CN112144004A - 一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层及其制备方法 - Google Patents

一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层及其制备方法，属于材料表面改性和涂层技术领域，本发明的涂层是将硬质陶瓷颗粒离散分布并通过粘结合金结合在叶尖端面上，粘结合金层与叶尖合金形成牢固冶金结合，并将硬质陶瓷颗粒紧紧包裹住，涂层的硬质陶瓷颗粒棱角尖锐暴露且与叶尖端面结合牢固。饱和镶嵌结构使得涂层在具有超高硬度的前提下，又具有良好的结合强度。涂层外棱角尖锐，可以用来快速切削可磨耗封严涂层，防止叶尖剧烈升温。

Description

一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于材料表面改性和涂层技术领域，具体涉及一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层及其制备方法。
背景技术
高性能航空发动机对效率和安全性都有更高的要求，而机匣与叶尖之间的间隙大小是影响发动机性能的关键因素。为保证发动机的高效，该间隙不宜过大。而间隙过小时，发动机运行过程中离心、喘振等因素会使得叶尖与机匣内壁发生碰摩而损坏叶尖。因此，常采用封严技术达到提高效率、保护叶尖的目的。即在发动机机匣内壁制备一层可磨耗封严涂层，在叶尖制备一层耐磨涂层，两种涂层相互配合形成合适间隙。
叶尖耐磨涂层常采用金属基陶瓷复合材料，陶瓷颗粒通过合金粘结相固定在叶尖端面，从而提高叶尖的硬度及耐磨性。目前，叶尖耐磨涂层的常用制备方法为激光熔覆技术和电镀方法。用激光熔覆技术制备出的叶尖涂层能大幅度提高基体的硬度和耐磨性，但存在对基体热损伤严重的问题。用电镀法制备的叶尖涂层可有效控制厚度，但涂层与基体结合强度不高，涂层易脱落。
发动机转速可达50000r/min，叶尖切削涂层与可磨耗涂层以极大的相对速度发生碰摩产生巨大的热量，导致叶尖升温剧烈。由于叶尖材料本身耐磨性能差，在服役过程中与可磨耗涂层碰摩易发生擦伤，单纯提高叶尖的硬度和耐磨性无法起到保护叶尖的目的。
发明内容
为了解决叶尖切削涂层与可磨耗封严涂层高速碰摩时发热严重的技术问题，本发明提出了一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层及其制备方法，当叶尖涂层对可磨耗涂层产生切削作用时，可有效降低摩擦生热，降低叶尖升温速率，从而防止叶尖磨损。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层，其特征在于，由硬质陶瓷颗粒与粘结合金层构成，硬质陶瓷颗粒离散分布并通过粘结合金层结合在叶尖基体的端面上，粘结合金层与叶尖基体的合金形成牢固冶金结合，并将硬质陶瓷颗粒自身高度的0.5-0.9倍包裹住，形成硬质陶瓷颗粒棱角尖锐暴露、且与叶尖基体端面结合牢固的叶尖抗磨切削涂层。
本发明进一步的改进在于，所述硬质陶瓷颗粒优选立方氮化硼颗粒。
本发明进一步的改进在于，所述硬质陶瓷颗粒优选金刚石颗粒。
本发明进一步的改进在于，所述硬质陶瓷颗粒平均粒径优选50-120μm，满足切削性能需求。
本发明进一步的改进在于，所述硬质陶瓷颗粒平均粒径优选121-350μm，满足散热性能需求。
本发明进一步的改进在于，所述尖角朝外的硬质陶瓷颗粒，指单个颗粒的最小方向尺寸超过颗粒平均粒径0.05倍的暴露面，与叶尖端面外法线的角度均介于0-60°之间。其中，最小方向尺寸是指颗粒在不同方向上的尺寸中最小的那个，例如：上下尺寸比左右尺寸大则最小方向尺寸指左右尺寸。
本发明进一步的改进在于，所述尖角朝外的硬质陶瓷颗粒所占百分比大于50％。
本发明进一步的改进在于，所述硬质陶瓷颗粒朝向叶尖外表面外法线的一侧顶端高度差不高于颗粒自身平均粒径的0.2-0.5倍。
本发明进一步的改进在于，所述相邻两个陶瓷颗粒的分布间距优选颗粒自身平均粒径的1-2.5倍，具有高的分布密度，可实现快速切削。
