CN117305748B - 一种高温自润滑可磨耗封严涂层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可磨耗封严涂层技术领域，具体涉及一种高温自润滑可磨耗封严涂层及制备方法。具体技术方案为：一种高温自润滑可磨耗封严涂层，包括封严涂层底层、封严涂层中间层和封严涂层面层；所述封严涂层底层为Ni5Al复合粉或Ni20Al复合粉，所述封严涂层中间层为纯Ni粉，所述封严涂层面层包括BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉末、玻璃态陶瓷粉末和NiCr合金粉末。本发明提供的涂层具有热膨胀匹配性好、结合强度高、自润滑、摩擦系数低、抗氧化及服役时间长等特性，最高工作温度为850℃，可适用于航空发动机燃烧室内小孔径部件的气路封严。
Description
技术领域
本发明涉及可磨耗封严涂层技术领域，具体涉及一种高温自润滑可磨耗封严涂层及制备方法。
背景技术
高温自润滑可磨耗封严涂层，是一种用于控制发动机燃烧室转子篦齿与内孔壁动态间隙的功能防护涂层。
为减少燃油泄漏并提高发动机工作效率，发动机燃烧室小孔径部件在设计制造过程中，旋转篦齿与内环壁之间通常采用小间隙设计，控制运转间隙最小。但发动机在高速运行过程中会经受喘振、离心伸长及高温热膨胀和热变形等多重不可控因素，易造成齿尖与内孔壁高温合金的高速磨损，导致间隙增大，密封效果大大降低；同时磨损会引起篦齿疲劳裂纹的产生和扩展，也会影响发动机的安全可靠性。
为了解决上述问题，采取的主要措施是在燃烧室小孔径部件的内环壁上涂敷可磨耗封严涂层，当篦齿与环壁间隙缩小时，迅速与可磨耗涂层刮削出沟槽，实现良好密封的同时而不磨损、粘附篦齿叶片。这就要求该可磨耗封严涂层的硬度低于篦齿高温合金，具有结合良好、耐高温、自润滑及可磨耗性。
该燃烧室小孔径部件的常规使用温度在550～650℃，现有的涂层材料中能适应该温度的有镍铬铝镍石墨、镍铬铝硅藻土、镍钴铬铝钇聚苯酯及镍铬铁铝氮化硼等，但是，典型可磨耗涂层均是采取常规双层结构设计，该类封严涂层厚度均在2mm左右，涂层孔隙率高、涂层结合强度不高，且在温度交替变化下小孔径环壁上涂层应力易集中，在工作过程中会剥落掉块，封严效果差、严重时影响整机安全。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高温自润滑可磨耗封严涂层及制备方法。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种高温自润滑可磨耗封严涂层，包括封严涂层底层、封严涂层中间层和封严涂层面层；所述封严涂层底层为Ni5Al复合粉或Ni20Al复合粉，所述封严涂层中间层为纯Ni粉，所述封严涂层面层包括BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉末、玻璃态陶瓷粉末和NiCr合金粉末。
优选的，以质量百分比计，所述Ni5Al复合粉包括：4.0～6.0wt%的Al、余量为Ni；所述Ni20Al复合粉包括17.0～20.0wt%的Al、余量为Ni。
优选的，以质量百分比计，所述封严涂层面层包括15.0～25.0wt%的BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉末、15.0～25.0wt%的玻璃态陶瓷粉末、余量为NiCr合金粉末。
优选的，以质量百分比计，所述（Ba、Ca）F2共晶体粉末是将55～65wt%的BaF2和35～45wt%CaF2混合均匀后，在1000～1100℃下烧结2～3h生成共晶相，经破碎后形成共晶体粉末。
优选的，以质量百分比计，所述玻璃态陶瓷粉末包括20.0～25.0wt%的BaO、5.0～10.0wt%的CaO、10.0～15.0wt%的K2O、余量为SiO2。
相应的，一种高温自润滑可磨耗封严涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将高温合金基体清洁后进行干燥和喷砂粗化；
（2）采用等离子喷涂工艺在步骤（1）粗化的基体上沉积形成高温自润滑封严涂层底层；
（3）采用等离子喷涂工艺在步骤（2）封严涂层的底层上沉积形成封严涂层的Ni中间层；
