CN107805775A - 一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法，将MCrAlY合金粉通过低压等离子喷涂设备喷涂至基体表面制备涂层，对基体表面进行多次喷涂，单次喷涂的沉积厚度小于等于0.01mm，每喷涂0.2mm～1mm采用真空热处理对已涂覆的涂层进行去应力及扩散处理；最后喷涂得到的涂层厚度大于等于1.5mm。解决了现有技术中高温可磨耗封严涂层封严效果不佳，使用寿命短的问题，能大幅度提高涂层寿命及封严效果。

Description

一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及可磨耗封严涂层技术领域，尤其涉及一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法。
背景技术
航空发动机涡轮外环在工作时处于高温、高速对磨、高速气流冲刷的工况环境中，提高涡轮外环与转子叶片的气路密封性可显著提高涡轮工作效率。涡轮外环通常采用高温合金材料。高温合金具有良好的高温强度，然而其硬度较高，直接使用容易造成工作叶片磨损，从而降低气密性。并且，高温合金的抗高温腐蚀性差，工作过程中很容易烧蚀，导致发动机涡轮叶片叶尖间隙扩大，气流工作效率下降。
提高涡轮性能的主要有两种措施，第一种是采用高新材料替换涡轮原有的高温合金材料，但是，这种方法成本高、加工难度大、设计和生产周期长。第二种是在高压涡轮外环的内表面，即高温合金的表面涂覆高温可磨耗封严涂层，当转子叶片受热和离心力作用而伸长时，叶片刮削封严涂层从而减小发动机转子与静子间的间隙，以起到气路封严作用；结论证明，涂覆高温可磨耗封严涂层对提高高压涡轮的工作效率和可靠性有重要影响，典型发动机的高压涡轮叶尖间隙每减小0.13mm～0.25mm，油耗可减少0.5～1％，发动机的效率可提高2％左右；对涡轮外环涂覆可磨耗、抗高温氧化烧蚀、防冲刷的高温封严涂层，可明显减少燃气气流的流失，提高发动机热效率，具有成本较低、加工工艺简单、生产周期短的优点。
但是，随着航空发动机研制过程中对寿命、可靠性和经济性要求的不断提高，发动机的转速将成倍增加，造成涡轮部件的工作温度进一步提高，同时增加了喘振等振动所带来的不确定因素，导致涡轮外环块承受着更为恶劣的高温、高速气流冲刷、高速对磨、高交变载荷等工况环境，原有可磨耗封严涂层与基体结合强度不高，易掉块剥落、热稳定性及可磨耗性差，已经不能够满足先进航空发动机的设计要求。新的发动机对高压涡轮的高温封严涂层的综合性能提出了更高的要求，一方面，高温封严涂层要具有更高的使用温度；另一方面，高温封严涂层在高温下要具有更好的热稳定性及可磨耗性。
目前，国内高温封严涂层主要采用大气等离子制备MCrAlY/聚苯脂涂层。专利号201410616508.4所发明高温封严涂层，由于孔隙大，高温环境下涂层MCrAlY容易与氧气发生氧化反应，生成Al2O3、Cr2O3等硬度高且脆的氧化物相，这使得涂层硬度提高，在发动机使用过程中与之对磨的涡轮转子叶片叶尖磨损严重，涂层失去可磨耗作用，且其涂层结构复杂，涂层开裂几率高，批生产困难。
因此，如何提高高温封严涂层的可磨耗性、抗氧化烧蚀性、结合强度、抗热震性能及使用寿命，是我们需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法，解决了现有技术中高温可磨耗封严涂层封严效果不佳，使用寿命短的问题。本发明可以用于航空发动机及地面燃气高压涡轮外环气路封严，具有抗氧化、高温低硬度、可磨耗、高温稳定性、抗热震、结合力高的特点，工作温度可达1100℃以上，能大幅度提高涂层寿命及封严效果。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种高温可磨耗封严涂层，涂层为单层结构，厚度大于等于1.5mm，涂层的材料为MCrAlY合金粉，MCrAlY合金粉中的M为金属Ni和/或金属Co。
更进一步地，本发明的特点还在于：
涂层的材料为CoNiCrAlY合金粉，以CoNiCrAlY合金粉的质量为100％计，CoNiCrAlY合金粉中包括：32wt％的Ni，21wt％的Cr，8wt％的Al，0.5wt％的Y，余量为Co。
涂层与基体表面冶金结合，涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于2％，涂层结合强度大于60MPa。