本发明进一步的改进在于，所述相邻两个陶瓷颗粒的分布间距优选颗粒自身平均粒径的3-10倍，具有充分散热的能力。
本发明进一步的改进在于，所述粘结合金中Cr、Al和Si元素的总摩尔含量不低于13％且不高于48％。
本发明进一步的改进在于，所述粘结合金成分优选质量百分比为含镍大于53.0％，含铬6％-28％的镍基合金。
本发明进一步的改进在于，所述粘结合金成分优选质量百分比为含钛大于40％，含锆18％-30％，含铜10％-25％，含镍5％-10％的钛基合金。
本发明进一步的改进在于，所述粘结合金熔点低于叶尖基体熔点按开尔文温度计算的0.9倍。
一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨涂层及其制备方法，包括以下步骤：
基体表面预处理：去油污和污染后，通过预处理去除基体表面氧化层，提高粘结合金层与基体间的结合力。
预涂覆粘结合金层：对预处理后的叶片尖端基体表面涂覆粘结合金层，粘结合金层厚度优选陶瓷颗粒平均粒径的0.4-0.8倍。
在粘结合金层表面撒布硬质陶瓷颗粒。
加热重熔：对撒有硬质颗粒的粘结合金层加热使其重新熔化，使得粘结合金将硬质陶瓷颗粒紧紧包裹并与基体之间形成牢固的冶金结合，粘结合金层与基体结合强度超过60MPa。
本发明进一步的改进在于，所述步骤中，涂覆方法优选真空等离子喷涂，喷涂功率优选25-55kW，喷涂距离优选100-400mm。
本发明进一步的改进在于，所述步骤中，涂覆方法优选激光熔覆，熔敷速度优选6-60mm/s，送粉方式优选同步同轴送粉，送粉率优选10-60g/min。
本发明进一步的改进在于，所述步骤中，加热温度优选粘结合金熔点的1.02-1.3倍，且保证低于叶尖基体熔点，低于的温度优选超过叶尖基体与粘结合金熔点之差的0.5倍。
本发明进一步的改进在于，所述步骤中，加热方式优选真空炉加热，炉内真空度优选低于5×10-2Pa，加热速率优选5-10℃/min，保温时间优选3-30min。
本发明进一步的改进在于，所述步骤中，加热方式优选感应加热，感应电流优选20-65A，加热距离优选2.5-8mm，加热时间优选2-15s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的叶尖抗磨切削涂层，将硬质陶瓷颗粒离散分布并通过粘结合金结合在叶尖端面上，粘结合金层与叶尖合金形成牢固冶金结合，并将硬质陶瓷颗粒紧紧包裹住，涂层的硬质陶瓷颗粒棱角尖锐暴露且与叶尖端面结合牢固。饱和镶嵌结构使得涂层在具有超高硬度的前提下，又具有良好的结合强度。涂层外棱角尖锐，可以用来快速切削可磨耗封严涂层，防止叶尖剧烈升温。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨涂层的结构图；
其中：1为叶尖基体；2为粘结合金层；3为硬质陶瓷颗粒。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明的、一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层，由硬质陶瓷颗粒3与粘结合金层2构成，硬质陶瓷颗粒3离散分布并通过粘结合金层2结合在叶尖基体1的端面上，粘结合金层2与叶尖基体1的合金形成牢固冶金结合，并将硬质陶瓷颗粒3自身高度的0.5-0.9倍包裹住，形成硬质陶瓷颗粒棱角尖锐暴露、且与叶尖基体1端面结合牢固的叶尖抗磨切削涂层。
实施例1
平均粒径为50μm的金刚石颗粒通过Ni71CrSi粘结合金结合在镍基高温合金GH4037叶尖基体的端面上，Ni71CrSi粘结合金层与GH4037叶尖形成牢固冶金结合并将金刚石颗粒高度的0.5倍包裹住，相邻两个陶瓷颗粒的平均分布间距约为500μm，形成金刚石颗粒棱角尖锐暴露、与GH4037叶尖端面结合牢固的切削涂层。该涂层具体制备方法，包括以下步骤：
1)基体表面预处理：选用GH4037材质的合金叶片作为基体，先用水砂纸对基体进行打磨，去污染除油污，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