（4）采用等离子喷涂工艺在步骤（3）Ni中间层上沉积形成可磨耗封严涂层面层。
优选的，步骤（2）中，喷涂工艺参数为：控制主气流量40～45NLPM、辅气流量6～9NLPM、载气流量3～5NLPM、电流500～550A、喷涂功率36～38kW、送粉速率45～55g/min、喷涂距离130～150mm，走枪速率为6～7mm/s。
优选的，步骤（3）中，喷涂工艺参数为：控制主气流量45～50NLPM、辅气流量10～12NLPM、载气流量4～6NLPM、电流500～550A、喷涂功率40～42kW、送粉速率55～60g/min、喷涂距离130～150mm，走枪速率为6～7mm/s。
优选的，喷涂工艺参数为：控制主气流量25～45NLPM，辅气流量5～10NLPM，载气流量3～7NLPM，电流300～500A，喷涂功率10～40kW；控制送粉速率20～50g/min，喷涂距离50～140mm，走枪速率为3～10mm/s。
优选的，所述封严涂层的底层的厚度为0.1～0.18mm，中间层的厚度为0.45～0.60mm，可磨耗面层的厚度为0.3～0.8mm。
本发明具备以下有益效果：
1.本发明所提供的封严涂层具有结合强度高、热膨胀适配、耐高温、自润滑及可磨耗等特点，其最高使用温度可达850℃，适用于航空发动机燃烧室内小孔径部件的气路封严，能够提高密封效果和服役周期，可推广应用于发动机内其他复杂型面部件的封严、机身轴承的耐磨自润滑等。采用单一喷涂设备，制备方法易操作、过程可控。
2.本发明提供的高温封严涂层，采用“底层+中间层+面层”的三层结构充分缓解了基体与面层的热膨胀不匹配性，保证涂层在热应力循环交替下不会剥落掉块，涂层的热震性能大幅提高；涂层颗粒间结合较致密，涂层的结合强度处于20～40MPa的范围，具有优良的结合强度。
3.本发明提供的高温封严涂层，通过加入可磨耗组分材料玻璃态陶瓷粉末，主要为镍铬合金提供高温抗氧化保护，最高温度可达850℃；通过加入自润滑材料BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体，降低了涂层的摩擦系数，刮削中涂层材料不会粘附篦齿叶尖、叶尖的磨损大幅度减小；通过调整二者的加入量可调控涂层硬度，二者有机结合，保证了涂层的高温自润滑可磨耗特性。
4.本发明的高温自润滑可磨耗封严与现有的封严涂层，涂层的结构由双层结构变成了三层结构，涂层的热膨胀匹配性及热应力得到充分缓解，涂层的水冷抗热震性由15次提高到35次以上；涂层的面层组织不再疏松，呈较致密结合、涂层孔隙率低于10%，涂层的结合强度由低于10MPa提高到20MPa以上；自润滑相氟化物使涂层的摩擦系数由0.55降至0.23左右，降低对篦齿叶尖的粘附和磨损。因此，涂层的可磨耗性得到保证、使用寿命得到大幅提高，可满足航空发动机燃烧室内小孔径部件的气路封严。
附图说明
图1为实施例1和实施例2中的高温合金基体上制备的高温自润滑可磨耗封严涂层的结构示意图；
图中：1-高温合金基体、2-封严涂层的底层、3-封严涂层的中间层、4-封严涂层的面层、5-可磨耗玻璃态陶瓷材料、6-自润滑材料（Ba/Ca）F2。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
若未特别指明，实施举例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
1.本发明公开了一种高温自润滑可磨耗封严涂层，采用三层结构，包括封严涂层底层、封严涂层中间层和封严涂层面层。
其中，所述封严涂层底层为Ni5Al复合粉或Ni20Al复合粉，以质量百分比计，所述Ni5Al复合粉包括：4.0～6.0wt%的Al、余量为Ni；所述Ni20Al复合粉包括17.0～20.0wt%的Al、余量为Ni。
所述封严涂层中间层为纯Ni粉。
以质量百分比计，所述封严涂层面层包括15.0～25.0wt%的BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉末、15.0～25.0wt%的玻璃态陶瓷粉末、余量为NiCr合金粉末。具体的：以质量百分比计，所述玻璃态陶瓷粉末包括18.0～25.0wt%的BaO、5.0～10.0wt%的CaO、10.0～15.0wt%的K2O、余量为SiO2，工艺是熔融破碎法，具体为：将玻璃态陶瓷粉末的各组分按质量比混合后在电弧炉中加热，原料熔融冷却后形成凝固铸锭，再对其进行激冷破碎，得到粒度合适、成分均匀的粉末。