本发明还提供了一种高温可磨耗封严涂层的制备方法，采用MCrAlY合金粉，MCrAlY合金粉中的M为金属Ni和/或金属Co；将MCrAlY合金粉通过低压等离子喷涂设备喷涂至基体表面制备涂层；对基体表面进行多次喷涂，单次喷涂的沉积厚度小于等于0.01mm，每喷涂0.2mm～1mm采用真空热处理对已涂覆的涂层进行去应力及扩散处理；最后喷涂得到的涂层厚度大于等于1.5mm，然后对涂层进行磨加工，使涂层厚度满足工件最终尺寸要求。
更进一步地，本发明的特点还在于：
真空热处理为：在真空度小于等于6.65×10-2pa的真空环境下，将已涂覆的涂层在950℃～1100℃下保温2h～4h，然后缓冷至500℃以下。
低压等离子喷涂设备的功率为35KW～45KW，电流为580A～650A，采用氩气和氢气作为喷涂气体，氩气的流量为45NLPM～55NLPM，氢气的流量为5NLPM～8NLPM，喷涂距离为360mm～400mm。
MCrAlY合金粉的粒度范围为-62μm～+11μm。
在对基体表面进行喷涂前，对基体表面进行去油，并进行粗化处理，使基体表面粗糙度大于Ra 5.0μm。
在对基体表面进行喷涂前，对需喷涂部位以外区域进行遮蔽保护。
所需喷涂的基体为高温合金高压涡轮外环，高温合金为等轴晶铸造高温合金或单晶高温合金。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种高温可磨耗封严涂层为单层结构，厚度大于等于1.5mm，涂层的材料为MCrAlY合金粉，可应用于航空发动机及燃气轮机高压涡轮外环气路的封严，高温可磨耗涂层与基体界面实现了冶金结合，涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于2％，结合强度大于60MPa，涂层1000℃高温硬度HR45Y在40～60之间，水冷抗热震性能大于50次。具有抗氧化、高温低硬度、可磨耗、高温稳定性、抗热震、结合力高的特点，工作温度可达1100℃，能大幅度提高涂层的可磨耗性、可靠性、寿命及封严效果。可明显降低涂层对涡轮转子叶片的磨损，涡轮转子叶片使用寿命明显提高，显著降低发动机维修费用，提高发动机可靠性。
本发明提供的一种高温可磨耗封严涂层的制备方法，将MCrAlY合金粉通过低压等离子喷涂设备喷涂至基体表面制备涂层，对基体表面进行多次喷涂，单次喷涂的沉积厚度小于等于0.01mm，每喷涂0.2mm～1mm采用真空热处理对已涂覆的涂层进行去应力及扩散处理；最后喷涂得到的涂层厚度大于等于1.5mm。可应用于航空发动机及燃气轮机高压涡轮外环气路的封严，采用本方法制备得到的高温可磨耗涂层与基体界面实现了冶金结合，制备得到的涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于2％，结合强度大于60MPa，涂层1000℃高温硬度HR45Y在40～60之间，水冷抗热震性能大于50次。采用本方法制备得到的具有抗氧化、高温低硬度、可磨耗、高温稳定性、抗热震、结合力高的特点，工作温度可达1100℃，能大幅度提高涂层的可磨耗性、可靠性、寿命及封严效果。可明显降低涂层对涡轮转子叶片的磨损，涡轮转子叶片使用寿命明显提高，显著降低发动机维修费用，提高发动机可靠性。
附图说明
图1为本发明所提供的高温可磨耗封严涂层的组织结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明提供了一种高温可磨耗封严涂层，高温可磨耗封严涂层为单层结构，厚度大于等于1.5mm，高温可磨耗封严涂层的材料为MCrAlY合金粉，MCrAlY合金粉中的M为金属Ni和/或金属Co。
本发明的高温可磨耗封严涂层与基体表面冶金结合，涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于2％，涂层结合强度大于60MPa。
