CN1896312A - 用热喷镀涂覆耐磨涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

一种由AC－HVAF型热喷涂法在机械零件上涂覆耐磨涂层的方法，所述涂层由内含30％－42％镍和4％－6％铟的铜基合金制造的。

Description

用热喷镀涂覆耐磨涂层的方法
技术领域
本发明涉及用热喷镀将耐磨涂层涂覆在机械零件上的方法，更具体地说，它是指用钛或钛合金制造的燃气涡轮的零件，如涡轮机的风扇或压缩机的叶片，这种时片由其根部固定在适当形状的槽中，此槽开在以下叫做压缩机盘或风扇盘的旋转轮盘的周缘。
背景技术
当涡轮喷气发动机运转时，在离心力及震动的作用下叶片根部在所述槽中移动，叶片根部的形状做成与槽的形状相配，以便使这样的相对位移可以发生。在离心力的作用下叶根逐渐压在所述槽的棱面上，因此其表面受到很大压应力(通常是周期性的)。这些应力加上振动运动会破坏和磨损所述的表面。观察发现，当叶根及风扇或压缩机轮盘是用钛或钛合金制造时上述磨损还要大。这是因为钛对钛的摩擦系数很大。
为了保护叶根，众所周知的办法是采用由铜镍合金CuNi，铜铝合金CuAl，甚至铜镍铟合金CuNiIn构成的耐磨涂层，通常，最好使用铜镍铟型合金CuNiIn，因为它在高温下有较好的机械性能。
为了将这些合金涂覆在叶根上，通常的做法是采用叫做等离子喷涂的热喷涂技术。该技术使用一种诸如在美国专利3145287号上所述的等离子枪。等离子喷涂包括将合金粉末送到等离子体焰炬，产生一股高于20000℃的极高温气体射流。颗粒喷射速度的范围为100m/s到400m/s。
然而由等离子喷涂所涂覆的涂层的显微组织有很高的孔隙并且发生氧化，因而涂层的机械性能受影响。此外，涂层对钛或钛合金的粘附性差。因此，实际上发现涡轮工作时涂层很快剥落且在抗工作应力的性能差。
第二种热喷涂也被应用于涂覆耐磨涂层；这叶高速含氧燃料HVOF喷涂，它包括利用氧气和可燃气体(如丙烷、丙烯、氢、或丙二烯甲基乙炔)之间的燃烧来加热并以极高速推动熔融的合金粉末颗粒。这种方法所达到温度范围为1500℃至2000℃，喷射速度范围为300m/s至700m/s。应用HVOF喷涂镍基合金的例子见美国专利5518683号。
虽然用HVOF法所获得镀膜的工作寿命优于用等离子喷涂法的获镀膜，但是发现该镀层在涡轮机正常工作条件下很快剥落。
发明内容
本发明的目的是提出一种新的沉积方法，使其涂覆的耐磨涂层比现有方法所获的涂层在耐工作应力方面更强。
为了实现此目的，本发明提供一种由热喷涂涂覆铜、镍和铟以便在机械零件上形成耐磨涂层的方法。该方法的特征在于：所述涂层的涂覆是用活性燃烧高速油气型(AC-HVAF)的热喷镀方法。
AC-HVAF型的热喷涂是一种已有的技术，它与上述HVOF型喷涂的主要区别是采用空气和可燃气体为丙烷的混合物(而不是氧气和燃气的混合物)，燃烧该混合物来加热并以极高速度推动合金粉末。用AC-HVAF型喷涂法时，熔融合金颗粒的喷射速度范围大致为600m/s至800m/s，而达到的温度范围为800℃至1500℃。
AC-HVAF型喷涂达到的温度比HVOF型或等离子喷涂达到的温度低。这有利于限制喷涂粒子的氧化。
此外AC-HVAF型方法所能达到的喷射速度高于用等离子喷涂或HVOF型喷涂达到的速度。因而自行缩短了颗粒在喷射的瞬间和它达到被涂零件时的瞬间的时间间隔，这一时间间隔对氧化特别敏感。这也有利于降低涂层被氧化的程度。
此外，喷到涂敷零件的颗粒的动能高可以首先实现该颗粒在零件上有良好的粘合力，其次获得的涂较紧密，其孔隙率低于过去应用的方法所能达到的。具体地说，生成的涂层结构是整体的而非层状的。
准确地说孔隙率及涂层中氧化物数量的降低导致涂层显微组织中的初始裂纹数目的减少。这导致抗应力尤其是抗压缩能力的提高。由于涂层紧密性较好，且对被零件的粘附性较好，实践中发现，在燃气轮工作时剥落问题迅速减少，本发明涂层的工作寿命比已有涂层好得多。
最后在本质上，AC-HVAF型热喷涂比等离子喷涂便宜。
有利的是，所述涂层由包括30重量％到42重量％的镍和2重量％至6重量％的铟的铜合金组成。
更有利的是，所述涂层由包括34重量％到38重量％的镍和4重量％至6重量％的铟的铜合金组成也是可行的。
如已强调过的，CuNiIn涂层是有利的，因为它们在高温下的机械性能很好。
在从事改进这种类型耐磨涂层工作寿命的研究过程中，本申请公司业已发现，CuNiIn合金的熔点低于等离子喷涂时的温度，也低于HVOF型喷涂时达到的温度。反之，AC-HVAF喷涂达到的温度与所述CuNiIn合金的熔点是同一数量级的。因此业已发现，由于采用AC-HVAF法，可以在避免与温度太高相关的无益氧化的同时熔化CuNiIn合金，AC-HVAF法证明特别适合于涂覆CuNiIn涂层。
有利的是，一旦涂覆了CuNiIn耐磨涂层，其上同时也涂覆一层润滑漆膜，如包含二硫化钼MoS2及有机树脂的漆膜。CuNiIn涂层较粗糙，因而其上覆盖一层摩擦系数低的漆膜是合理的，这样有利于滑动及减少磨损。就零件的保护和涂层工作寿命而言，CuNiIn与润滑剂的复合涂层是完全满意的。
