CN115595486B - 一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料表面改性和涂层技术领域，具体涉及一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层及其制备方法和应用。涂层的组成元素及原子比如下：Ni_xAl_yTa_z，其中x＝43～48.5％，y＝43～48.5％，z＝3～14％。采用电弧熔炼和电火花沉积制备了Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层，其由纳米相NiAl和半连续分布的laves相NiTaAl组成。本发明利用电火花涂层的粗糙表面代替陶瓷颗粒作为切割单元，解决了陶瓷颗粒与金属基质结合力差、陶瓷颗粒脱出等问题，同时防止了叶尖的剧烈温升。本发明叶尖涂层可以在1200℃以下保持优良的高温强度、耐磨性和切削性，对于高温段叶尖涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。

Description

一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于材料表面改性和涂层技术领域，具体涉及一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层及其制备方法和应用。

背景技术

随着燃气涡轮发动机推重比的提高，涡轮进气口温度和压力不断提升，极端苛刻的工作环境使高温合金叶片尖端面临着氧化、腐蚀、磨损及开裂等问题，严重影响着燃气涡轮发动机的气路密封性能甚至安全。众所周知，燃气涡轮发动机的效率高度依赖于旋转叶片与静止机匣之间的间隙。一般来说，希望转子叶片尖端与静子部件机匣之间拥有最小的径向间隙，以减少工作空气的泄漏。具有叶冠叶片的出现成功提高了气路密封性，但其也增加了叶身及涡轮盘的负荷，降低了涡轮叶片的蠕变寿命。而采取切割涂覆于静子部件上的可磨耗封严涂层形成特定轨道以实现密封的方式逐渐获得了应用。随着叶片工作环境的改变，可磨耗封严涂层由低硬度的封严涂层(如：NiCrAl/hBN、NiCrAl/Bentonite等)逐渐发展到高硬度的陶瓷封严涂层(如：5％Y₂O₃稳定ZrO₂)，加剧了转动叶片叶尖磨损等问题的发生，严重影响了涡轮发动机的气路密封性能、叶片的使用寿命和安全。因此，针对叶片尖端的磨损问题，基于机匣上的可磨耗涂层和叶片尖端的耐磨切削涂层的密封系统是解决此类问题的最有效的解决方案之一。

对于静子部件的可磨耗封严涂层的研究已较为成熟，而转子叶片叶尖耐磨涂层的研究稍晚于可磨耗封严涂层。对于叶片尖端，由于其超高的线速度(大于400m/s)和瞬间的超高温(大于1000℃)以及其与环境等因素的复杂交互作用，使其研究相对困难，而诸如苛刻工况试验机的设计也是一项巨大的挑战。因此，关于叶尖耐磨切削涂层的研究报道较少。与三体磨粒磨损相比，二体磨粒磨损通常会导致更高的磨损率。因此，叶尖耐磨切削涂层最有兴趣的是两体磨粒磨损。目前，已被报道的叶尖耐磨切削涂层主要是由韧性金属基体和硬质陶瓷颗粒组成，如：典型的由复合电沉积(Tribomet工艺)、直接激光沉积(DLD)等技术制备的NiCoCrAlY/cBN。但目前已被证明，该体系涂层已无法满足高压涡轮的工作环境，存在金属基体高温强度低、硬质陶瓷颗粒与金属基质润湿性差(结合力差)、硬质陶瓷颗粒氧化(或反应)及脱出、可磨耗材料的粘附等问题，无法在涡轮发动机的整个生命周期中实现反复切割和防止磨损的作用。此外，据报道叶尖与可磨耗封严涂层的碰摩过程中产生的瞬间温升可达1100～1200℃，这无疑对叶尖耐磨切削涂层提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层及其制备方法和应用，以提高涡轮叶片使用寿命，改善涡轮发动机的气路密封性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层，该涂层的组成元素及原子百分比如下：Ni43～48.5％，Al 43～48.5％、Ta 3～14％。

所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层，该涂层由NiAl相和laves相NiTaAl组成；其中，主相为NiAl，强化相NiTaAl呈半连续网状结构包围NiAl相。

所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层，NiAlTa涂层在1200℃以下的温度区间具有优良的高温强度、耐磨性和切削性能；其中：涂层的显微硬度为600～900HV_0.2，800℃时的磨损率为10^-6mm³·N^-1·m^-1，并对Y₂O₃稳定ZrO₂陶瓷封严涂层具有优异的切削作用。

