專利名稱：一種基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于封嚴(yán)涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法。
背景技術(shù)：
隨著航天航空事業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，減少動(dòng)靜部件之間的間隙成為了設(shè)計(jì)和制造高性能發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)獲得大推力、高效率、并實(shí)現(xiàn)低油耗的重要手段之一。然而在葉片使用中，由于熱變形及振動(dòng)將造成零件整體位移、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)將引起葉片伸長(zhǎng)、零件加工過程需保留一定的公差和裝配偏差等原因，葉片與機(jī)匣之間必須預(yù)留一定的間隙。因而，必須使用封嚴(yán)涂層這種簡(jiǎn)單且有效的方法來減小間隙。國(guó)外對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層的研究起步于20世紀(jì)50年代，在60年代末期得到實(shí)際應(yīng)用。目前常用的可磨耗封嚴(yán)涂層，主要是由金屬基復(fù)合材料構(gòu)成。復(fù)合材料包括了金屬相、自潤(rùn)滑非金屬和許多孔隙。使用的主要材料有NiAl、AlSi, NiCrAl, NiCrAlY等。這種涂層的主要優(yōu)點(diǎn)是與基體結(jié)合強(qiáng)度高，但存在可磨耗性差、高溫使用時(shí)容易發(fā)生熔化與葉片粘著、受熱變形導(dǎo)致涂層失效等缺點(diǎn)。因此，為了改善這種涂層的性質(zhì)，通常會(huì)往其中添加軟相(可兼潤(rùn)滑相)，如h-BN、石墨、硅藻土、聚酯等。添加軟相的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)涂層硬度、改善涂層與葉片的潤(rùn)滑性、減少葉片的磨損、提高涂層的可磨耗性能、防止涂層與葉片粘著等。這種涂層，如N1-石墨、AlS1-聚酯、NiCrAl-氮化硼，它們具有一定的孔隙率，在耐熱性和抗熱震性方面優(yōu)于前者，但是這種涂層也存在著結(jié)合強(qiáng)度和耐氣流沖蝕性并不理想的缺點(diǎn)?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用壓氣機(jī)使空氣增加壓力、升高溫度，使燃料充分燃燒是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和效率的主要方法之一。因此壓氣機(jī)的工作溫度已經(jīng)達(dá)到了 1000°C以上，由于以往的涂層大多使用溫度都低于850°c，顯然無法達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，因此需要研究開發(fā)可耐受更高溫度且具有優(yōu)越耐沖蝕性能的封嚴(yán)涂層制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題在于提供一種基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，該方法制備出的封嚴(yán)涂層材料可選擇范圍廣，孔隙在涂層中分布均勻，成本較低且方法簡(jiǎn)便。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，包括以下操作:1)將表 面熔化的液固兩相顆粒碰撞并沉積在基體表面，控制基體表面溫度使液固兩相顆粒中的液態(tài)部分凝固時(shí)形成具有高熱穩(wěn)定性的相結(jié)構(gòu)，基體表面與液固兩相顆粒中的固相顆粒之間形成有效結(jié)合；后續(xù)液固兩相顆粒沉積到已經(jīng)沉積的顆粒表面，逐漸累加形成具有孔隙結(jié)構(gòu)的沉積層；2)將顆粒尺寸小于沉積層孔隙結(jié)構(gòu)的填充粉末或該填充粉末的前驅(qū)體，通過固相或懸浮液的狀態(tài)填充到沉積層的連通孔隙中，獲得具有耐沖蝕、高溫可磨耗的封嚴(yán)涂層。