一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)可磨耗封嚴(yán)涂層制備技術(shù)，具體涉及一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的方法。首先，對(duì)待噴涂表面進(jìn)行噴砂粗化處理，使處理后待噴涂表面的粗糙度在Ra3.5～Ra4.0之間；然后，采用爆炸噴涂工藝，在基體材料上噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層。該方法減弱了鋁硅涂層厚度對(duì)開(kāi)裂剝落的敏感性，能夠制備厚度在2mm左右的具有良好表面狀態(tài)和結(jié)合性能的涂層，拓寬了軸流機(jī)匣等零件對(duì)鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的厚度設(shè)計(jì)要求，同時(shí)由于本發(fā)明工藝制備涂層優(yōu)異的結(jié)合性能，無(wú)需制備鎳鋁底涂層以及對(duì)零件噴涂面邊緣進(jìn)行鑲嵌式凹槽設(shè)計(jì)和對(duì)噴涂表面進(jìn)行槽形螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能使涂層具有良好的結(jié)合性能，從而簡(jiǎn)化了涂層制備過(guò)程和零件噴涂區(qū)域的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)可磨耗封嚴(yán)涂層制備技術(shù)，具體涉及一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗 封嚴(yán)涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航空工業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)提出了越來(lái)越高的要求，大推力、高效率、低油 耗已成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造的總體目標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片與機(jī)匣之間的間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體效率 及油耗具有重要的影響作用。據(jù)資料報(bào)道，典型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)徑向間隙若增加0.076mm，單 位耗油量將增大約1 %;高壓渦輪機(jī)葉片間隙若增加0.127mm，單位耗油量將增大約0.5%， 而其葉片間隙若平均減少〇.245_，渦輪效率可提高約1%。此外，徑向間隙過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致發(fā) 動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)特性在加速時(shí)遭到破壞，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)哮喘等問(wèn)題，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行 穩(wěn)定性。然而，在發(fā)動(dòng)機(jī)的制造和運(yùn)行過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)組件的熱膨脹、軸的熱變形以及 高速旋轉(zhuǎn)離心力引起葉片伸長(zhǎng)等因素，無(wú)法將徑向間隙控制為零，總要預(yù)留2~3mm的間隙， 而過(guò)大的間隙必將使氣體大量泄漏，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低。因此，用于減小壓氣機(jī)、渦輪機(jī) 葉尖與機(jī)匣之間間隙的可磨耗封嚴(yán)涂層技術(shù)就成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要手段。通過(guò)運(yùn)行 過(guò)程中葉尖對(duì)可磨耗涂層的主動(dòng)刮削作用，可有效地減小徑向氣流間隙，從而獲得最大壓 差，顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率并降低油耗。
