CN117758186A - 一种单层短流程耐磨涂层材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单层短流程耐磨涂层材料及其制备方法与应用，属于热喷涂技术领域。该耐磨涂层为单层结构，涂层材料主要由20～40wt％的NiAl和余量的Al2O3‑TiO2组成，所述NiAl为镍包铝粉。本发明的涂层材料通过化学包覆工艺制备NiAl组分，颗粒呈近球形状且是核壳包覆的结构、粒度控制在53～106μm；熔融破碎工艺制备Al2O3‑TiO2组分，颗粒呈不规则锋利棱角状、粒度控制在15～53μm；双运动混合制备NiAl/Al2O3‑TiO2复合粉末，粉末均匀分散。采用大气等离子喷涂工艺直接在高温合金样件上制备耐磨涂层，涂层中粘结相分布均匀、涂层硬度高、耐磨性能好，工作温度可达700℃，可用于航空发动机转子篦齿上的耐磨涂层，实现气路封严。该制备方法简单、工艺流程短、精度可控、生产效率高，适用于工业化喷涂生产。
Description
技术领域
本发明涉及热喷涂耐磨涂层技术领域，尤其是涉及一种单层短流程耐磨涂层材料及其制备方法与应用。
背景技术
篦齿封严是航空发动机中重要的气路动密封结构，其结构简单、密封效果良好；核心是控制篦齿与蜂窝之间的运转间隙最小，减少工质泄漏进而提高发动机工作效率。
耐磨封严涂层，涂覆在篦齿转子件上，是一种用于控制航空发动机篦齿封严结构动态间隙的功能防护涂层。篦齿盘作为大曲率零件与蜂窝运转间隙设计最小化，在发动机运行中承受温度达650℃、线速度达240m/s，在机械喘振、热膨胀和旋转离心力作用下均会引起篦齿与蜂窝的碰磨、撞击和刮削，篦齿尖端作为薄壁件易被磨损变形造成间隙增大、气流泄漏量增加，封严效果减弱；高温磨损也会导致篦齿疲劳裂纹的产生和扩展，严重时引发篦齿盘断裂、影响整机安全。
为了解决这一问题，采取的主要措施之一是在篦齿环件上涂覆耐磨封严涂层，当发动机运行过程中转静子间隙收窄发生旋转摩擦，它能保护篦齿不损伤而提供良好的气路密封。要求该涂层硬度高、结合强度高、耐高温以及抗氧化等特性，涂层硬度显著高于静子蜂窝衬套，涂覆涂层的齿尖高速旋转在金属蜂窝上切削出沟槽且不会磨损齿尖，形成的强大阻尼可阻止燃气泄漏、实现气路封严，以保证发动机的整机效率。
目前，单台发动机约有15余种封严篦齿类零件，封严篦齿大多采用Al2O3-3TiO2作为耐磨封严涂层，涂层硬度高且化学性质稳定；但陶瓷涂层脆性高、与金属基体的热膨胀匹配性较差、涂层结合强度不足，需在Al2O3-3TiO2涂层与基体之间喷涂Ni5Al粘结层，涂层喷涂工序增加、厚度控制难度增大、涂层生产效率降低。同时该涂层在高温应力交替下会发生开裂、脱落，造成篦齿不均匀磨损损伤，必须不定期对封严篦齿进行无损检测和修理维护，影响发动机的使用效率和安全性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种单层短流程耐磨涂层材料，由Ni-Al组分与Al2O3-TiO2组分组成。
进一步的，所述Ni-Al组分与Al2O3-TiO2组分的质量百分比为：Ni-Al组分20％～40％，余量为Al2O3-TiO2。
进一步的，所述Ni-Al组分中Ni与Al组分按粉体质量百分比计，比例为80％：20％。
进一步的，所述Ni-Al组分粉体采用化学包覆工艺制备，核心铝粉球形度高于80％、核心铝粉粒度为37～83μm。
进一步的，所述Ni-Al组分颗粒呈近球形状且是核壳包覆的结构、粒度在53～106μm。
进一步的，所述Al2O3-TiO2组分中各组分按粉体重量百分比计，由TiO2：2.0％～4.0％；SiO2:0～1.5％；Fe2O3:0～1.0％；余量为Al2O3组成。
进一步的，所述Al2O3-TiO2组分粉体采用熔融破碎工艺制备，颗粒呈不规则锋利棱角状，粒度为15～53μm。
本发明还提供了上述单层短流程耐磨涂层材料的制备方法，采用双运动混合工艺制备，控制装料量体积比35％～75％、料筒转速10～30r/min、螺旋叶片转速20～60r/min、混合时间2～6h。
本发明还提供了一种单层短流程耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)样件表面清洗：样件在丙酮内超声清洗2～6min，再用乙醇清洗1～3min，取出后晾干；
(2)样件边缘防护：用高温胶带包裹样件表面非喷涂区域，紧密贴合处理；
(3)样件喷砂粗化：采用喷砂机对样件进行喷砂粗化，喷砂材料为150目左右的白刚玉、喷砂压力为0.5～1.0MPa；
(4)样件安装：将样件固定安装在工装卡具上，保证旋转中不会甩落；
(5)等离子喷涂：控制氩气流量50～75SCFH、氢气流量12～20SCFH、送粉氮气流量3～7SCFH、电流450～550A，送粉速率为40～70g/min、喷距为100～150mm、走枪速率6～15mm/s，喷涂总体厚度控制约为300μm；