所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)配料：去除Ni、Al和Ta金属原料表面的氧化皮，按比例称取Ni、Al和Ta原料；由于Al的沸点(2467℃)低于Ta的熔点(2996℃)，需对Al原料进行补偿；

(2)采用电弧熔炼制备NiAlTa合金铸锭：将步骤(1)中称取的原料按照熔点由低到高的顺序依次放入电弧熔炼炉中，将炉体抽真空至气压为(2～8)×10^-3Pa后，再充入惰性气体Ar至0.01～0.10Pa，在惰性气体的保护下进行熔炼后，浇铸成合金铸锭；

(3)采用线切割制备棒料电极：在步骤(2)得到的合金铸锭中采用线切割制备棒料作为电极，并对其打磨、抛光，放入酒精中超声清洗5～15min，吹干后备用；

(4)基体预处理过程：依次使用240#、600#、800#和1000#砂纸对基体进行打磨，然后放入酒精中超声清洗5～15min，吹干后备用；

(5)采用电火花沉积技术制备涂层：将步骤(4)中的基体接入负极，步骤(3)中的电极接入正极，设置相应的参数后，采用电火花沉积技术制备NiAlTa涂层。

所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层的制备方法，步骤(1)中，Ni、Al和Ta金属原料的纯度不低于99.9wt％，补偿后Al原料质量为理论质量的1.01～1.10倍。

所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层的制备方法，步骤(2)中，电弧熔炼炉为非自耗电弧熔炼炉，熔炼电流为230±20A，熔炼时间为10～60s，电弧熔炼在电磁搅拌下进行；待样品冷却后使用坩埚钳翻转后继续熔炼，如此反复熔炼3～7次。

所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层的制备方法，步骤(3)中，电极的直径为1～6mm，长度为10～50mm，并将电极的一端打磨成半球状。

所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层的制备方法，步骤(4)中，基体为镍基高温合金。

所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层的制备方法，步骤(5)中，电火花沉积技术的工艺参数为：电压10～100V，功率105～1500W，脉冲频率70～2000Hz，电极转速0～2800rpm/min，电极与基体相对移动速度0.5～3mm/s，电极与基体倾角保持30～80°，保护气体流量5～25L/min。

所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层的应用，NiAlTa涂层应用于1200℃以下温度区间，应用于涡轮叶片叶尖的表面防护，并且用于改善涡轮发动机的气路密封性能。

本发明的设计思想：

NiAl涂层作为第一代叶片防护涂层，具有优异的环境抗性(如：抗氧化性、耐磨性等性能)。同时NiAl的弹性模量和热膨胀系数与镍基高温合金相近。因此，其与镍基高温合金装配时不会引起过大的热应力，故本发明选用了NiAl涂层作为涂层基材。但单一的NiAl不足以抵抗1200℃的高温且有限的滑移系、滑移矢量较大和交滑移受到限制等因素使得NiAl相在低温形变中难以有效协调局部变形，表现出较高的低温脆性。鉴于此，考虑采用合金化和晶粒细化相结合的技术手段解决以上的问题。Laves相NiTaAl已被证明具有优异的耐高温性和耐磨性，故本发明选用的合金化元素为高熔点Ta。快速凝固技术(如：激光熔覆、电火花沉积等)可获得具有冶金结合强度的涂层且能够显著细化晶粒，是一种可以同时提高合金强度和韧性的技术手段。但考虑到叶片尖端独有的特性(如：高裂纹敏感的基体和薄壁结构)，热输入较高的激光熔覆技术被舍弃，故本发明选用了电火花沉积技术。此外，在二体磨粒磨损中，硬质陶瓷颗粒的选择及其与金属基质的结合等问题十分突出，故本发明摒弃了二体磨粒磨损的理念。在本发明中利用电火花涂层的粗糙表面代替了硬质陶瓷颗粒作为切割单元，解决了由硬质陶瓷颗粒引起的诸多问题，同时也防止了叶尖的剧烈温升。

本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明提供的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层由主相NiAl和半连续分布的网状结构laves强化相NiTaAl组成。laves相将NiAl相包覆其中，这种类似植物“细胞壁”的组织结构使涂层具有优异的高温强度和力学性能。