本发明还提供了一种高温可磨耗封严涂层的制备方法，采用MCrAlY合金粉，MCrAlY合金粉中的M为金属Ni和/或金属Co；将MCrAlY合金粉通过低压等离子喷涂设备喷涂至基体表面制备涂层，对基体表面进行多次喷涂，单次喷涂的沉积厚度小于等于0.01mm，每喷涂0.2mm～1mm采用真空热处理对已涂覆的涂层进行去应力及扩散处理；最后喷涂得到的涂层厚度大于等于1.5mm，然后对涂层进行磨加工，使涂层厚度满足工件最终尺寸要求。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，每喷涂0.2mm～1mm采用真空热处理对已涂覆的涂层进行去应力及扩散处理，真空热处理为：在真空度小于等于6.65×10-2pa的真空环境下，将已涂覆的涂层在950℃～1100℃下保温2h～4h，然后缓冷至500℃以下。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，低压等离子喷涂设备的功率为35KW～45KW，电流为580A～650A，采用氩气和氢气作为喷涂气体，氩气的流量为45NLPM～55NLPM，氢气的流量为5NLPM～8NLPM，喷涂距离为360mm～400mm。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，MCrAlY合金粉的粒度范围为-62μm～+11μm。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，在对基体表面进行喷涂前，对基体表面进行去油，并进行粗化处理，使基体表面粗糙度大于Ra5.0μm。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，在对基体表面进行喷涂前，对需喷涂部位以外区域进行遮蔽保护。
本发明的高温可磨耗封严涂层的制备方法中，所需喷涂的基体为高温合金高压涡轮外环，高温合金为等轴晶铸造高温合金或单晶高温合金。
本发明制备的高温可磨耗封严涂层，涂层与基体界面实现了冶金结合，涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于2％，涂层结合强度大于60MPa，涂层1000℃高温硬度HR45Y在40～60之间。
实施例1：
本实施例采用低压等离子喷涂设备，基体材料为K465高温合金，对高压涡轮外环制备CoNiCrAlY高温可磨耗封严涂层。具体包括以下步骤：
用丙酮或者汽油清洗零件喷涂表面，然后利用热喷涂胶带对非喷涂面进行保护。
利用清洁、干燥的20目氧化铝砂子对高压涡轮外环喷涂面进行喷砂处理，风压为0.4MPa，处理后基体表面粗糙为7μm，然后去除保护胶带。
通过低压等离子喷涂设备在经喷砂处理的零件表面制备高温可磨耗封严涂层，粉末采用CoNiCrAlY合金粉，以CoNiCrAlY合金粉的质量为100％计，CoNiCrAlY合金粉中包括：32wt％的Ni，21wt％的Cr，8wt％的Al，0.5wt％的Y，余量为Co；粒度范围为-62～+11μm。每喷涂0.5mm对涂层进行真空热处理，涂层总厚度为2.5mm，最终通过磨加工保证零件最终尺寸。
上述低压等离子喷涂工艺参数为：功率为40KW，电流为650A，采用氩气和氢气作为喷涂气体，氩气的流量为50NLPM，氢气的流量为7NLPM，喷涂距离390mm，单遍沉积厚度0.01mm。
上述真空热处理的具体过程如下：将基体及已涂覆的涂层放入真空加热炉中，真空加热炉的真空度3×10-2pa，随炉升温至1100℃保温2h，随炉缓冷至500℃以下关闭加热装置，随炉冷至室温。
实施例2：
本实施例采用低压等离子喷涂制备CoCrAlY高温封严涂层，基体材料为DD5单晶高温合金，经线切割成φ30×10mm。具体包括以下步骤：
用丙酮或者汽油清洗待喷涂表面，然后激光对基体进行粗化处理，处理后的基体表面粗糙度为6μm，通过低压等离子喷涂设备在粗化处理的DD5单晶基体表面制备高温可磨耗封严涂层，粉末采用CoCrAlY合金粉，以CoCrAlY合金粉的质量为100％计，CoCrAlY合金粉中包括：18.0～22.0wt％Cr，10.0wt％～14.0wt％Al，0.4％～0.8wt％Y，余量为Co；粒度范围为-45～+15μm。每喷涂0.3mm对涂层进行真空热处理，涂层总厚度为2.2mm。
上述低压等离子喷涂工艺参数为：功率为45KW，电流为620A，氩气为55NLPM，氢气为7NLPM，喷涂距离390mm，单遍沉积厚度0.02mm。
上述真空热处理参数为真空度1×10-2pa以下，随炉升温至1000℃保温4h，随炉缓冷至500℃以下关闭加热装置，随炉冷至室温。
实施例3：
本实施例采用低压等离子喷涂制备NiCrAlY高温封严涂层，基体材料为K77高温合金。具体包括以下步骤：