(6)后处理：清除样品表面和边缘的毛刺等缺陷、检查涂层外观质量。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的耐磨涂层，通过加入NiAl组分部分替代Al2O3-TiO2组分，Al2O3-TiO2组分可保持涂层的高硬度，具有优异的抗高温氧化和耐磨损性能；NiAl组分在喷涂中发生自粘结放热反应，均匀分布起到粘结和支撑Al2O3-TiO2组分的作用，提高涂层的结合强度、韧性及致密度，防止涂层中氧化铝磨料的剥离与涂层剥落。该耐磨涂层的硬度处于HR15N80～95的范围，远高于对磨蜂窝的硬度；工艺优化后结合强度处于45～60MPa的范围，相比于“Ni5Al+Al2O3-3TiO2”双层结构结合性能增幅超70％；优化后650℃水冷热震循环次数大于30次；涂层在650℃、线速度240m/s、进给速率50μm/s的模拟工况下与金属蜂窝对磨，涂层无脱落。
本发明提供的耐磨涂层，其采用单层结构，涂层结构更为简单优化，与基体保持良好的适配性，避免了粘结层的使用，喷涂过程中减少换粉生产工序；涂层厚度更易控制，喷涂单遍厚度可控制在0.015～0.025mm，可有效避免异型零件尺寸超差的问题，节约成本且提高工作效率，适用于工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1NiAl/Al2O3-TiO2喷涂粉末电镜图，其中白色大颗粒为NiAl，小颗粒为Al2O3-3TiO2；
图2NiAl/Al2O3-TiO2涂层电镜图；
图3刮削前篦齿表面涂层电镜图；
图4刮削后篦齿表面涂层电镜图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，实施例中方法如无特殊说明均采用常规方法，使用试剂如无特殊说明，均为常规市售试剂或采用常规方法配置的试剂。该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
提供一种单层短流程耐磨涂层，其制备步骤如下：
(1)NiAl组分制备：核心铝粉球形度为83％、铝粉粒径为37～83μm；采用化学包覆法制备得到粒径为53～106μm、呈近球核壳包覆结构的NiAl组分粉体、质量比Ni/Al＝80.2/19.6。
(2)Al2O3-TiO2组分制备：采用熔融破碎工艺制备、颗粒呈不规则锋利棱角状、气流分级后粒度在15～53μm之间。
(3)NiAl/Al2O3-TiO2复合粉末制备：按质量比70:30将Al2O3-TiO2和NiAl组分装入双运动混合机的料筒内，装料量体积比65％、料筒转速15r/min、螺旋叶片转速32r/min、混合时间3h，“重力扩散+剪切搅拌”叠加混合，得到高效精细均匀混合的NiAl/Al2O3-TiO2喷涂粉末，如图1所示。
(4)耐磨涂层的制备
1)样件表面清洗：样件在丙酮内超声清洗4min，再用乙醇清洗3min，取出后晾干。
2)样件边缘防护：用高温胶带包裹样件表面非喷涂区域，紧密贴合处理。
3)样件喷砂粗化：采用喷砂机对样件进行喷砂粗化，喷砂材料为150目的白刚玉、喷砂压力为1.0MPa。
4)样件安装：将样件固定安装在工装卡具上，保证旋转中不会甩落。
5)等离子喷涂：使用步骤(3)中制备的NiAl/Al2O3-TiO2复合粉末；具体工艺参数为：氩气流量68.0SCFH、氢气流量16.0SCFH、送粉氮气流量4.0SCFH、电流515A，送粉速率为65.0g/min、喷距为150mm、走枪速率7mm/s，喷涂总体厚度控制约为240μm。
6)后处理：清除样品表面和边缘的毛刺等缺陷、检查涂层外观质量。
(5)涂层性能测试：进行涂层的显微组织、硬度、结合强度、热震性能及高温高速对磨刮削性能测试；其中，涂层显微组织如图2所示，650℃、线速度240m/s模拟工况下篦齿刮削前后涂层表面微观形貌如图3和图4所示，刮削后涂层表面粘附蜂窝磨屑，涂层无剥落。涂层材料的组分设计和涂层部分性能见表1。
表1涂层材料的组分设计和涂层部分性能
实施例2
提供一种单层短流程耐磨涂层，其制备步骤如下：
(1)NiAl组分制备：核心铝粉球形度为86％、铝粉粒径为37～83μm；采用化学包覆法制备得到粒径为53～106μm、呈近球核壳包覆结构的NiAl组分粉体、质量比Ni/Al＝79.5/20.1。
(2)Al2O3-TiO2组分制备：采用熔融破碎工艺制备、颗粒呈不规则锋利棱角状、气流分级后粒度在15～53μm之间。
(3)NiAl/Al2O3-TiO2复合粉末制备：按一定质量比将Al2O3-TiO2和NiAl组分装入双运动混合机的料筒内，装料量体积比60％、料筒转速16r/min、螺旋叶片转速30r/min、混合时间3h，“重力扩散+剪切搅拌”叠加混合，得到高效精细均匀混合的NiAl/Al2O3-TiO2喷涂粉末。
(4)耐磨涂层的制备
1)样件表面清洗：样件在丙酮内超声清洗4min，再用乙醇清洗3min，取出后晾干。
2)样件边缘防护：用高温胶带包裹样件表面非喷涂区域，紧密贴合处理。
3)样件喷砂粗化：采用喷砂机对样件进行喷砂粗化，喷砂材料为150目的白刚玉、喷砂压力为1.0MPa。
4)样件安装：将样件固定安装在工装卡具上，保证旋转中不会甩落。
