一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴涂層的方法
【專利摘要】本發明涉及發動機可磨耗封嚴涂層制備技術，具體涉及一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴涂層的方法。首先，對待噴涂表面進行噴砂粗化處理，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涂層。該方法減弱了鋁硅涂層厚度對開裂剝落的敏感性，能夠制備厚度在2mm左右的具有良好表面狀態和結合性能的涂層，拓寬了軸流機匣等零件對鋁硅可磨耗封嚴涂層的厚度設計要求，同時由于本發明工藝制備涂層優異的結合性能，無需制備鎳鋁底涂層以及對零件噴涂面邊緣進行鑲嵌式凹槽設計和對噴涂表面進行槽形螺紋結構設計也能使涂層具有良好的結合性能，從而簡化了涂層制備過程和零件噴涂區域的特殊結構設計。
【專利說明】
一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴涂層的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及發動機可磨耗封嚴涂層制備技術，具體涉及一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗 封嚴涂層的方法。
【背景技術】
[0002] 航空工業的迅速發展對航空發動機提出了越來越高的要求，大推力、高效率、低油 耗已成為發動機設計和制造的總體目標。發動機葉片與機匣之間的間隙對發動機整體效率 及油耗具有重要的影響作用。據資料報道，典型發動機壓氣機徑向間隙若增加0.076mm，單 位耗油量將增大約1 %;高壓渦輪機葉片間隙若增加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，徑向間隙過大也會導致發 動機的氣動特性在加速時遭到破壞，從而引起發動機哮喘等問題，嚴重影響發動機的運行 穩定性。然而，在發動機的制造和運行過程中，由于發動機組件的熱膨脹、軸的熱變形以及 高速旋轉離心力引起葉片伸長等因素，無法將徑向間隙控制為零，總要預留2~3mm的間隙， 而過大的間隙必將使氣體大量泄漏，導致發動機效率降低。因此，用于減小壓氣機、渦輪機 葉尖與機匣之間間隙的可磨耗封嚴涂層技術就成為提高發動機性能的重要手段。通過運行 過程中葉尖對可磨耗涂層的主動刮削作用，可有效地減小徑向氣流間隙，從而獲得最大壓 差，顯著提高發動機效率并降低油耗。
[0003] 對于發動機壓氣機部位，在軸流壓氣機機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，常用的可磨耗封嚴涂層主要是鎳/石墨可磨耗封嚴涂 層。但是在壓氣機試驗過程中發現鎳/石墨涂層的效果并不理想，主要存在如下問題：（1)涂 層的表面粗糙度較大，難以達到設計要求，使得氣流流動損失較大，嚴重影響壓氣機效率； (2)涂層與基體的結合強度較低，隨著使用時間的增加，會出現涂層掉塊現象；（3)運轉過程 中轉子葉片葉尖出現磨損現象。針對鎳/石墨涂層在使用過程中的不足之處，中國航空動力 機械研究所黎亮等發展了鋁硅可磨耗封嚴涂層作為其替代涂層。經試車驗證，鋁硅涂層的 使用效果要明顯優于鎳/石墨涂層，其主要優點在于：（1)鋁硅涂層機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絕熱效率比采 用鎳/石墨涂層提高了約2%，同時壓氣機的壓比也有所提高；（2)鋁硅可磨耗封嚴涂層在使 用過程中不僅沒有出現掉塊現象，涂層反而呈現越磨越光的趨勢；（3)即使轉子葉片與機匣 的鋁硅涂層在極高的轉速下相刮削，轉子葉片也絲毫沒有被磨損的跡象。
[0004] 雖然鋁硅涂層的封嚴性能已經在使用中得到了充分的驗證，但是該涂層在制備工 藝以及對零件噴涂部位特殊結構要求等方面仍存在一些不足之處。首先，鋁硅可磨耗封嚴 涂層通常采用火焰噴涂或等離子噴涂工藝進行制備，由于上述兩種工藝均為連續噴涂方 式，在涂層制備過程中熱輸入量較大，對基體材料和涂層的熱影響較大，當噴涂涂層厚度超 過1_時，涂層較容易發生起殼脫落現象，致使涂層與基體呈一整片分離。因此，對零件的涂 層設計厚度一般不超過〇. 6mm，以便在實施噴涂時，鋁硅涂層厚度能夠控制在1mm以內，確保 涂層與基體金屬之間良好結合。其次，采用火焰噴涂和等離子噴涂鋁硅可磨耗封嚴涂層時， 對零件表面的前處理狀態以及噴涂工藝參數的敏感性較高，需要對前處理及噴涂工藝進行 嚴格控制才能確保涂層質量穩定可靠。此外，在涂層零件結構設計上，為了防止涂層起殼， 在零件涂層邊緣位置，通常需要設計成鑲嵌式凹槽結構；同時如果確實需要噴涂較厚的鋁 硅涂層時，則需要在基體噴涂表面加工槽形螺紋，來增加涂層與基體的結合面積，提高涂層 與基體的結合強度，以解決涂層的起殼剝落問題，這樣就無形中增加了零件結構設計的復 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 密度高和涂層結合強度高等特點，近年來受到了研究者的廣泛關注。然而，研究發現采用爆 炸噴涂工藝在制備金屬或合金涂層材料時，隨著噴涂涂層厚度增加導致涂層內部熱應力的 積累，當涂層厚度大于1mm時，所制備涂層仍有發生開裂、剝落的較大風險，在制備大厚度涂 層方面仍具有其工藝不穩定性。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴涂層的方法。方法包括如下 步驟：
[0007] 步驟1，表面粗化處理:采用剛玉砂對待噴涂表面進行噴砂粗化處理，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涂 層，噴涂時氧氣流量為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涂層的方法，其特征在于，噴涂時爆炸頻率為2~ 4次/秒。