2)预涂覆粘结合金层：采用精度为0.1mg的精密电子天平称量粘结合金粉末，然后采用真空等离子喷涂的工艺在叶片基体的端面沉积100μm厚的Ni71CrSi层，喷涂工艺参数为电流500A，电压50V，送粉率15g/min，喷涂距离100mm。
3)撒布硬质陶瓷颗粒：随后在粘结合金层上撒布单层金刚石颗粒。
4)加热重熔：采用真空炉加热使得Ni71CrSi层重新熔化，与GH4037基体和金刚石颗粒之间形成冶金结合，真空炉加热工艺参数为炉内真空度4×10-2Pa，加热速率5℃/min，保温时间3min。
本实施例制得的叶尖抗磨切削涂层的硬度为300-340HV0.2，涂层间结合强度在60-65MPa之间。
实施例2
平均粒径为80μm的金刚石颗粒通过Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金结合在TC4叶尖基体的端面上，Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金层与TC4叶尖形成牢固冶金结合并将金刚石颗粒高度的0.5倍包裹住，相邻两个陶瓷颗粒的平均分布间距约为120μm，形成金刚石颗粒棱角尖锐暴露、与TC4叶尖端面结合牢固的切削涂层。该涂层具体制备方法，包括以下步骤：
1)基体表面预处理：选用TC4材质的合金叶片作为基体，先用水砂纸对基体进行打磨，去污染除油污，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
2)预涂覆粘结合金层：采用精度为0.1mg的精密电子天平称量粘结合金，然后采用激光熔覆的工艺在叶片基体的端面沉积100μm厚的Ti20Zr25Cu10Ni层，工艺参数为熔敷速度6mm/s，送粉方式为同步同轴送粉，送粉率10g/min。
3)撒布硬质陶瓷颗粒：随后在粘结合金层上撒布单层金刚石颗粒。；
4)加热重熔：采用真空炉加热使得Ti20Zr25Cu10Ni层重新熔化，与TC4基体和金刚石颗粒之间形成冶金结合，真空炉加热工艺参数为炉内真空度3×10-2Pa，加热速率8℃/min，保温时间15min。
本实施例制得的叶尖抗磨切削涂层的硬度为320-370HV0.2，涂层间结合强度在63-68MPa之间。
实施例3
平均粒径为120μm的金刚石颗粒通过Ni71CrSi粘结合金结合在镍基高温合金GH4037叶尖基体的端面上，Ni71CrSi粘结合金层与GH4037叶尖形成牢固冶金结合并将金刚石颗粒高度的0.7倍包裹住，相邻两个陶瓷颗粒的平均分布间距约为360μm，形成金刚石颗粒棱角尖锐暴露、与GH4037叶尖端面结合牢固的切削涂层。该涂层具体制备方法，包括以下步骤：
1)基体表面预处理：选用GH4037材质的合金叶片作为基体，先用水砂纸对基体进行打磨，去污染除油污，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
2)预涂覆粘结合金层：采用精度为0.1mg的精密电子天平称量粘结合金，然后采用真空等离子喷涂的工艺在叶片基体的端面沉积200μm厚的Ni71CrSi层，喷涂工艺参数为电流600A，电压60V，送粉率15g/min，喷涂距离200mm。
3)撒布硬质陶瓷颗粒：随后在粘结合金层上撒布单层金刚石颗粒。
4)加热重熔：采用真空炉加热使得Ni71CrSi层重新熔化，与GH4037基体和金刚石颗粒之间形成冶金结合，真空炉加热工艺参数为炉内真空度1×10-2Pa，加热速率10℃/min，保温时间30min。
本实施例制得的叶尖抗磨切削涂层的硬度为360-410HV0.2，涂层间结合强度在61-66MPa之间。
实施例4
平均粒径为150μm的金刚石颗粒通过Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金结合在TC4叶尖端面上，Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金层与TC4叶尖形成牢固冶金结合并将金刚石颗粒高度的0.7倍包裹住，相邻两个陶瓷颗粒的平均分布间距约为450μm，形成金刚石颗粒棱角尖锐暴露、与TC4叶尖端面结合牢固的切削涂层。该涂层具体制备方法，包括以下步骤：