5)等离子喷涂：使用步骤(3)中制备的NiAl/Al2O3-TiO2复合粉末；具体工艺参数为：氩气流量68.0SCFH、氢气流量16.0SCFH、送粉氮气流量4.0SCFH、电流510A，送粉速率为67.0g/min、喷距为130mm、走枪速率7mm/s，喷涂总体厚度控制约为240μm。
6)后处理：清除样品表面和边缘的毛刺等缺陷、检查涂层外观质量。
(5)涂层性能测试：进行涂层的硬度、结合强度、热震性能及高温高速对磨刮削性能测试；涂层材料的组分设计和涂层性能见表2。
表2涂层材料的组分设计和涂层性能
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 (9)
1.一种单层短流程耐磨涂层材料，其特征在于，由Ni-Al组分与Al2O3-TiO2组分组成。
2.根据权利要求1所述的单层短流程耐磨涂层材料，其特征在于，所述Ni-Al组分与Al2O3-TiO2组分的质量百分比为：Ni-Al组分20％～40％，余量为Al2O3-TiO2。
3.根据权利要求1所述的单层短流程耐磨涂层材料，其特征在于，所述Ni-Al组分中Ni与Al组分按粉体质量百分比计，比例为80％：20％。
4.根据权利要求1所述的单层短流程耐磨涂层材料，其特征在于，所述Ni-Al组分粉体采用化学包覆工艺制备，核心铝粉球形度高于80％、核心铝粉粒度为37～83μm。
5.根据权利要求1所述的单层短流程耐磨涂层材料，其特征在于，所述Ni-Al组分颗粒呈近球形状且是核壳包覆的结构、粒度在53～106μm。
6.根据权利要求1所述的单层短流程耐磨涂层材料，其特征在于，所述Al2O3-TiO2组分中各组分按粉体重量百分比计，由TiO2：2.0％～4.0％；SiO2:0～1.5％；Fe2O3:0～1.0％；余量为Al2O3组成。
7.根据权利要求1所述的单层短流程耐磨涂层材料，其特征在于，所述Al2O3-TiO2组分粉体采用熔融破碎工艺制备，颗粒呈不规则锋利棱角状，粒度为15～53μm。
8.一种如权利要求1-7所述的单层短流程耐磨涂层材料的制备方法，其特征在于，采用双运动混合工艺制备，控制装料量体积比35％～75％、料筒转速10～30r/min、螺旋叶片转速20～60r/min、混合时间2～6h。
9.一种单层短流程耐磨涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)样件表面清洗：样件在丙酮内超声清洗2～6min，再用乙醇清洗1～3min，取出后晾干；
(2)样件边缘防护：用高温胶带包裹样件表面非喷涂区域，紧密贴合处理；
(3)样件喷砂粗化：采用喷砂机对样件进行喷砂粗化，喷砂材料为150目左右的白刚玉、喷砂压力为0.5～1.0MPa；
(4)样件安装：将样件固定安装在工装卡具上，保证旋转中不会甩落；
(5)等离子喷涂：控制氩气流量50～75SCFH、氢气流量12～20SCFH、送粉氮气流量3～7SCFH、电流450～550A，送粉速率为40～70g/min、喷距为100～150mm、走枪速率6～15mm/s，喷涂总体厚度控制约为300μm；
(6)后处理：清除样品表面和边缘的毛刺等缺陷、检查涂层外观质量。
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| CN202311689311.9A CN117758186A (zh) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | 一种单层短流程耐磨涂层材料及其制备方法与应用 |
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05179596A (ja) * | 1991-11-18 | 1993-07-20 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 製紙機械用ロール |
| CN102433527A (zh) * | 2011-12-16 | 2012-05-02 | 北京工业大学 | 皮带输送机高耐磨钢滚筒及制备方法 |
| CN102650029A (zh) * | 2012-04-25 | 2012-08-29 | 常州大学 | 一种热作模具钢表面纳米陶瓷复合涂层材料的制备方法 |
| CN106011721A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-10-12 | 昆明理工大学 | 一种采用热喷涂法制备多层涂层的方法 |
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-
2023
- 2023-12-11 CN CN202311689311.9A patent/CN117758186A/zh active Pending
Patent Citations (6)
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