虽然本说明书中描述的零件，其唯一的实施例是滑轮压缩机与风扇的钛叶片，但显然本发明方法也可用于涂覆任何一种零件，不管它是否由钛或钛合金制造。例如，本方法可用于取自有互相接触倾向的任何一种燃气滑轮二二个零件的至少一个零件的涂覆。
附图说明
本发明及其优点可通过阅读作为非限制性例子给出的本发明实施例的下列详细说明而得到更好的理解，参照附图阅读说明书，其中：
·图1是对比图；
·图2是用根据本发明所述方法按AC-HVAF喷涂请所涂覆的CuNiIn涂层的显微照片；
·图3是用等离子涂法涂覆的CuNiIn涂层的显微照片；
·图4是模拟工作状态下将应力施加于风扇叶片的实施装置的示图；
·图5是作用于工作的风扇叶片根部的牵引力与时间在一个周期内的曲线图。
图1是用各种热喷涂方法所获得的标绘图，沿横轴表示喷射速度m/s，沿纵轴向上表示喷涂温度℃。在此图中，可看到等离子喷涂、HVAF及AC-HVAF喷涂的温度与喷射速度范围的略图。此外，还示出诸如CuNiIn合金那样的铜基合金融体的温度范围。
如上所述，在此图中可看出，AC-HVAF喷涂时达到的温度适合本发明中应用的CuNiIn合金的熔化范围，因此它能熔化这些合金而无需无用的过热，而过热会促进氧化。此外，还可看到，应用AC-HVAF喷涂可获得较高的喷射速度。
具体实施方式
下面用实例说明本发明方法的实施，其中CuNiIn合金涂覆在由TA6V型钛合金制造的零件上。操作规范如下：
使用的装置：
SB-500型AC-HVAF喷灯，供应商为Uniquecoat Technologies，使用的粉末。
成分：CuNiIn合金，其中36％(重量)的Ni，5％(重量)的In，其余为Cu。
颗粒尺寸：11μm～45μm；
喷灯进料速率：8kg/h；
载气：氮；
喷灯的操作参数：
可燃气体：丙烷；
空气压力：85psi；
丙烷压力1：74psi；
丙烷压力2(0)：38psi；
载气压力：41psi；
间隔：150-165mm；
涂层沉积速率：45μm/一道喷路
有关被涂零件的资料：
准备工作：以平均直径为300μm的氧化铝颗粒进行喷砂处理；
初始温度：29℃
温度变化：50℃-95℃。
沉积涂层厚度为165μm，但没有任何特殊困难就可获得较大的厚度，涂层测定孔隙率小于1％。
图2的显微照片来自应用根据本发明所述AC-HVAF法涂覆CuNiIn涂层，而图3的显微照片来自等离子喷涂获得的CuNiIn涂层。
涂层2中的氧化物及从黑点形式出现的孔隙沉积在底金属1上。
可清楚地看到，图2的涂层的氧化物及孔隙小于图3的涂层。此外可看出，呼2涂层，其显微组织紧密且是单层的，而图3的涂层则是层状的。因此，以本发明方法涂覆的涂层比用等离子喷涂获得的涂层不大容易脱层(因而剥落)。总之，图2中的涂层的显微组织机械性能强。
为了模拟风扇叶片工作时的机械应力，应用一种类以于图4所示的装置，其中代表叶片的机械零件10通过其根据部14安装在介于二根竖条16a、16b之间槽15中，且它被夹在二根夹爪18之间，以这种方法做成的组件是对燕尾槽组件的模拟。这时，竖条16a、16b代表风扇。零件10的根部14有二个表面14a、14b，它们与竖条16a、16b接触，循环牵引力F作用在零件10上，图5示出力F与时间的关系曲线。
应用根据本发明所述的AC-HVAF的涂法涂覆的CuNiIn涂层，作30000次牵引循环测试其特性。经30000次循环来观察到剥落与磨损，用等离子喷涂涂覆的CuNiIn涂层在15000-19000次循环时出现剥落。
此项试验表明，就可以获得的涂层工作寿命而言，本发明有重大改进。

Claims (7)

1、一种由热喷涂方法涂覆铜、镍、铟合金以便在机械零件上构成耐磨涂层的方法，其特征在于，所述涂层由AC-HVAF型热喷法涂覆。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂层是一种铜基合金，内含30％-42重量％的镍和2％-8重量％的铟。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述涂层是上种铜基合金，内含34％-38重量％的镍和4％-6重量％的铟。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述涂层是一种铜基合金。内含36重量％的镍和5重量％的铟。
5、根据以上任何一项权利要求所述方法，其特征在于，所述涂覆的机械零件是由钛或钛合金制造的零件。
6、根据以上任何一项权利要求所述方法，其特征在于，所述涂层涂覆在燃气涡轮的有互相接触倾向的二个零件的至少一个上。
7、根据以上任何权利要求所述的方法，其特征在于，所述涂层涂覆在涡轮机的风扇或压缩机叶片根部，及/或所述叶片根部在其中啮合的风扇或压缩机转盘上。
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