(2)本发明提供的NiAlTa叶尖防护涂层已被证明可以在1200℃以下的温度区间具有优良的高温强度、耐磨性和切削性能。涂层的显微硬度为600～900HV_0.2，800℃时的磨损率为10^-6mm³·N^-1·m^-1，该防护涂层对Y₂O₃稳定ZrO₂陶瓷封严涂层(简称YSZ涂层)具有优异的切削作用，对于高温段叶尖耐磨切削涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。

(3)本发明由于采用电火花沉积工艺，其固有的特性(如超高的温度梯度和超快的冷却速度)细化了NiAlTa涂层的晶粒，提高了NiAlTa涂层的强韧性。同时，该技术的热输入较少，对基体的损伤较小，适合于涡轮叶片叶尖等薄壁结构部件表面涂层的制备。

(4)利用电火花涂层的粗糙表面代替硬质陶瓷颗粒作为切割单元，解决了硬质陶瓷颗粒与金属基质润湿性差(结合力差)，硬质陶瓷颗粒的氧化(或反应)及脱出、可磨耗材料的粘附等问题。此外，涂层表面具有的较高粗糙度减小了摩擦热，防止了叶尖的剧烈温升。

(5)本发明提出的一种Laves相NiTaAl强化的NiAl叶尖耐磨切削涂层，能够单独作为叶尖涂层使用。同时，NiAlTa涂层有希望代替第一代NiCoCrAlY锚定相而成为第二代锚定相系统。

附图说明

图1为Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层的XRD图谱。图中，横坐标2θ代表衍射角(°)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)

图2为Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层的微观组织图。

图3为K417G基体和Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层(NiAlTa coating)的显微硬度值。图中，横坐标Distance代表至表面距离(μm)，纵坐标Microhardness代表显微硬度(HV_0.2)。

图4为25℃和800℃下K417G基体和Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层与ZrO₂陶瓷球对磨测得的实时摩擦系数曲线。图中，横坐标Time代表时间(s)，纵坐标COF代表摩擦系数。

图5(a)和图5(b)分别为25℃和800℃下K417G基体和Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层与ZrO₂陶瓷球对磨测得的磨损率及相应的ZrO₂陶瓷球的磨损率。图中，横坐标Temperature代表温度(℃)，纵坐标Wear rate×10^-5代表磨损率(mm³·N^-1·m^-1)，Unpolished NiAlTa-ZrO₂代表未抛光的Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层与ZrO₂陶瓷球对磨。

图6(a)～(h)为25℃和800℃下K417G基体和Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层与ZrO₂陶瓷球对磨后观测的磨痕形貌、磨痕轮廓及ZrO₂陶瓷球的磨损形貌。其中，图6(a)为25℃下K417G基体的磨痕(三维)形貌和磨痕轮廓，图6(b)为25℃下与K417G基体对磨后ZrO₂陶瓷球的表面形貌，图6(c)为25℃下NiAlTa涂层的磨痕(三维)形貌和磨痕轮廓，图6(d)为25℃下与NiAlTa涂层对磨后ZrO₂陶瓷球的表面形貌，图6(e)为800℃下K417G基体的磨痕(三维)形貌和磨痕轮廓，图6(f)为800℃下与K417G基体对磨后ZrO₂陶瓷球的表面形貌，图6(g)为800℃下NiAlTa涂层的磨痕(三维)形貌和磨痕轮廓，图6(h)为800℃下与NiAlTa涂层对磨后ZrO₂陶瓷球的表面形貌。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明采用电弧熔炼和电火花沉积相结合的方式，在涡轮叶片叶尖制备了Laves相NiTaAl强化的NiAl叶尖耐磨切削涂层(如：Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层和Ni_45.0Al_45.0Ta₁₀涂层等)，其由纳米尺寸的主相NiAl和半连续分布的网状结构laves强化相NiTaAl组成。本发明利用电火花涂层的粗糙表面代替硬质陶瓷颗粒作为切割单元，解决了由硬质陶瓷颗粒引起的诸多问题，同时防止了叶尖的剧烈温升。

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明的目的、发明内容和技术方案等，以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。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的前提下所获得的其他所有实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例中叶尖耐磨切削涂层的具体组成为Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀，具体制备方法如下：

(1)配料：选用标称纯度为99.999wt％的Ni、Al和Ta金属原料，打磨掉表面氧化皮后，按原子比45.3：44.7：10称取Ni、Al和Ta原料。其中，补偿后Al原料质量为理论质量的1.05倍；

