之后导入雾化器进行雾化，自然状态下冷却凝固，再将上述合金粉末于280℃的烘箱中干燥2小时即可。
将所述涂料组分混合后经研磨机研磨，使涂料的颗粒平均直径为10μm。
一种航空发动机机匣涂层的制备方法，按照以下步骤：
(1)零件表面除油、除锈；
(2)零件表面喷砂；
采用25目的白刚玉砂对机匣的金属表面进行喷砂，喷砂压力为0.3MPa。
(3)等离子体喷涂涂料；
喷涂参数为：氩气流量40L/min，氢气流量10L/min，电流500A，送粉速率30g/min，喷涂距离140mm，喷涂角度为90°，喷涂1次；喷涂完毕后，将零件放入60℃烘箱中干燥2h，涂层厚度为50μm。
(4)涂料固化。
将喷涂好的零件放入鼓风烘箱内固化，在200℃下保持1h；烘箱自然冷却至35℃以下时取出。
实施例3
一种航空发动机机匣涂层，按占总重量的百分数计，所述机匣涂层的涂料组分为：合金粉末8％，Gd2Zr2O7粉末20％，氧化铝粉17％，氧化钛粉8.5％，搪瓷釉粉46.5％。
按合金粉末的总重量计，所述合金粉末的组分为：Cr 25％，Al 5％，Ti 3％，Si3％，Ni 64％。
合金粉末的制备方法：将合金粉末各组分按重量比配料并混合均匀后于1300℃下熔融，之后导入雾化器进行雾化，自然状态下冷却凝固，再将上述合金粉末于280℃的烘箱中干燥2小时即可。
将所述涂料组分混合后经研磨机研磨，使涂料的颗粒平均直径为20μm。
一种航空发动机机匣涂层的制备方法，按照以下步骤：
(1)零件表面除油、除锈；
(2)零件表面喷砂；
采用35目的白刚玉砂对机匣的金属表面进行喷砂，喷砂压力为0.3MPa。
(3)等离子体喷涂涂料；
喷涂参数为：氩气流量55L/min，氢气流量20L/min，电流650A，送粉速率30g/min，喷涂距离130mm，喷涂角度为90°，喷涂1次；喷涂完毕后，将零件放入60℃烘箱中干燥2h，涂层厚度为150μm。
(4)涂料固化。
将喷涂好的零件放入鼓风烘箱内固化，在190℃下保持2h；烘箱自然冷却至35℃以下时取出。
对比例1
与实施例1一致，区别在于：按占总重量的百分数计，所述机匣涂层的涂料组分为：合金粉末8％，Gd2Zr2O7粉末25％，氧化铝粉45％，氧化钛粉15％，搪瓷釉粉7％。
对比例2
与实施例1一致，区别在于：步骤(4)中喷涂参数为：氩气流量50L/min，氢气流量15L/min，电流650A，送粉速率50g/min，喷涂距离100mm，喷涂角度为90°。
对比例3
与实施例1一致，区别在于：按合金粉末的总重量计，合金粉末的组分为：Al 8％，Si 2％，Ni 90％；喷涂后涂层厚度为350μm。
以上实施例中Gd2Zr2O7粉末购自深圳市旺达康新材料有限公司；氧化铝粉购自新稀冶金化工有限公司，型号为SH800；氧化钛粉购自博华斯纳米科技有限公司，货号为Brofos-TiO2，搪瓷釉粉购自聚丰耐火材料有限公司，品牌名：锂辉石。
性能测试方法：
1.抗燃气热腐蚀性能：按照航空工业标准HB 7740-2017燃气热腐蚀试验方法进行测试，并目视观察表面腐蚀情况。
2.弯曲性能测试：按照HB 5434.6-2004规定进行测试弯曲强度。
实施例的测试结果见表1。
性能测试结果：
表1

Claims (6)

1.一种航空发动机机匣涂层，其特征在于，按占总重量的百分数计，所述机匣涂层的涂料组分为：合金粉末2％-8％，Gd2Zr2O7粉末20％-30％，陶瓷类氧化物粉末25％-45％，搪瓷釉粉补足余量至100％；所述陶瓷类氧化物粉末为氧化铝粉和氧化钛粉，所述陶瓷类氧化物粉末中氧化铝粉和氧化钛粉的重量比为(0.5-2)：1；
按合金粉末的总重量计，所述合金粉末的组分为：Cr 25％-30％，Al 5％-11％，Ti3％-8％，Si 1％-3％，Ni补足余量至100％。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机机匣涂层，其特征在于，所述涂料的颗粒平均直径为10-20μm。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机机匣涂层，其特征在于，所述涂层的厚度为50-150μm。
4.一种根据权利要求1所述的一种航空发动机机匣涂层的制备方法，其特征在于，按照以下步骤：
(1)基体表面除油、除锈；
(2)基体表面喷砂；
(3)等离子体喷涂涂料；
(4)涂料固化。
5.根据权利要求4所述的一种航空发动机机匣涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中喷砂的砂子粒度为25-35目，压力为0.3-0.5MPa。
6.根据权利要求4-5任一项所述的一种航空发动机机匣涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)等离子体喷涂涂料中送粉速率为30-40g/min，喷涂距离为130-140mm，喷涂角度为90°。
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