所述的液固兩相顆粒為空心顆粒和/或?qū)嵭念w粒，其材料種類優(yōu)選高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的氧化鋁基或氧化鋯基陶瓷。所述的液固兩相顆粒中的固相部分具有致密的局部組織結(jié)構(gòu)。所述的液固兩相顆粒碰撞并沉積在基體表面時(shí)因碰撞沉積位置的微觀隨機(jī)性而不斷變化沉積角度。在液固兩相顆粒沉積前，所述的基體表面溫度超過液相凝固后可形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的溫度，顆粒結(jié)合區(qū)域的液相材料形成高溫?zé)岱€(wěn)定的相結(jié)構(gòu)。所形成的封嚴(yán)涂層是由液固兩相顆粒相變后的扁平顆粒以機(jī)械嵌合及微區(qū)冶金結(jié)合的方式層疊堆積而成的多孔層狀結(jié)構(gòu)。所述的顆粒為粒徑為30 100 ii m的球形或近球形顆粒。所述的火焰噴涂是以氧氣進(jìn)行送粉，可燃?xì)怏w流量可調(diào)，噴涂距離可調(diào)，火焰為微氧化焰，壓縮空·氣流量為1000 1500L/h ；所述通過調(diào)節(jié)可燃?xì)怏w的流量來調(diào)節(jié)封嚴(yán)涂層的孔隙率；所述通過調(diào)節(jié)噴涂的距離來調(diào)節(jié)封嚴(yán)涂層的表面形貌及孔隙率。所述的填充粉末為與噴涂沉積的材料相同或不同的陶瓷材料，優(yōu)選具有優(yōu)越耐沖蝕性能的氧化鋁基或氧化鋯基陶瓷材料。在基體進(jìn)行沉積之前，先在基體表面制備一層結(jié)合層，優(yōu)選MCrAH高溫合金材料，其中的M指Ni或Co或兩者的合金，該MCrAH高溫合金材料種還可添加Ta、Re元素。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:本發(fā)明提供的基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，通過熱噴涂的方法制備熱噴涂涂層形成封嚴(yán)涂層。傳統(tǒng)熱噴涂所形成的熱噴涂涂層是由扁平顆粒以機(jī)械嵌合及微區(qū)冶金結(jié)合的方式層疊堆積而成的多孔層狀結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力水平較高。由于扁平粒子的厚度僅有微米量級(jí)，當(dāng)顆粒沖蝕在涂層表面時(shí)，表層扁平粒子不僅以微切削方式進(jìn)行沖蝕磨損，還承受顆粒縱向速度分量對(duì)扁平粒子的沖擊作用，涂層內(nèi)部的孔隙尤其是未結(jié)合界面區(qū)域?qū)⒆鳛轭A(yù)制裂紋促使整個(gè)甚至幾個(gè)扁平粒子的開裂和脫落，因而降低了涂層的耐沖蝕性能。本發(fā)明提供的基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，以幾十甚至一百微米數(shù)量級(jí)的球形或近球形顆粒堆積連接的結(jié)構(gòu)，顆粒間的有限結(jié)合允許涂層具有可磨耗性；而直徑為幾十微米量級(jí)的較大尺寸顆粒，將具有顯著的耐沖蝕特性，且其自身從顆粒結(jié)合處數(shù)層顆粒一起脫落的幾率顯著降低，因此具有優(yōu)越的耐沖蝕特性；再次，通過工藝控制，使沉積的材料形成高溫下穩(wěn)定的相結(jié)構(gòu)，由此消除亞穩(wěn)相在高溫服役時(shí)相變影響涂層壽命或性能甚至失效的問題。


圖1:本發(fā)明實(shí)施例1所涉及的原始粉末形貌照片，其中(a)為破碎的Al2O3粉末，(b)為經(jīng)過等離子焰流球化處理后的Al2O3粉末。圖2:采用圖1 (b)的Al2O3粉末在乙炔流量為300L/h噴涂距離為20mm所制得的典型涂層形貌，Ca)為表面形貌，(b)為多孔沉積層內(nèi)浸滲粘結(jié)劑(膠)處理后的斷面形貌。
