專(zhuān)利名稱(chēng)：重燃渦輪一級(jí)工作葉片葉尖耐磨涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪葉片涂層制備方法，特別涉及一種重燃渦輪一級(jí)工作葉片葉尖耐
磨涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)作條件越來(lái)越苛刻，對(duì)性能提出的要求越來(lái)越 高，因此特種涂層材料及制備技術(shù)已成為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)制造中的關(guān)鍵技術(shù)之 一。涂層主要分為熱障涂層、耐磨涂層、封嚴(yán)涂層、抗沖刷涂層、尺寸修復(fù)涂層等，其中耐磨 涂層要求有較高的硬度和較低的摩擦系數(shù)。 重型燃機(jī)的服役壽命長(zhǎng)，其中大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一級(jí)渦輪工作葉片的一次大修 壽命要求為25000小時(shí)，為了滿足上述使用壽命要求，必須在葉尖端面涂覆耐磨涂層，否則 葉尖在使用中磨損產(chǎn)生漏氣，將嚴(yán)重降低工作效率。葉尖上的耐磨涂層要求與基體牢固結(jié) 合，確保使用過(guò)程中不掉塊，并且在高溫、高速工況下具有很好的耐磨性能。目前國(guó)內(nèi)在重 燃渦輪一級(jí)工作葉片葉尖端面上制備耐磨涂層，主要采用鎢極氬氣保護(hù)電弧焊制備，具有 較好的耐磨性能，但堆焊下面的基體會(huì)產(chǎn)生裂紋，對(duì)渦輪工作葉片的使用安全和壽命有影 響。 目前國(guó)外有部分有采用激光熔覆技術(shù)制備耐磨涂層修復(fù)燃機(jī)零部件的報(bào)道，國(guó)內(nèi) 也有在試驗(yàn)室采用激光熔覆技術(shù)制備耐磨涂層的報(bào)道，但是，在燃機(jī)渦輪葉片的葉尖端面 通過(guò)激光熔覆技術(shù)制備耐磨涂層的技術(shù)工藝，國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)研究報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種重燃渦輪一級(jí)工作葉片葉尖耐磨涂層的制備 方法，目的在于制備重燃渦輪一級(jí)工作葉片葉尖耐磨涂層后，使耐磨涂層具有良好的耐磨 性能，而且涂層和基體均不產(chǎn)生裂紋。
本發(fā)明的方法按以下步驟進(jìn)行 1、采用的激光涂覆設(shè)備配有與激光束同軸的紅外掃描裝置，預(yù)先掃描出激光涂覆 時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，具體操作為將重燃渦輪一級(jí)工作葉片固定在激光涂覆設(shè)備的工作臺(tái)上，葉 尖端面朝上；通過(guò)激光涂覆設(shè)備的數(shù)控面板來(lái)移動(dòng)紅外掃描裝置，用紅外光束對(duì)葉尖端面 邊緣進(jìn)行掃描，紅外光束直徑為3mm，掃描時(shí)的紅外光束外緣與葉尖端面外沿相切；根據(jù)掃 描軌跡使激光涂覆設(shè)備的掃描軌跡程控程序記錄18 20個(gè)掃描點(diǎn)位置，軌跡程控程序根 據(jù)記錄的掃描點(diǎn)，自動(dòng)擬合生成激光涂覆時(shí)的激光束掃描軌跡，該軌跡所構(gòu)成的曲線與紅 外光束掃描的葉尖端面外沿部分形狀相似。 2、啟動(dòng)激光涂覆設(shè)備的激光發(fā)生裝置，在惰性氣體對(duì)葉尖端面吹掃保護(hù)的條件 下，向葉尖端面進(jìn)行同步傳送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末，制備耐磨涂層，激光涂 覆設(shè)備的激光束與紅外光束同軸，激光光斑直徑為2. 5 3mm，掃描速度為100 300mm/ min，合金粉末的傳送速度為4 8L/min，激光器輸出功率為2000 3000W，激光束按軌跡掃描后完成涂覆。 上述方法制備的耐磨涂層平均寬度為1. 9 2. 5mm，平均厚度為2 3mm。 上述的重燃渦輪一級(jí)工作葉片的基體材質(zhì)為鎳基鑄造高溫合金K488，合金粉末為