[0003] 對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部位，在軸流壓氣機(jī)機(jī)匣與軸流葉片之間以及離心葉輪與葉輪 罩殼之間均需形成良好的徑向間隙，常用的可磨耗封嚴(yán)涂層主要是鎳/石墨可磨耗封嚴(yán)涂 層。但是在壓氣機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鎳/石墨涂層的效果并不理想，主要存在如下問(wèn)題：（1)涂 層的表面粗糙度較大，難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使得氣流流動(dòng)損失較大，嚴(yán)重影響壓氣機(jī)效率； (2)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低，隨著使用時(shí)間的增加，會(huì)出現(xiàn)涂層掉塊現(xiàn)象；（3)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程 中轉(zhuǎn)子葉片葉尖出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。針對(duì)鎳/石墨涂層在使用過(guò)程中的不足之處，中國(guó)航空動(dòng)力 機(jī)械研究所黎亮等發(fā)展了鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層作為其替代涂層。經(jīng)試車(chē)驗(yàn)證，鋁硅涂層的 使用效果要明顯優(yōu)于鎳/石墨涂層，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：（1)鋁硅涂層機(jī)加工后表面粗糙度較 低，為RaO. 4~0.6，顯著低于鎳/石墨的Ral0.0 ，表面光潔度的改善使壓氣機(jī)絕熱效率比采 用鎳/石墨涂層提高了約2%，同時(shí)壓氣機(jī)的壓比也有所提高；（2)鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層在使 用過(guò)程中不僅沒(méi)有出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，涂層反而呈現(xiàn)越磨越光的趨勢(shì)；（3)即使轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣 的鋁硅涂層在極高的轉(zhuǎn)速下相刮削，轉(zhuǎn)子葉片也絲毫沒(méi)有被磨損的跡象。
[0004] 雖然鋁硅涂層的封嚴(yán)性能已經(jīng)在使用中得到了充分的驗(yàn)證，但是該涂層在制備工 藝以及對(duì)零件噴涂部位特殊結(jié)構(gòu)要求等方面仍存在一些不足之處。首先，鋁硅可磨耗封嚴(yán) 涂層通常采用火焰噴涂或等離子噴涂工藝進(jìn)行制備，由于上述兩種工藝均為連續(xù)噴涂方 式，在涂層制備過(guò)程中熱輸入量較大，對(duì)基體材料和涂層的熱影響較大，當(dāng)噴涂涂層厚度超 過(guò)1_時(shí)，涂層較容易發(fā)生起殼脫落現(xiàn)象，致使涂層與基體呈一整片分離。因此，對(duì)零件的涂 層設(shè)計(jì)厚度一般不超過(guò)〇. 6mm，以便在實(shí)施噴涂時(shí)，鋁硅涂層厚度能夠控制在1mm以?xún)?nèi)，確保 涂層與基體金屬之間良好結(jié)合。其次，采用火焰噴涂和等離子噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層時(shí)， 對(duì)零件表面的前處理狀態(tài)以及噴涂工藝參數(shù)的敏感性較高，需要對(duì)前處理及噴涂工藝進(jìn)行 嚴(yán)格控制才能確保涂層質(zhì)量穩(wěn)定可靠。此外，在涂層零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為了防止涂層起殼， 在零件涂層邊緣位置，通常需要設(shè)計(jì)成鑲嵌式凹槽結(jié)構(gòu)；同時(shí)如果確實(shí)需要噴涂較厚的鋁 硅涂層時(shí)，則需要在基體噴涂表面加工槽形螺紋，來(lái)增加涂層與基體的結(jié)合面積，提高涂層 與基體的結(jié)合強(qiáng)度，以解決涂層的起殼剝落問(wèn)題，這樣就無(wú)形中增加了零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù) 雜化。
[0005] 爆炸噴涂是一種脈沖式高性能涂層制備工藝，該工藝具有噴涂熱影響小、涂層致 密度高和涂層結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，近年來(lái)受到了研究者的廣泛關(guān)注。然而，研究發(fā)現(xiàn)采用爆 炸噴涂工藝在制備金屬或合金涂層材料時(shí)，隨著噴涂涂層厚度增加導(dǎo)致涂層內(nèi)部熱應(yīng)力的 積累，當(dāng)涂層厚度大于1mm時(shí)，所制備涂層仍有發(fā)生開(kāi)裂、剝落的較大風(fēng)險(xiǎn)，在制備大厚度涂 層方面仍具有其工藝不穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的方法。方法包括如下 步驟：