更进一步的，熔融破碎工艺制备玻璃态陶瓷粉末的具体方式为：将18～23wt%的BaO、7～12wt%的Ca(OH)2、15～20wt%的K2CO3和余量的SiO2在坩埚中充分研磨后，加热至1350～1500℃至熔化状态，保温15～30min后，Ca(OH)2中的H元素以水分挥发、K2CO3中的C元素以CO2气体挥发；将熔体倒入水中，形成易于粉碎的、成喷射状的玻璃态料。将玻璃料碾磨干燥成粉末，120目筛网筛分后取筛下物料。
进一步的，NiCr合金粉为球形或近球形的普通商用热喷涂粉末。
2.本发明公开了一种上面所述的高温自润滑可磨耗封严涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）通过丙酮或酒精对高温合金基体进行超声除油清洗，干燥后采用喷砂机对喷涂面进行喷砂粗化，提高结合；
（2）采用等离子喷涂工艺在步骤（1）粗化的基体上沉积形成高温自润滑封严涂层底层。具体是通过大气等离子喷涂Ni5Al复合粉或Ni20Al复合粉在基体上形成粘结底层；所述封严涂层的底层的厚度为0.1～0.18mm。
具体的：封严涂层底层喷涂工艺参数为：控制主气流量40～45NLPM、辅气流量6～9NLPM、载气流量3～5NLPM、电流500～550A、喷涂功率36～38kW、送粉速率45～55g/min、喷涂距离130～150mm，走枪速率为6～7mm/s。
（3）采用等离子喷涂工艺在步骤（2）封严涂层的底层（粘结底层）上沉积形成封严涂层的Ni中间层。具体是通过大气等离子喷涂纯Ni粉在粘结底层上形成疏松多孔的封严涂层中间层；封严涂层中间层的厚度为0.45～0.60mm。
具体的：封严涂层中间层喷涂工艺参数为：控制主气流量45～50NLPM、辅气流量10～12NLPM、载气流量4～6NLPM、电流500～550A、喷涂功率40～42kW、送粉速率55～60g/min、喷涂距离130～150mm，走枪速率为6～7mm/s。
（4）采用等离子喷涂工艺在步骤（3）Ni中间层上沉积形成可磨耗封严涂层面层。具体是通过大气等离子喷涂主要由15.0～25.0wt%的BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉末、15.0～25.0wt%的玻璃态陶瓷粉末及余量NiCr合金粉末组成的机械团聚复合粉末在Ni中间层上形成封严涂层的面层；可磨耗面层的厚度为0.3～0.8mm。
具体的：封严涂层面层的喷涂工艺参数为：控制主气流量25～45NLPM，辅气流量5～10NLPM，载气流量3～7NLPM，电流300～500A，喷涂功率10～40kW；控制送粉速率20～50g/min，喷涂距离50～140mm，走枪速率为3～10mm/s。
进一步的，本发明中的Ni5Al复合粉是将4.0～6.0wt%的超细Al粉（铝粉粒径2～3μm）通过粘结剂（水玻璃或清漆或酚醛树脂中的一种）和机械力均匀包覆在粗粒径Ni核心粉末上（Ni粉粒径在180～400目），形成机械包覆复合粉末。Ni20Al复合粉是利用氢气在一定温度（120～150℃）和压力（2～4MPa）下将金属镍从其盐溶液中还原沉积在铝核心粉末表面形成化学包覆复合粉末，控制Al在17.0～20.0wt%。
进一步的，本发明中的Ni粉是将镍板真空熔化后，再利用气雾化工艺制备得到的等离子喷涂Ni粉。
本发明中的封严涂层面层的喷涂粉是将NiCr合金粉、玻璃态陶瓷粉与BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉通过机械团聚复合工艺制备得到的复合粉体。具体的：（Ba、Ca）F2共晶体粉是将55～65wt%的BaF2和35～45wt%CaF2混合均匀后，在1000～1100℃下烧结2～3h生成共晶相，经破碎后形成共晶体粉末。
机械团聚复合工艺为：将上述各组分按质量配比加入到搅拌容器内，加入4～8wt%的粘结剂（丙烯酸酯或清漆或酚醛树脂中的一种）和15～20wt%的稀释剂（乙醇或丙酮或去离子水中的一种），在搅拌剪切作用下团聚复合成多组元粘接颗粒，经干燥筛分得到复合粉末。