Co基自熔合金粉末，其成分按重量百分比為C 1.0 1.3%，Cr 28. 0 30. 0%，Si 1. 0
1. 3%， Fe 3. 0 3. 2%， W 3. 8 4. 3%， Ni 2. 8 3. 0%，余量為Co。 上述的保護(hù)氣體為氬氣，進(jìn)行保護(hù)時(shí)的氣壓為0. 2 0. 35MPa。 激光熔覆技術(shù)是在被涂覆基材上預(yù)置選擇的涂層原料，經(jīng)激光輻射使之與基材表
面薄層同時(shí)熔化，并快速凝固形成具有一定稀釋度，與基材冶金結(jié)合成表面涂層。與熱噴
涂、離子束注入等表面涂層技術(shù)相比，激光熔覆涂層具有結(jié)合強(qiáng)度高、涂層厚度大、涂層中
硬質(zhì)增強(qiáng)相多等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明通過(guò)選擇耐磨涂層材料，并且選擇適合葉片基體材料的工藝
方法，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在重燃渦輪一級(jí)工作葉片葉尖制備出質(zhì)量良好的耐磨涂層，該
涂層與基體實(shí)現(xiàn)了牢固的冶金結(jié)合，基體及涂層中無(wú)裂紋，并且涂層具有很好的室溫和高
溫耐磨性能，能夠滿足零件的使用要求；本發(fā)明的制備方法在提高了涂層的高溫耐磨性能
的同時(shí)，提高了涂層制備的自動(dòng)化控制水平和生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中制備的重燃渦輪一級(jí)工作葉片葉尖端面耐磨涂層照片 圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例中采用的Co基合金粉末為沈陽(yáng)大陸激光成套設(shè)備有限公司產(chǎn)品。
本發(fā)明實(shí)施例中采用的激光涂覆設(shè)備為沈陽(yáng)大陸激光器公司生產(chǎn)的橫流(A工業(yè) 激光器，型號(hào)為DL-HL-T10000。 本發(fā)明實(shí)施例中的重燃渦輪一級(jí)工作葉片的基體材質(zhì)為鎳基鑄造高溫合金K488。
實(shí)施例l 重燃渦輪一級(jí)工作葉片固定在激光涂覆設(shè)備的工作臺(tái)上，葉尖端面朝上；操作數(shù) 控面板來(lái)移動(dòng)紅外掃描裝置，用紅外光束對(duì)葉尖端面邊緣進(jìn)行掃描，紅外光束直徑為3mm， 掃描時(shí)的紅外光束外緣與葉尖端面外沿相切；根據(jù)掃描軌跡使掃描軌跡程控程序記錄18 個(gè)掃描點(diǎn)位置，軌跡程控程序自動(dòng)擬合生成激光涂覆時(shí)的激光束掃描軌跡，該軌跡所構(gòu)成 的曲線與紅外光束掃描的葉尖端面外沿部分形狀相似。 啟動(dòng)激光涂覆設(shè)備的激光發(fā)生裝置，在惰性氣體對(duì)葉尖端面吹掃保護(hù)的條件下， 向葉尖端面進(jìn)行同步傳送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末，制備耐磨涂層，激光光斑 直徑為3mm，掃描速度為200mm/min，合金粉末的傳送速度為6L/min，激光器輸出功率為 2700W，激光束按軌跡掃描后完成涂覆。 Co基自熔合金粉末的成分按重量百分比為C 1.0%， Cr 28.0%， Si 1.0%， Fe
3. 0%，W 3. 8%，Ni 2. 8X，余量為Co。 惰性氣體為氬氣，進(jìn)行保護(hù)時(shí)的氣壓為0. 3MPa。 葉尖端面的耐磨涂層平均寬度為2. 5mm，平均厚度為2. 7mm，葉尖端面耐磨涂層示 意圖如圖l所示。
