CN208486915U - 一种内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，属于航空发动机技术领域。该涡轮外环包括高温合金涡轮外环本体和设置于涡轮外环本体内表面的MCrAlY高温防护涂层，MCrAlY中M为Ni和Co中的至少一种。该涡轮外环的高温防护涂层具有较强的涂层内聚强度，与基体的结合强度较高，高温防护性能优良，在涡轮外环与叶片叶尖发生非正常刮磨时可有效降低涡轮外环对叶片的损伤。

Description

一种内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环

技术领域

本实用新型涉及航空发动机技术领域，且特别涉及一种内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环。

背景技术

航空发动机为航空器提供飞行所需动力，是一种高度复杂和精密的热力机械。发动机的核心部件包括空气压缩机、燃烧室与涡轮。其中，涡轮包含有涡轮外环和涡轮转子叶片，转子叶片设置于涡轮外环的环内，叶尖朝向涡轮外环的内壁。涡轮叶片叶尖的燃气泄漏量对涡轮效率的影响很大，而涡轮效率直接影响到发动机的总体性能。涡轮外环作为组成发动机燃气流道的重要组成部分，可起到控制工作状态过程中涡轮叶尖间隙的作用。

因此，涡轮外环需与涡轮叶片叶尖拥有良好的配合。同时，涡轮外环直接与高温燃气接触，环境温度较高，工作条件恶劣，长时服役条件下对于高温性能有较高的要求。

通常采用在涡轮外环内壁上直接涂覆涂层的结构形式，然而由于长期振动及高温腐蚀介质的侵蚀以及涂层厚度较大易应力集中，导致所涂覆涂层容易掉块。另一方面，涡轮外环与涡轮转子叶片叶尖的非正常刮擦，使得涡轮外环内壁涂层易于脱落导致涡轮叶尖封严效果下降，且会损伤涡轮转子叶片，从而降低发动机性能，甚至损坏发动机。

实用新型内容

本实用新型的目的包括提供一种内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，该涡轮外环的高温防护涂层具有较强的涂层内聚强度，与基体的结合强度较高，高温防护性能优良，能在涡轮外环与叶片叶尖发生非正常刮磨时有效降低涡轮外环对叶片的损伤。

本实用新型解决其技术问题是采用包括以下技术方案来实现的：

本实用新型实施例提出了一种内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，包括高温合金涡轮外环本体和设置于涡轮外环本体的内表面的MCrAlY高温防护涂层，MCrAlY中M为Ni和Co中的至少一种。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，高温合金涡轮外环本体包括第一本体以及用于设置MCrAlY高温防护涂层的第二本体，第二本体设置于第一本体的一侧且向远离第一本体的方向凸出， MCrAlY高温防护涂层设置于第二本体的远离第一本体的一侧的表面。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，第二本体的远离第一本体的一侧设有凹槽，MCrAlY高温防护涂层设置于凹槽。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，凹槽包括沿涡轮外环的径向设置的底槽以及沿涡轮外环的轴向设置的侧槽，底槽与侧槽的连接处设有倒角。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，倒角呈30-60°。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，倒角呈30-45°。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，第二本体的沿涡轮外环的轴向方向的侧壁与第一本体形成喷涂过渡区域。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，MCrAlY高温防护涂层的厚度为0.8-1.5mm。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，MCrAlY高温防护涂层的孔隙率＜5％。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环的表面粗糙度Ra＜0.2μm。

本实用新型实施例中内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环的有益效果包括：

本实用新型实施例所提供的内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环具有较强的涂层内聚强度，与基体的结合强度较高(强度>70MPa)，高温防护性能优良，孔隙率适中，在涡轮外环与叶片叶尖发生非正常刮磨时可有效降低涡轮外环对叶片的损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的涡轮外环的在未设置凹槽前的截面结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的涡轮外环的在设置凹槽后的截面结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的涡轮外环中凹槽的截面结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环的截面结构示意图。