1)基体表面预处理：选用TC4材质的合金叶片作为基体，先用水砂纸对基体进行打磨，去污染除油污，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
2)预涂覆粘结合金层：采用精度为0.1mg的精密电子天平称量粘结合金，然后采用激光熔覆的工艺在叶片基体的端面沉积200μm厚的Ti20Zr25Cu10Ni层，工艺参数为熔敷速度30mm/s，送粉方式为同步同轴送粉，送粉率30g/min。
3)撒布硬质陶瓷颗粒：随后在粘结合金层上撒布单层金刚石颗粒。；
4)加热重熔：采用感应加热技术使得Ti20Zr25Cu10Ni层重新熔化，与TC4基体和金刚石颗粒之间形成冶金结合，感应加热工艺参数为：感应电流20A，加热距离2.5mm，加热时间15s。
本实施例制得的叶尖抗磨切削涂层的硬度为350-400HV0.2，涂层间结合强度在65-70MPa之间。
实施例5
平均粒径为200μm的立方氮化硼颗粒通过Ni71CrSi粘结合金结合在镍基高温合金IN738叶尖端面上，Ni71CrSi粘结合金层与IN738叶尖形成牢固冶金结合并将立方氮化硼颗粒高度的0.9倍包裹住，相邻两个陶瓷颗粒的平均分布间距约为1000μm，形成立方氮化硼颗粒棱角尖锐暴露、与IN738叶尖端面结合牢固的切削涂层。该涂层具体方法，包括以下步骤如下：
1)基体表面预处理：选用IN738材质的合金叶片作为基体，先用水砂纸对基体进行打磨，去污染除油污，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
2)预涂覆粘结合金层：采用精度为0.1mg的精密电子天平称量粘结合金，然后采用真空等离子喷涂的工艺在叶片基体的端面沉积300μm厚的Ni71CrSi层，，喷涂工艺参数为电流750A，电压70V，送粉率40g/min，喷涂距离400mm。
3)撒布硬质陶瓷颗粒：随后在粘结合金层上撒布单层立方氮化硼颗粒。；
4)加热重熔：采用感应加热技术使得Ni71CrSi层重新熔化，与IN738基体和立方氮化硼颗粒之间形成冶金结合，感应电流45A，加热距离5mm，加热时间8s。
本实施例制得的叶尖抗磨切削涂层的硬度为330-360HV0.2，涂层间结合强度在66-71MPa之间。
实施例6
平均粒径为350μm的立方氮化硼颗粒通过Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金结合在TC11叶尖端面上，Ti20Zr25Cu10Ni粘结合金层与TC11叶尖形成牢固冶金结合并将立方氮化硼颗粒高度的0.9倍包裹住，相邻两个陶瓷颗粒的平均分布间距约为350μm，形成立方氮化硼颗粒棱角尖锐暴露、与TC11叶尖端面结合牢固的切削涂层。该涂层具体制备方法，包括以下步骤：
1)基体表面预处理：选用TC11材质的合金叶片作为基体，先用水砂纸对基体进行打磨，去污染除油污，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
2)预涂覆粘结合金层：采用精度为0.1mg的精密电子天平称量粘结合金，然后采用激光熔覆的工艺在叶片基体的端面沉积300μm厚的Ti20Zr25Cu10Ni层，工艺参数为熔敷速度60mm/s，送粉方式为同步同轴送粉，送粉率60g/min。
3)撒布硬质陶瓷颗粒：随后在粘结合金层上撒布单层立方氮化硼颗粒。；
4)加热重熔：采用感应加热技术使得Ti20Zr25Cu10Ni层重新熔化，与TC11基体和立方氮化硼颗粒之间形成冶金结合，感应电流65A，加热距离8mm，加热时间2s。
本实施例制得的叶尖抗磨切削涂层的硬度为350-390HV0.2，涂层间结合强度在64-70MPa之间。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层，其特征在于，由硬质陶瓷颗粒(3)与粘结合金层(2)构成，硬质陶瓷颗粒(3)离散分布并通过粘结合金层(2)结合在叶尖基体(1)的端面上，粘结合金层(2)与叶尖基体(1)的合金形成牢固冶金结合，并将硬质陶瓷颗粒(3)自身高度的0.5-0.9倍包裹住，形成硬质陶瓷颗粒棱角尖锐暴露、且与叶尖基体(1)端面结合牢固的叶尖抗磨切削涂层。