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將制備了耐磨涂層的葉片進(jìn)行耐磨試驗(yàn)，采用的試驗(yàn)設(shè)備為沈陽(yáng)金屬研究所的 GW/ML-MS型高溫磨損試驗(yàn)機(jī)，BSllO型電子分析天平；2206B型表面形貌儀。試驗(yàn)條件為 大氣環(huán)境、無(wú)潤(rùn)滑介質(zhì)，試驗(yàn)溫度700°C 、載荷8. 5N，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度0. 75m/s，進(jìn)行30000轉(zhuǎn)磨
損試驗(yàn)。 將載荷施加于銷(xiāo)試樣上，盤(pán)試樣轉(zhuǎn)動(dòng)，形成盤(pán)/銷(xiāo)試樣表面之間的滑動(dòng)磨損。試驗(yàn) 中對(duì)摩擦副進(jìn)行加熱，達(dá)到溫度為700°C。 通過(guò)測(cè)量摩擦副載荷8. 5N和滑動(dòng)速度0. 75m/s下產(chǎn)生的摩擦力，以磨損一定時(shí)間 后摩擦力達(dá)到穩(wěn)定值計(jì)算摩擦系數(shù)。 磨損量采用尺寸測(cè)量法確定，測(cè)定銷(xiāo)試樣磨損試驗(yàn)前后的長(zhǎng)度差作為磨損量，測(cè)
定盤(pán)試樣磨痕的深度(包含有盤(pán)試樣表面生成的氧化層深度)作為磨損量。 通過(guò)與采用常規(guī)材質(zhì)進(jìn)行堆焊后獲得的耐磨涂層和葉片基體本身進(jìn)行高溫磨損
測(cè)試，獲得的數(shù)據(jù)如表l所示。 表1
摩擦試樣銷(xiāo)試樣長(zhǎng)度減小mm盤(pán)的磨痕深度um平均摩擦系數(shù)
CoCrW堆焊層0. 8283. 60. 54
激光熔覆涂層0. 3872. 90. 55
K488基體2. 5689. 50. 46 由表可見(jiàn)，采用上述方法制備的激光熔覆涂層具有耐磨性能優(yōu)越，涂層牢固可靠 的優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)施例2 掃描軌跡方法同實(shí)施例1，掃描軌跡程控程序記錄19個(gè)掃描點(diǎn)位置。 啟動(dòng)激光涂覆設(shè)備的激光發(fā)生裝置，在惰性氣體對(duì)葉尖端面吹掃保護(hù)的條件下，
向葉尖端面進(jìn)行同步傳送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末，制備耐磨涂層，激光光斑
直徑為2. 5mm，掃描速度為100mm/min，合金粉末的傳送速度為4L/min，激光器輸出功率為
2000W，激光束按軌跡掃描后完成涂覆。 合金粉末為Co基自熔合金粉末，其成分按重量百分比為C 1. 3%， Cr 30. 0%， Si
1.3%，F(xiàn)e 3.2%，W 4.3%，Ni 3.0X，余量為Co。 惰性氣體為氬氣，進(jìn)行保護(hù)時(shí)的保護(hù)氣體氣壓為0. 2MPa。 耐磨涂層平均寬度為2. 2mm，平均厚度為2. 4mm。 實(shí)施例3 掃描軌跡方法同實(shí)施例1，掃描軌跡程控程序記錄20個(gè)掃描點(diǎn)位置。 啟動(dòng)激光涂覆設(shè)備的激光發(fā)生裝置，在惰性氣體對(duì)葉尖端面吹掃保護(hù)的條件下，
向葉尖端面進(jìn)行同步傳送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末，制備耐磨涂層，激光光斑
直徑為3mm，掃描速度為300mm/min，合金粉末的傳送速度為8L/min，激光器輸出功率為
3000W，激光束按軌跡掃描后完成涂覆。
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重燃渦輪一級(jí)工作葉片的基體材質(zhì)為鎳基鑄造高溫合金K488，合金粉末為Co基 自熔合金粉末，其成分按重量百分比為C 1. l%，Cr 29.0%，Si 1.2%，F(xiàn)e 3. 1%，W4. 1%， Ni 2. 9%，余量為Co。 惰性氣體為氬氣，進(jìn)行保護(hù)時(shí)的保護(hù)氣體氣壓為0. 35MPa。