(2)采用电弧熔炼制备NiAlTa合金铸锭：将称取的原料按照熔点由低到高的顺序依次放入WK型非自耗电弧熔炼炉中，将炉体抽真空至气压为2.5×10^-3Pa后，再充入惰性气体Ar至0.05Pa；在惰性气体的保护下，按照熔炼电流232A，熔炼时间60s的工艺参数进行熔炼。待样品冷却后使用坩埚钳翻转后继续熔炼，如此反复熔炼6次后，浇铸得到Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀合金铸锭；

(3)采用电火花切割制备棒料电极：采用电火花切割，自合金铸锭中取出直径为4mm、长度为30mm的棒料电极若干，对其打磨和抛光，并将电极的一端(工作端)打磨成半球状，放入酒精中超声清洗10min，吹干后备用；

(4)基体预处理过程：依次使用240#、600#、800#和1000#砂纸对K417G镍基高温合金基体进行打磨，然后放入酒精中超声清洗10min，吹干后备用；

(5)采用电火花沉积技术制备涂层：将前处理后的K417G基体接入负极，电极的另一端接入正极，并设置相应的工艺参数：电压65V，功率1500W，脉冲频率305Hz，电极转速1300rpm/min，电极与基体相对移动速度0.5mm/s，电极与基体倾角保持60°，保护气体(Ar)流量15L/min，制备Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层，其厚度为48μm。

如图1所示，Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层的XRD图谱，涂层由NiAl相和NiTaAl相组成，主相为NiAl，强化相NiTaAl呈半连续网状结构包围NiAl相。

如图2所示，Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层的微观组织图，半连续分布的网状结构laves强化相NiTaAl将纳米尺寸的主相NiAl相包覆其中，这种类似植物“细胞壁”的组织结构及快速凝固技术导致的纳米晶粒使得涂层具有优异的高温强度和力学性能。

如图3所示，K417G基体和涂层的显微硬度值，涂层的平均显微硬度(785.13HV_0.2)约为基体(393.14HV_0.2)的2倍。

如图4所示，25℃和800℃下K417G基体和Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层分别与ZrO₂陶瓷球对磨测得的实时摩擦系数曲线，测试参数如表1所示。两者的摩擦系数均随温度的升高而呈下降的趋势，K417G的变化更加显著。不同于K417G基体，NiAlTa涂层的摩擦系数波动性较大。

表1销盘摩擦磨损测试参数

参数	数值
		球(上试样)	ZrO2
盘(下试样)	K417G基体、NiAlTa涂层
		温度(℃)	25、800
升温速率(℃/min)	10
		载荷(N)	15
转速(rpm)	60
		时间(s)	3600
半径(mm)	15

如图5(a)和图5(b)所示，分别为25℃和800℃下K417G基体和Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层与ZrO₂陶瓷球对磨测得的磨损率及相应的ZrO₂陶瓷球的磨损率。Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层在25℃和800℃下的磨损率(10^-6mm³·N^-1·m^-1)比K417G基体(10^-5mm³·N^-1·m^-1)小1个数量(图5a)，而与Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀-ZrO₂对磨的陶瓷球球的磨损率(10^-4mm³·N^-1·m^-1)比与K417G基体对磨的陶瓷球球(10^-6mm³·N^-1·m^-1)高2个数量级(图5b)，这表明Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层同时具备优异的耐磨性和切削性能。未抛光Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层比抛光Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层显示出了更佳的耐磨性和切削性能(图5b)。

如图6所示，25℃和800℃下K417G基体和Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层与ZrO₂陶瓷球对磨后观测的磨痕形貌、磨痕轮廓及ZrO₂陶瓷球的磨损形貌。相较于K417G基体，在25℃和800℃下，Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层发生了较小的磨损(如：较小的磨痕宽度和磨痕深度)。ZrO₂陶瓷球表面的光滑切割痕迹表明该涂层对ZrO₂球实现了有效的切割。

实施例2

本实施例中叶尖耐磨切削涂层的具体组成为Ni_45.0Al_45.0Ta₁₀，其具体制备方法与实施例1的区别仅在于步骤(1)、(4)、(5)：

(1)配料：选用标称纯度为99.999wt％的Ni、Al和Ta金属原料，打磨掉表面氧化皮后，按原子比45.0：45.0：10称取Ni、Al和Ta原料。其中，补偿后Al原料质量为理论质量的1.05倍；