图标：10-涡轮外环；11-涡轮外环本体；111-第一本体；112-第二本体；113-凹槽；1131-底槽；1132-侧槽；1133-倒角；12-高温防护涂层；13-喷涂过渡区域。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“垂直”等术语并不表示要求部件绝对垂直，而是可以稍微倾斜。如“垂直”仅仅是指其方向相对“水平”而言更加垂直，并不是表示该结构一定要完全垂直，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。

对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合实施例进行具体说明。

实施例

本实施例提供一种内壁喷涂大厚度高温防护涂层12的涡轮外环10。请参照图1至图4，上述内壁喷涂大厚度高温防护涂层12的涡轮外环10包括高温合金涡轮外环本体11(基体)和设置于涡轮外环本体11的内表面的MCrAlY高温防护涂层12。

涡轮外环本体11采用变形高温合金或铸造高温合金，例如 GH3536，该涡轮外环本体11可由锻件机加工而成。

本申请方案中，请继续参照图4，高温合金涡轮外环本体11包括第一本体111以及用于设置MCrAlY高温防护涂层12的第二本体 112。

第二本体112设置于第一本体111的一侧且向远离第一本体111 的方向凸出，MCrAlY高温防护涂层12设置于第二本体112的远离第一本体111的一侧的表面。

较佳地，第二本体112的远离第一本体111的一侧设有凹槽113， MCrAlY高温防护涂层12设置(喷涂)于凹槽113。

具体地，请再结合图3，凹槽113包括底槽1131以及与底槽1131 连接的侧槽1132，底槽1131沿涡轮外环10的径向设置，侧槽1132 沿涡轮外环10的轴向设置。

在一些优选的实施方式中，底槽1131与侧槽1132的连接处设有倒角1133。

较佳地，上述倒角1133例如可以呈30-60°(如30°、35°、55°或60°)。更佳地，上述倒角1133例如可以呈30-45°(如30°、40°或 45°)。

通过设置上述角度范围的倒角1133，可对高温防护涂层12起到保护作用，避免边缘应力集中导致涂层开裂乃至脱落。

较佳地，本申请方案中，第二本体112的沿涡轮外环10的轴向方向的侧壁与第一本体111形成喷涂过渡区域13。该喷涂过渡区域 13允许喷涂过程中少量喷涂物质喷涂于该区域，以减少喷涂过程中的限制。

本申请方案中，MCrAlY高温防护涂层12的MCrAlY中M为 Ni和Co中的至少一种。Ni基合金具有优良的缓和热应力的能力， Co基具有优良的抗氧化和腐蚀性能，Ni与Co的组合则使涂层兼具上述特性。

可参考地，MCrAlY高温防护涂层12例如可以为CoNiCrAlY气雾化球形粉。

在一些实施方式中，MCrAlY高温防护涂层12的厚度可以为 0.8-1.5mm，例如0.8mm、0.9mm、1.3mm、1.4mm或1.5mm。

在一些优选的实施方式中，MCrAlY高温防护涂层12的厚度可以为1-1.2mm，例如1mm、1.1mm或1.2mm。

通过本申请方案中的结构设计，MCrAlY高温防护涂层12的厚度可达到1.5mm，在0.8-1.5mm的厚度范围内，一方面能够涡轮外环 10具有良好的高温防护性能，另一方面涂层与涡轮外环本体11之间具有较强的结合强度，能够降低或避免涂层脱落的情况。

较佳地，本申请方案中涡轮外环10的MCrAlY高温防护涂层12 可经大气等离子方法制备，例如可参照以下方式：喷涂过程中，工件以200-400rpm(优选为300rpm)匀速旋转以保证涡轮外环10圆周向方向具有均匀的厚度。

喷枪与涡轮外环10呈60±5°角度上下移动，每喷涂0.10-0.2mm，将喷枪切换至对称位置进行喷涂。通过变换喷枪位置保证涡轮外环 10垂直于圆周面方向涂层的厚度均匀性以及喷涂区域两端倒角1133 位置的涂层质量。