进一步的，本发明提供的高温自润滑可磨耗封严涂层适用于航空发动机燃烧室内小孔径部件的气路封严。
下面结合具体的实施例对本发明进行进一步的阐述。
实施例
1.一种高温自润滑可磨耗封严涂层，其包括封严涂层底层（等离子喷涂机械包覆型Ni5Al复合粉或化学包覆型Ni20Al复合粉末制得）、封严涂层中间层（等离子喷涂气雾化Ni粉制得）和封严涂层面层（等离子喷涂由17.0wt%的BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉末、17.0wt%的玻璃态陶瓷粉末及余量NiCr合金粉末组成的机械团聚复合粉末制得）。
2.上述自润滑可磨耗封严涂层的制备方法，层结构参考图1所示，具体包括以下步骤：
（1）用丙酮或酒精对高温合金基体1超声除油清洗，干燥后用喷砂机对高温合金基体1的喷涂面进行喷砂粗化处理；
（2）通过大气等离子喷涂工艺在温合金基体1喷砂面上喷涂Ni5Al复合粉或Ni20Al复合粉，在基体上形成封严涂层的底层2，底层2的厚度是0.12mm；
封严涂层底层喷涂工艺参数为：控制主气流量42NLPM、辅气流量9NLPM、载气流量3.5NLPM、电流510A、喷涂功率37kW、送粉速率52g/min、喷涂距离140mm，走枪速率为6mm/s。
（3）通过大气等离子喷涂工艺在封严涂层底层2上喷涂纯Ni粉，在基体上形成封严涂层的中间层3，中间层3的厚度是0.56mm；
封严涂层中间层喷涂工艺参数为：控制主气流量45NLPM、辅气流量10NLPM、载气流量4NLPM、电流530A、喷涂功率42kW、送粉速率55g/min、喷涂距离150mm，走枪速率为7mm/s。
（4）在封严涂层中间层3上通过大气等离子喷涂工艺制备封严涂层的面层（等离子喷涂由BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉末、玻璃态陶瓷粉末及NiCr合金粉末组成的机械团聚复合粉末），在基体上形成封严涂层的面层4，等离子喷涂功率为30KW，喷涂距离为100mm，走枪速率为6mm/s，控制面层4的厚度是0.40mm。
测试涂层的抗热震性能、结合强度及摩擦系数，结果表明，该涂层在650℃下水冷热震40次，涂层不脱落；涂层孔隙率为6.8%；涂层结合强度为25MPa；涂层在650℃下的高温摩擦系数为0.27。
典型可磨耗镍铬铝镍石墨封严涂层采用火焰喷涂工艺，在650℃下水冷热震15次，涂层边缘有微裂纹；涂层孔隙率达50%；涂层结合强度为8.6MPa；涂层高温摩擦系数约为0.58。
实施例
1.一种高温自润滑可磨耗封严涂层，其包括封严涂层底层（等离子喷涂机械包覆型Ni5Al复合粉末或化学包覆型Ni20Al复合粉末制得）、封严涂层中间层（等离子喷涂气雾化Ni粉制得）和封严涂层面层（等离子喷涂由17.0wt%的BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉末、22.0wt%的玻璃态陶瓷粉末及余量NiCr合金粉末组成的机械团聚复合粉末制得）。
2.上述自润滑可磨耗封严涂层的制备方法，层结构参考图1所示，具体包括以下步骤：
（1）用丙酮或酒精对高温合金基体1超声除油清洗，干燥后用喷砂机对高温合金基体1的喷涂面进行喷砂粗化处理；
（2）通过大气等离子喷涂工艺在温合金基体1喷砂面上喷涂Ni5Al复合粉或Ni20Al复合粉，在基体上形成封严涂层的底层2，底层2的厚度是0.15mm；
封严涂层底层喷涂工艺参数为：控制主气流量42NLPM、辅气流量9NLPM、载气流量3.5NLPM、电流510A、喷涂功率37kW、送粉速率52g/min、喷涂距离140mm，走枪速率为6mm/s。
（3）通过大气等离子喷涂工艺在封严涂层底层2上喷涂纯Ni粉，在基体上形成封严涂层的中间层3，中间层3的厚度是0.48mm；
封严涂层中间层喷涂工艺参数为：控制主气流量45NLPM、辅气流量10NLPM、载气流量4NLPM、电流530A、喷涂功率42kW、送粉速率55g/min、喷涂距离150mm，走枪速率为7mm/s。