[0010] 所述的爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴涂層的方法，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 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] 本發明涉及的爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴涂層的方法具有如下特性：
[0013] 本發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理，發現 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程中隨涂層厚度 增加涂層內部熱應力的積聚，從而大大降低涂層厚度對涂層發生開裂、剝落的敏感性。針對 鋁硅可磨耗封嚴涂層，由于其熔點僅有750°C，因此選用較低的氧燃比（0.90~0.92)以達到 將鋁硅合金粉末良好熔化且不過熔的效果；在選定該氧燃比的基礎上，選用合適的氧氣流 量（12L/min~15L/min)和槍管直徑以使噴涂過程中熔融粉末粒子具有適中的速度和覆蓋 區域，削弱粒子在冷卻形成涂層過程中的熱應力效應。當氧氣流量過大時，粒子速度相對較 高，導致粒子碰撞基體時作用力較大，應力較大；當氧氣流量過小時，粒子速度相對較低，會 對涂層與基體的結合強度產生負面影響。而槍管直徑的大小會對每次爆炸噴涂的覆蓋區域 產生影響，當槍管直徑較大時，如大于22_，單槍噴涂覆蓋區域較大，粒子間結合狀態較差， 結合強度較低；當槍管直徑較小時，如小于18mm，單槍噴涂覆蓋區域較小，噴涂區域較為集 中，導致涂層熱應力較高，涂層發生開裂、剝落趨勢增加，因此本發明中選用18~22mm槍管 直徑。
[0014] 本發明在繼承爆炸噴涂工藝致密度高和結合強度高特點的基礎上，通過工藝參數 耦合作用機理研究，減弱了鋁硅涂層對厚度的敏感性，能夠制備厚度在2_左右的具有良好 表面狀態和結合性能的涂層，拓寬了軸流機匣等零件對鋁硅可磨耗封嚴涂層的厚度設計要 求，同時由于本發明工藝制備涂層優異的結合強度，無需對零件噴涂面邊緣進行鑲嵌式凹 槽設計以及對噴涂表面進行槽形螺紋結構設計也能使涂層具有良好的結合性能，從而簡化 了零件噴涂區域的特殊結構設計。
[0015] 與火焰噴涂和等離子噴涂等其他制備工藝相比，本發明涉及的爆炸噴涂制備鋁硅 可磨耗封嚴涂層方法無論在涂層結合強度、致密度以及涂層厚度對開裂剝落的敏感性方面 都得到了跨越式提升，并且針對其他方法在制備鋁硅可磨耗封嚴涂層時必須制備一層鎳鋁 底涂層以保證鋁硅涂層的結合強度和使用性能，本方法性能測試結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涂層的結合強度和熱震性能仍然能夠很好的滿足設計 要求，從而在一定程度上實現了對鋁硅可磨耗封嚴涂層制備過程的簡化，因此本方法具有 明顯的工藝先進性。
【具體實施方式】
[0016] 實施例1
[0017]基體材料選用0Crl6Ni5M〇l不銹鋼，噴涂前選用白剛玉砂對基體材料進行表面粗 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行鋁硅 可磨耗封嚴涂層的制備，具體噴涂參數如表1所示。
[0018] 表1噴涂工藝參數
[0020] 所制備鋁硅可磨耗封嚴涂層性能如表2所示。
[0021] 表2涂層性能
[0022]
[0023] 實施例2
[0024] 基體材料選用lCrl2Ni2WMoVNb不銹鋼，噴涂前選用白剛玉砂對基體材料進行噴砂 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行鋁 硅可磨耗封嚴涂層的制備，具體噴涂參數如表3所示。
[0025] 表3噴涂工藝參數
[0027]所制備鋁硅可磨耗封嚴涂層性能如表4所示。
[0028]表4涂層性能
[0029]
[0030] 實施例3
[0031] 基體材料選用0Crl7Ni4Cu4Nb不銹鋼，噴涂前選用白剛玉砂對基體材料進行噴砂 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行鎳 鋁底層和鋁硅涂層的制備，具體噴涂參數如表5所示。
[0032] 表5噴涂工藝參數
[0035] 所制備鋁硅可磨耗封嚴涂層性能如表6所示。
[0036] 表6涂層性能
[0037]
【主權項】
1. 一種爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴涂層的方法，其特征在于，方法包含如下步驟： 步驟1，表面粗化處理:采用剛玉砂對待噴涂表面進行噴砂粗化處理，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涂層，噴 涂時氧氣流量為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. 根據權利要求1所述的爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴涂層的方法，其特征在于，噴涂時爆 炸頻率為2~4次/秒。3. 根據權利要求1所述的爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴涂層的方法，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. 根據權利要求1所述的爆炸噴涂鋁硅可磨耗封嚴涂層的方法，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】C23C4/02GK105970142SQ201610347398
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月24日
【發明人】高俊國, 崔永靜, 王長亮, 郭孟秋
【申請人】中國航空工業集團公司北京航空材料研究院