(4)基体预处理过程：依次使用240#、600#、800#和1000#砂纸对DD426镍基高温合金基体进行打磨，然后放入酒精中超声清洗10min，吹干后备用；

(5)采用电火花沉积技术制备涂层：将前处理后的DD426基体接入负极，电极接入正极，并设置相应的工艺参数：电压65V，功率1500W，脉冲频率300Hz，电极转速1500rpm/min，电极与基体相对移动速度0.5mm/s，电极与基体倾角保持60°，保护气体(Ar)流量10L/min，制备Ni_45.0Al_45.0Ta₁₀涂层，其厚度为56μm。

实施例结果表明，本发明高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层具有优异的高温强度、耐磨性和切削性能，可显著降低涡轮叶尖的磨损，可显著改善涡轮发动机的气路密封性能，对于延长涡轮叶片的使用寿命、降低油耗、减少成本和提高发动机的推重比具有重要意义。

以上内容仅为说明本发明的技术原理，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或在技术方案上所在的任何改动均落入本发明的权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层，其特征在于，该涂层的组成元素及原子百分比如下：Ni 43~48.5%，Al 43~48.5%、Ta 3~14%；

该涂层由NiAl相和laves相NiTaAl组成；其中，主相为NiAl，强化相NiTaAl呈半连续网状结构包围NiAl相；半连续分布的网状结构laves强化相NiTaAl将纳米尺寸的主相NiAl相包覆其中，形成植物“细胞壁”的组织结构；

NiAlTa涂层在1200℃以下的温度区间具有优良的高温强度、耐磨性和切削性能；其中：涂层的显微硬度为600~900HV_0.2，800℃时的磨损率为10^-6mm³·N^-1·m^-1，并对Y₂O₃稳定ZrO₂陶瓷封严涂层具有优异的切削作用；

所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层的制备方法，包括如下步骤：

（1）配料：去除Ni、Al和Ta金属原料表面的氧化皮，按比例称取Ni、Al和Ta原料；由于Al的沸点低于Ta的熔点，需对Al原料进行补偿；

（2）采用电弧熔炼制备NiAlTa合金铸锭：将步骤（1）中称取的原料按照熔点由低到高的顺序依次放入电弧熔炼炉中，将炉体抽真空至气压为（2~8）×10^-3Pa后，再充入惰性气体Ar至0.01~0.10Pa，在惰性气体的保护下进行熔炼后，浇铸成合金铸锭；

（3）采用线切割制备棒料电极：在步骤（2）得到的合金铸锭中采用线切割制备棒料作为电极，并对其打磨、抛光，放入酒精中超声清洗5~15min，吹干后备用；

（4）基体预处理过程：依次使用240#、600#、800#和1000#砂纸对基体进行打磨，然后放入酒精中超声清洗5~15min，吹干后备用；

（5）采用电火花沉积技术制备涂层：将步骤（4）中的基体接入负极，步骤（3）中的电极接入正极，设置相应的参数后，采用电火花沉积技术制备NiAlTa涂层；

步骤（5）中，电火花沉积技术的工艺参数为：电压10~100V，功率105~1500W，脉冲频率70~2000Hz，电极转速0~2800rpm/min，电极与基体相对移动速度0.5~3mm/s，电极与基体倾角保持30~80°，保护气体流量5~25L/min。

2.根据权利要求1所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层，其特征在于，步骤（1）中，Ni、Al和Ta金属原料的纯度不低于99.9wt%，补偿后Al原料质量为理论质量的1.01~1.10倍。

3.根据权利要求1所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层，其特征在于，步骤（2）中，电弧熔炼炉为非自耗电弧熔炼炉，熔炼电流为230±20A，熔炼时间为10~60s，电弧熔炼在电磁搅拌下进行；待样品冷却后使用坩埚钳翻转后继续熔炼，如此反复熔炼3~7次。

4.根据权利要求1所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层，其特征在于，步骤（3）中，电极的直径为1~6mm，长度为10~50mm，并将电极的一端打磨成半球状。

5.根据权利要求1所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层，其特征在于，步骤（4）中，基体为镍基高温合金。

6.一种权利要求1所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层的应用，其特征在于，NiAlTa涂层应用于1200℃以下温度区间，应用于涡轮叶片叶尖的表面防护，并且用于改善涡轮发动机的气路密封性能。