（4）在封严涂层中间层3上通过大气等离子喷涂工艺制备封严涂层的面层（等离子喷涂由BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉末、玻璃态陶瓷粉末及NiCr合金粉末组成的机械团聚复合粉末），在基体上形成封严涂层的面层4，等离子喷涂功率为30KW，喷涂距离为100mm，走枪速率为6mm/s，控制面层4的厚度是0.50mm。
测试涂层的抗热震性能、结合强度及摩擦系数，结果表明，该涂层在650℃下水冷热震36次，涂层不脱落；涂层孔隙率为8.2%；涂层结合强度为22MPa；涂层在650℃下的高温摩擦系数为0.23。
典型可磨耗镍铬铁铝氮化硼封严涂层采用火焰喷涂工艺，在650℃下水冷热震13次，涂层边缘有微裂纹；涂层孔隙率达43%；涂层结合强度为6.3MPa；涂层高温摩擦系数约为0.62。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种高温自润滑可磨耗封严涂层，其特征在于：包括封严涂层底层、封严涂层中间层和封严涂层面层；所述封严涂层底层为Ni5Al复合粉或Ni20Al复合粉，所述封严涂层中间层为纯Ni粉，所述封严涂层面层包括BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉末、玻璃态陶瓷粉末和NiCr合金粉末；
以质量百分比计，所述Ni5Al复合粉包括：4.0～6.0wt%的Al、余量为Ni；所述Ni20Al复合粉包括17.0～20.0wt%的Al、余量为Ni；
以质量百分比计，所述封严涂层面层包括15.0～25.0wt%的BaF2或CaF2或（Ba、Ca）F2共晶体粉末、15.0～25.0wt%的玻璃态陶瓷粉末、余量为NiCr合金粉末；
以质量百分比计，所述玻璃态陶瓷粉末包括20.0～25.0wt%的BaO、5.0～10.0wt%的CaO、10.0～15.0wt%的K2O、余量为SiO2。
2.根据权利要求1所述的一种高温自润滑可磨耗封严涂层，其特征在于：以质量百分比计，所述（Ba、Ca）F2共晶体粉末是将55～65wt%的BaF2和35～45wt%CaF2混合均匀后，在1000～1100℃下烧结2～3h生成共晶相，经破碎后形成共晶体粉末。
3.一种权利要求1～2任一项所述的高温自润滑可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将高温合金基体清洁后进行干燥和喷砂粗化；
（2）采用等离子喷涂工艺在步骤（1）粗化的基体上沉积形成高温自润滑封严涂层底层；
（3）采用等离子喷涂工艺在步骤（2）封严涂层的底层上沉积形成封严涂层的Ni中间层；
（4）采用等离子喷涂工艺在步骤（3）Ni中间层上沉积形成可磨耗封严涂层面层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，喷涂工艺参数为：控制主气流量40～45NLPM、辅气流量6～9NLPM、载气流量3～5NLPM、电流500～550A、喷涂功率36～38kW、送粉速率45～55g/min、喷涂距离130～150mm，走枪速率为6～7mm/s。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，喷涂工艺参数为：控制主气流量45～50NLPM、辅气流量10～12NLPM、载气流量4～6NLPM、电流500～550A、喷涂功率40～42kW、送粉速率55～60g/min、喷涂距离130～150mm，走枪速率为6～7mm/s。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，喷涂工艺参数为：控制主气流量25～45NLPM，辅气流量5～10NLPM，载气流量3～7NLPM，电流300～500A，喷涂功率10～40kW；控制送粉速率20～50g/min，喷涂距离50～140mm，走枪速率为3～10mm/s。
7.根据权利要求3～6任一项所述的制备方法，其特征在于：所述封严涂层的底层的厚度为0.1～0.18mm，中间层的厚度为0.45～0.60mm，可磨耗面层的厚度为0.3～0.8mm。
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