2.根据权利要求1所述的具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层，其特征在于，棱角尖锐暴露的硬质陶瓷颗粒是指单个颗粒的最小方向尺寸超过颗粒平均粒径0.05倍的暴露面，与叶尖基体(1)端面外法线的角度均介于0-60°之间；
硬质陶瓷颗粒朝向叶尖基体(1)外表面外法线的一侧的顶端高度差小于颗粒自身平均粒径的0.2-0.5倍。
3.根据权利要求1所述的具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层，其特征在于，硬质陶瓷颗粒的平均粒径为50～120μm时，满足切削性能需求；硬质陶瓷颗粒的平均粒径为121～350μm时，满足散热性能需求。
4.根据权利要求1所述的具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层，其特征在于，相邻两个硬质陶瓷颗粒(3)的分布间距为硬质陶瓷颗粒自身平均粒径的1～2.5倍时，满足快速切削性能需求；相邻两个硬质陶瓷颗粒(3)的分布间距为硬质陶瓷颗粒自身平均粒径的3～10倍时，满足散热性能需求。
5.根据权利要求1所述的具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层，其特征在于，棱角尖锐暴露的硬质陶瓷颗粒占硬质陶瓷颗粒总数量超过50％。
6.根据权利要求1所述的具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层，其特征在于，粘结合金层(2)中Cr、Al和Si元素的总摩尔含量为13％～48％；粘结合金层(2)选择镍含量大于53.0％，铬含量为6％～28％的镍基合金；或者，选择钛含量大于40％，锆含量为18％～30％，铜含量为10％～25％，镍含量为5％-～10％的钛基合金。
7.根据权利要求1所述的具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层，其特征在于，按开尔文温度计算，粘结合金的熔点低于叶尖基体(1)的熔点的0.9倍。
8.权利要求1所述的具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)涂覆粘结合金层：对经过洁净处理后的叶尖基体(1)表面涂覆粘结合金层(2)；
2)在粘结合金层(2)表面撒布硬质陶瓷颗粒(1)；
3)加热重熔：对撒有硬质颗粒的粘结合金层加热使其重新熔化，使得粘结合金将硬质陶瓷颗粒(1)包裹紧实并与叶尖基体(1)之间形成牢固的冶金结合，粘结合金层(2)与叶尖基体(1)的结合强度超过60MPa。
9.根据权利要求8所述的具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)中，涂覆粘结合金层采用真空等离子喷涂法或者激光熔覆法；其中：
所述真空等离子喷涂法的喷涂功率为25～55k，喷涂距离为100～400mm；
所述激光熔覆法的熔覆速度为6～60mm/s，送粉方式为同步同轴送粉，送粉率为10～60g/min。
10.根据权利要求8所述的具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层的制备方法，其特征在于，步骤3)中，加热重熔的温度采用粘结合金熔点的1.02-1.3倍，且该温度低于叶尖基体(1)与粘结合金熔点之差的0.5倍；
加热重熔采用真空加热或者感应加热；
真空加热处理的真空度小于5×10-2Pa，加热速率为5～10℃/min，保温时间为3～30min；
感应加热处理的感应电流为20～65A，加热距离为2.5～8mm，加热时间为2～15s。
CN202010845097.1A 2020-08-20 2020-08-20 一种具有饱和镶嵌结构的叶尖抗磨切削涂层及其制备方法 Active CN112144004B (zh)

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