用丙酮或者汽油清洗待喷涂表面，然后利用热喷涂胶带对非喷涂面进行保护。喷涂表面经清洁、干燥的20目氧化铝砂子进行喷砂处理，风压为0.2MPa，处理后基体表面粗糙度为6μm。通过低压等离子喷涂设备在粗化表面制备高温可磨耗封严涂层，粉末采用NiCrAlY合金粉，以NiCrAlY合金粉的质量为100％计，NiCrAlY合金粉中包括：20wt％的Cr，13wt％的Al，1wt％的Y，余量为Ni；粒度范围为-45～+15μm。每喷涂0.4mm对涂层进行真空热处理，涂层总厚度为2.0mm。
上述低压等离子喷涂工艺参数为：功率为38KW，电流为580A，氩气为48NLPM，氢气为6NLPM，喷涂距离380mm，单遍沉积厚度0.02mm。
上述真空热处理参数为真空度9×10-3pa，随炉升温至1050℃保温3h，随炉缓冷至500℃以下关闭加热装置，随炉冷至室温。
本发明提供的一种高温可磨耗封严涂层及其制备方法，可应用于航空发动机及燃气轮机高压涡轮外环气路的封严，高温可磨耗涂层与基体界面实现了冶金结合，涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于2％，结合强度大于60MPa，涂层1000℃高温硬度HR45Y在40～60之间，水冷抗热震性能大于50次。具有抗氧化、高温低硬度、可磨耗、高温稳定性、抗热震、结合力高的特点，工作温度可达1100℃，能大幅度提高涂层的可磨耗性、可靠性、寿命及封严效果。可明显降低涂层对涡轮转子叶片的磨损，涡轮转子叶片使用寿命明显提高，显著降低发动机维修费用，提高发动机可靠性。

Claims (10)

1.一种高温可磨耗封严涂层，其特征在于，涂层为单层结构，厚度大于等于1.5mm，涂层的材料为MCrAlY合金粉，MCrAlY合金粉中的M为金属Ni和/或金属Co。
2.根据权利要求1所述的高温可磨耗封严涂层，其特征在于，涂层的材料为CoNiCrAlY合金粉，以CoNiCrAlY合金粉的质量为100％计，CoNiCrAlY合金粉中包括：32wt％的Ni，21wt％的Cr，8wt％的Al，0.5wt％的Y，余量为Co。
3.根据权利要求1所述的高温可磨耗封严涂层，其特征在于，涂层与基体表面冶金结合，涂层组织孔隙率低于1％，氧含量低于2％，涂层结合强度大于60MPa。
4.一种高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，采用MCrAlY合金粉，MCrAlY合金粉中的M为金属Ni和/或金属Co；将MCrAlY合金粉通过低压等离子喷涂设备喷涂至基体表面制备涂层；对基体表面进行多次喷涂，单次喷涂的沉积厚度小于等于0.01mm，每喷涂0.2mm～1mm采用真空热处理对已涂覆的涂层进行去应力及扩散处理；最后喷涂得到的涂层厚度大于等于1.5mm；然后对涂层进行磨加工，使涂层厚度满足工件最终尺寸要求。
5.根据权利要求4所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，真空热处理为：在真空度小于等于6.65×10-2pa的真空环境下，将已涂覆的涂层在950℃～1100℃下保温2h～4h，然后缓冷至500℃以下。
6.根据权利要求4所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，低压等离子喷涂设备的功率为35KW～45KW，电流为580A～650A，采用氩气和氢气作为喷涂气体，氩气的流量为45NLPM～55NLPM，氢气的流量为5NLPM～8NLPM，喷涂距离为360mm～400mm。
7.根据权利要求4所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，MCrAlY合金粉的粒度范围为-62μm～+11μm。
8.根据权利要求4所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，在对基体表面进行喷涂前，对基体表面进行去油，并进行粗化处理，使基体表面粗糙度大于Ra 5.0μm。
9.根据权利要求4所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，在对基体表面进行喷涂前，对需喷涂部位以外区域进行遮蔽保护。
10.根据权利要求4所述的高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于，所需喷涂的基体为高温合金高压涡轮外环，高温合金为等轴晶铸造高温合金或单晶高温合金。
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