涂层厚度达到预设厚度的一半(如0.5mm)时，将工件置于真空炉中以550-750℃(如600℃)的条件保温2-6h(如4h)起到去应力的作用，随炉冷却。

对喷涂涂层的位置利用60#棕刚玉砂喷砂处理，喷砂压力例如可以为0.1-0.2MPa，然后用压缩空气吹掉残留的砂粒或粉尘。继续喷涂涂层至预设厚度(对应上述0.5mm，此处预设厚度即为1.0mm)。

进一步地，将工件置于真空炉内以900-1000℃(如970℃)的条件保温6-10h作进行扩散处理，以增强涂层内聚强度及与基体的结合强度。

承上所述，采用的大气等离子方法以等离子体为热源，可保证粉末在射流中充分熔融。喷涂过程采用压缩空气进行充分冷却，可有效防止基体超温所致变形。

值得说明的是，通过上述方法制备所得的MCrAlY高温防护涂层12具有适中的孔隙率(孔隙率＜5％)，在拥有优良的高温防护性能的前提下，可保证在与叶片叶尖发生非正常刮磨时有效降低将对叶片的损伤。

将涂层喷涂至一定厚度后采用真空热处理的方法去除涂层内应力并在喷涂至预设厚度后进行扩散处理，可增强涂层的内聚强度及与基体的结合强度，降低大厚度涂层由于残余应力集中所导致的涂层脱落风险。

较佳地，在涂覆涂层前，可对涡轮外环10进行除油清理，利用工装夹具对非喷涂部位进行保护。

喷涂部位采用24#或46#棕刚玉砂进行喷砂处理，喷砂压力可控制为0.3-0.5MPa，以除去基体表面的氧化层，获得干净、具有活性以及易附着的表面状态，以增加表面活性并提高涂层与基体间的结合强度。

喷砂处理后，可用压缩空气吹掉残留的砂粒或粉尘。

喷涂及热处理完毕后，可采用机加方式去除喷涂过渡区域13附着的涂层，然后对第二本体112的涂层进行磨削及抛光处理，使最终产品的表面光滑、平整，粗糙度Ra＜0.2μm。

本申请方案提供的MCrAlY高温防护涂层12的硬度>300HV0.3，孔隙率<5％，与基体结合强度>70MPa，性能优良。

综上，本实用新型实施例所提供的内壁喷涂大厚度高温防护涂层 12的涡轮外环10具有较强的涂层内聚强度，与基体的结合强度较高，高温防护性能优良，孔隙率适中，在与叶片叶尖发生非正常刮磨时可有效降低涡轮外环10对叶片的损伤。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，其特征在于，包括高温合金涡轮外环本体和设置于所述涡轮外环本体内表面的MCrAlY高温防护涂层，所述MCrAlY中M为Ni和Co中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，其特征在于，所述高温合金涡轮外环本体包括第一本体以及用于设置所述MCrAlY高温防护涂层的第二本体，所述第二本体设置于所述第一本体的一侧且向远离所述第一本体的方向凸出，所述MCrAlY高温防护涂层设置于所述第二本体的远离所述第一本体的一侧的表面。

3.根据权利要求2所述的内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，其特征在于，所述第二本体的远离所述第一本体的一侧设有凹槽，所述MCrAlY高温防护涂层设置于所述凹槽。

4.根据权利要求3所述的内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，其特征在于，所述凹槽包括沿所述涡轮外环的径向设置的底槽以及沿所述涡轮外环的轴向设置的侧槽，所述底槽与所述侧槽的连接处设有倒角。

5.根据权利要求4所述的内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，其特征在于，所述倒角呈30-60°。

6.根据权利要求5所述的内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，其特征在于，所述倒角呈30-45°。

7.根据权利要求2所述的内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，其特征在于，所述第二本体的沿所述涡轮外环的轴向方向的侧壁与所述第一本体形成喷涂过渡区域。

8.根据权利要求1所述的内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，其特征在于，所述MCrAlY高温防护涂层的厚度为0.8-1.5mm。

9.根据权利要求1所述的内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，其特征在于，所述MCrAlY高温防护涂层的孔隙率＜5％。

10.根据权利要求1所述的内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环，其特征在于，所述内壁喷涂大厚度高温防护涂层的涡轮外环的表面粗糙度Ra＜0.2μm。