制備的耐磨涂層平均寬度為2. 2mm，平均厚度為2. 3mm。
實(shí)施例4 掃描軌跡方法同實(shí)施例1，掃描軌跡程控程序記錄20個(gè)掃描點(diǎn)位置。 啟動(dòng)激光涂覆設(shè)備的激光發(fā)生裝置，在惰性氣體對(duì)葉尖端面吹掃保護(hù)的條件下，
向葉尖端面進(jìn)行同步傳送合金粉末，并用激光束熔化合金粉末，制備耐磨涂層，激光光斑
直徑為2. 5mm，掃描速度為220mm/min，合金粉末的傳送速度為5L/min，激光器輸出功率為
2200W，激光束按軌跡掃描后完成涂覆。 重燃渦輪一級(jí)工作葉片的基體材質(zhì)為鎳基鑄造高溫合金K488，合金粉末為Co基 自熔合金粉末，其成分按重量百分比為C 1.2%，Cr 28. 0%，Si 1. l%，F(xiàn)e 3. 2%，W 3.9%， Ni 3. 0%，余量為Co。 惰性氣體為氬氣，進(jìn)行保護(hù)時(shí)的保護(hù)氣體氣壓為0. 25MPa。
制備的耐磨涂層平均寬度為1. 9mm，平均厚度為2. lmm。
權(quán)利要求
一種重燃渦輪一級(jí)工作葉片葉尖耐磨涂層的制備方法，選取重燃渦輪一級(jí)工作葉片的基體材質(zhì)為鎳基鑄造高溫合金K488，耐磨涂層的制備方法特征在于按以下步驟進(jìn)行(1)利用激光涂覆設(shè)備的紅外掃描裝置對(duì)葉片葉尖端面邊緣進(jìn)行掃描，使掃描軌跡程控程序記錄18～20個(gè)掃描點(diǎn)位置，軌跡程控程序自動(dòng)擬合生成激光涂覆時(shí)的激光束掃描軌跡；(2)在惰性氣體保護(hù)的條件下，向葉尖端面進(jìn)行同步傳送合金粉末，并用激光涂覆設(shè)備的激光束熔化合金粉末，激光光斑直徑為2.5～3mm，掃描速度為100～300mm/min，合金粉末的傳送速度為4～8L/min，激光器輸出功率為2000～3000W，激光束按軌跡掃描后完成耐磨涂層的制備；所述的合金粉末為Co基自熔合金粉末，其成分按重量百分比為C 1.0～1.3％，Cr 28.0～30.0％，Si 1.0～1.3％，F(xiàn)e 3.0～3.2％，W 3.8～4.3％，Ni 2.8～3.0％，余量為Co。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重燃渦輪一級(jí)工作葉片葉尖耐磨涂層的制備方法，其特 征在于所述的耐磨涂層平均寬度為1. 9 2. 5mm，平均厚度為2 3mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重燃渦輪一級(jí)工作葉片葉尖耐磨涂層的制備方法，其特 征在于所述的保護(hù)氣體為氬氣，進(jìn)行保護(hù)時(shí)的氣壓為0. 2 0. 35MPa。
全文摘要
一種重燃渦輪一級(jí)工作葉片葉尖耐磨涂層的制備方法，按以下步驟進(jìn)行(1)利用激光涂覆設(shè)備的紅外掃描裝置對(duì)葉片葉尖端面邊緣進(jìn)行掃描，使掃描軌跡程控程序記錄掃描點(diǎn)位置；(2)啟動(dòng)激光涂覆設(shè)備的激光發(fā)生裝置，在惰性氣體保護(hù)條件下，向葉尖端面?zhèn)魉秃辖鸱勰?，并用激光束熔化合金粉末。重燃渦輪一級(jí)工作葉片的基體材質(zhì)為鎳基鑄造高溫合金K488，合金粉末為Co基自熔合金粉末。本發(fā)明的制備方法在提高了涂層的高溫耐磨性能的同時(shí)，提高了涂層制備的自動(dòng)化控制水平和生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)C22C19/07GK101705487SQ20091021967
公開(kāi)日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者劉佳濤, 孟慶武, 張湘君, 李偉劍, 王長(zhǎng)利, 祝文卉, 高宇 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司