[0007] 步驟1，表面粗化處理:采用剛玉砂對(duì)待噴涂表面進(jìn)行噴砂粗化處理，使處理后待 噴涂表面的粗糙度在Ra3.5~Ra4.0之間；
[0008] 步驟2，鋁硅涂層噴涂:采用爆炸噴涂工藝，在基體材料上噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂 層，噴涂時(shí)氧氣流量為12L/min~15L/min，氧氣與乙炔流量比為0.90~0.92;送粉速率為 25g/min~28g/min;噴涂距離為220mm~230mm，噴槍槍管直徑為18~22mm。
[0009] 所述的爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，噴涂時(shí)爆炸頻率為2~ 4次/秒。
[0010] 所述的爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所用鋁硅噴涂粉末粒 度為170目~325目，即45μπι~90μL?，成分為Si llwt%~13wt%，Al余量。
[0011] 在基體表面粗化處理后采用爆炸噴涂工藝制備一層鎳鋁中間層，噴涂鎳鋁涂層時(shí) 氧氣流量為18L/min~22L/min，氧氣與乙炔流量比為1.10~1.15;送粉速率為40g/min~ 45g/min;噴涂距離為260mm~280mm;噴槍槍管直徑為16~26mm;鎳錯(cuò)中間層的噴涂厚度為 0.08mm~0.15mm所用鎳鋁噴涂粉末粒度為170目~325目，即45μπι~90μπι，成分為A1 4wt% ~6wt%，Ni余量。
[0012] 本發(fā)明涉及的爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的方法具有如下特性：
[0013] 本發(fā)明深入研究了氧氣流量、氧燃比和噴槍槍管直徑之間的耦合作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn) 在合適的氧氣流量、氧燃比和噴槍槍管直徑下，能夠顯著抑制噴涂涂層過(guò)程中隨涂層厚度 增加涂層內(nèi)部熱應(yīng)力的積聚，從而大大降低涂層厚度對(duì)涂層發(fā)生開(kāi)裂、剝落的敏感性。針對(duì) 鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層，由于其熔點(diǎn)僅有750°C，因此選用較低的氧燃比（0.90~0.92)以達(dá)到 將鋁硅合金粉末良好熔化且不過(guò)熔的效果；在選定該氧燃比的基礎(chǔ)上，選用合適的氧氣流 量（12L/min~15L/min)和槍管直徑以使噴涂過(guò)程中熔融粉末粒子具有適中的速度和覆蓋 區(qū)域，削弱粒子在冷卻形成涂層過(guò)程中的熱應(yīng)力效應(yīng)。當(dāng)氧氣流量過(guò)大時(shí)，粒子速度相對(duì)較 高，導(dǎo)致粒子碰撞基體時(shí)作用力較大，應(yīng)力較大；當(dāng)氧氣流量過(guò)小時(shí)，粒子速度相對(duì)較低，會(huì) 對(duì)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響。而槍管直徑的大小會(huì)對(duì)每次爆炸噴涂的覆蓋區(qū)域 產(chǎn)生影響，當(dāng)槍管直徑較大時(shí)，如大于22_，單槍噴涂覆蓋區(qū)域較大，粒子間結(jié)合狀態(tài)較差， 結(jié)合強(qiáng)度較低；當(dāng)槍管直徑較小時(shí)，如小于18mm，單槍噴涂覆蓋區(qū)域較小，噴涂區(qū)域較為集 中，導(dǎo)致涂層熱應(yīng)力較高，涂層發(fā)生開(kāi)裂、剝落趨勢(shì)增加，因此本發(fā)明中選用18~22mm槍管 直徑。
[0014] 本發(fā)明在繼承爆炸噴涂工藝致密度高和結(jié)合強(qiáng)度高特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)工藝參數(shù) 耦合作用機(jī)理研究，減弱了鋁硅涂層對(duì)厚度的敏感性，能夠制備厚度在2_左右的具有良好 表面狀態(tài)和結(jié)合性能的涂層，拓寬了軸流機(jī)匣等零件對(duì)鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的厚度設(shè)計(jì)要 求，同時(shí)由于本發(fā)明工藝制備涂層優(yōu)異的結(jié)合強(qiáng)度，無(wú)需對(duì)零件噴涂面邊緣進(jìn)行鑲嵌式凹 槽設(shè)計(jì)以及對(duì)噴涂表面進(jìn)行槽形螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能使涂層具有良好的結(jié)合性能，從而簡(jiǎn)化 了零件噴涂區(qū)域的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0015] 與火焰噴涂和等離子噴涂等其他制備工藝相比，本發(fā)明涉及的爆炸噴涂制備鋁硅 可磨耗封嚴(yán)涂層方法無(wú)論在涂層結(jié)合強(qiáng)度、致密度以及涂層厚度對(duì)開(kāi)裂剝落的敏感性方面 都得到了跨越式提升，并且針對(duì)其他方法在制備鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層時(shí)必須制備一層鎳鋁 底涂層以保證鋁硅涂層的結(jié)合強(qiáng)度和使用性能，本方法性能測(cè)試結(jié)果表明在不制備鎳鋁底 層的情況下所制備鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的結(jié)合強(qiáng)度和熱震性能仍然能夠很好的滿足設(shè)計(jì) 要求，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層制備過(guò)程的簡(jiǎn)化，因此本方法具有 明顯的工藝先進(jìn)性。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 實(shí)施例1
[0017]基體材料選用0Crl6Ni5M〇l不銹鋼，噴涂前選用白剛玉砂對(duì)基體材料進(jìn)行表面粗 化處理，噴砂后基體表面粗糙度為Ra3.772;隨后采用爆炸噴涂工藝在基體材料上進(jìn)行鋁硅 可磨耗封嚴(yán)涂層的制備，具體噴涂參數(shù)如表1所示。
[0018] 表1噴涂工藝參數(shù)
[0020] 所制備鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層性能如表2所示。
[0021] 表2涂層性能
[0022]
[0023] 實(shí)施例2
[0024] 基體材料選用lCrl2Ni2WMoVNb不銹鋼，噴涂前選用白剛玉砂對(duì)基體材料進(jìn)行噴砂 粗化處理，噴砂后基體表面粗糙度為Ra3.897;隨后采用爆炸噴涂工藝在基體材料上進(jìn)行鋁 硅可磨耗封嚴(yán)涂層的制備，具體噴涂參數(shù)如表3所示。
[0025] 表3噴涂工藝參數(shù)
[0027]所制備鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層性能如表4所示。
[0028]表4涂層性能
[0029]
[0030] 實(shí)施例3
[0031] 基體材料選用0Crl7Ni4Cu4Nb不銹鋼，噴涂前選用白剛玉砂對(duì)基體材料進(jìn)行噴砂 粗化處理，噴砂后基體表面粗糙度為Ra3.807;隨后采用爆炸噴涂工藝在基體材料上進(jìn)行鎳 鋁底層和鋁硅涂層的制備，具體噴涂參數(shù)如表5所示。
[0032] 表5噴涂工藝參數(shù)
[0035] 所制備鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層性能如表6所示。
[0036] 表6涂層性能
[0037]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，方法包含如下步驟： 步驟1，表面粗化處理:采用剛玉砂對(duì)待噴涂表面進(jìn)行噴砂粗化處理，使處理后待噴涂 表面的粗糙度在Ra3.5~Ra4.0之間； 步驟2，鋁硅涂層噴涂:采用爆炸噴涂工藝，在基體材料上噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層，噴 涂時(shí)氧氣流量為12L/min~15L/min，氧氣與乙炔流量比為0.90~0.92;送粉速率為25g/min ~28g/min;噴涂距離為220mm~230mm，噴槍槍管直徑為18~22mm。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，噴涂時(shí)爆 炸頻率為2~4次/秒。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所用鋁硅 噴涂粉末粒度為170目~325目，即45μπι~90μπι，成分為Si llwt%~13wt%，Al余量。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，在基體表 面粗化處理后采用爆炸噴涂工藝制備一層鎳鋁中間層，噴涂鎳鋁涂層時(shí)氧氣流量為18L/ min~22L/min，氧氣與乙炔流量比為1.10~1.15;送粉速率為40g/min~45g/min;噴涂距離 為260mm~280mm;噴槍槍管直徑為16~26mm;銀錯(cuò)中間層的噴涂厚度為0.08mm~0.15mm所 用鎳鋁噴涂粉末粒度為170目~325目，即45μπι~90μπι，成分為A1 4wt%~6wt%，Ni余量。
【文檔編號(hào)】C23C4/02GK105970142SQ201610347398
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】高俊國(guó), 崔永靜, 王長(zhǎng)亮, 郭孟秋
【申請(qǐng)人】中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院