圖3:采用圖1 (b)的Al2O3粉末在噴涂距離為40mm情況下制得的涂層整體斷面組織，Ca)乙炔流量為200L/h，(b)乙炔流量為300L/h，(c)乙炔流量為400L/h。圖4:采用圖1 (b)的Al2O3粉末在乙炔流量400L/h火焰噴涂沉積的Al2O3涂層，Ca)噴涂距離為20mm時(shí)的表面形貌，(b)噴涂距離為20mm時(shí)滲膠處理后的斷面形貌；(c)噴涂距離為30mm時(shí)的表面形貌，Cd)噴涂距離為30mm時(shí)滲膠處理后的斷面形貌；(e)噴涂距離為40mm時(shí)的表面形貌，Cf)噴涂距離為40mm時(shí)滲膠處理后的斷面形貌；(g)噴涂距離為60mm時(shí)的表面形貌，(h)噴涂距離為60mm時(shí)滲膠處理后的斷面形貌。圖5:采用火焰噴涂YSZ粉末沉積的涂層情況，其中(a)為YSZ粉末，(b)為噴涂所得涂層的表面形貌，(c)為噴涂所得涂層的斷面形貌。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的基于 熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，以幾十甚至一百微米數(shù)量級(jí)的球形或近球形顆粒堆積連接的結(jié)構(gòu)，顆粒間的有限結(jié)合允許涂層具有可磨耗性；而較大尺寸顆粒，將具有顯著的耐沖蝕特性。下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。一種基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，包括以下操作:I)將表面熔化的液固兩相顆粒碰撞并沉積在基體表面，控制基體表面溫度使液固兩相顆粒中的液態(tài)部分凝固時(shí)形成具有高熱穩(wěn)定性的相結(jié)構(gòu)，基體表面與液固兩相顆粒中的固相顆粒之間形成有效結(jié)合；后續(xù)液固兩相顆粒沉積到已經(jīng)沉積的顆粒表面，逐漸累加形成具有孔隙結(jié)構(gòu)的沉積層；2)將顆粒尺寸小于沉積層孔隙結(jié)構(gòu)的填充粉末或該填充粉末的前驅(qū)體，通過固相或懸浮液的狀態(tài)填充到沉積層的連通孔隙中，獲得具有耐沖蝕、高溫可磨耗的封嚴(yán)涂層。進(jìn)一步，所述的液固兩相顆粒為空心顆粒和/或?qū)嵭念w粒。空心顆粒能夠在涂層中形成大量閉孔隙，對(duì)于涂層的抗熱震并緩解熱應(yīng)力，性能優(yōu)于實(shí)心顆粒，液固兩相顆粒的材料種類優(yōu)選高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的氧化鋁基或氧化鋯基陶瓷。所述的液固兩相顆粒中的固相部分具有致密的局部組織結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)組織可以起到抗沖蝕的作用。所述的液固兩相顆粒碰撞并沉積在基體表面時(shí)因碰撞沉積位置的微觀隨機(jī)性而不斷變化沉積角度，以減少顆粒的固態(tài)部分沉積時(shí)因遮蔽效應(yīng)形成的尺寸大于粉末尺寸或其固相部分的大尺度連通孔隙，從而制得孔隙分布均勻的涂層，有利于葉片的保護(hù)，并且降低涂層大面積脫落的風(fēng)險(xiǎn)。在液固兩相顆粒沉積前，所述的基體表面溫度超過液相凝固后可形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的溫度，顆粒結(jié)合區(qū)域的液相材料形成高溫?zé)岱€(wěn)定的相結(jié)構(gòu)。所形成的封嚴(yán)涂層是由液固兩相顆粒相變后的扁平顆粒以機(jī)械嵌合及微區(qū)冶金結(jié)合的方式層疊堆積而成的多孔層狀結(jié)構(gòu)。所述的金屬顆粒為粒徑為30 100 ii m的球形或近球形顆粒。所述的火焰噴涂是以氧氣進(jìn)行送粉，可燃?xì)怏w流量可調(diào)，噴涂距離可調(diào)，火焰為微氧化焰，壓縮空氣流量為1000 1500L/h。通過調(diào)節(jié)可燃?xì)怏w的流量來調(diào)節(jié)封嚴(yán)涂層的孔隙率；通過調(diào)節(jié)噴涂的距離來調(diào)節(jié)封嚴(yán)涂層的表面形貌及孔隙率。
所述的填充粉末為與噴涂沉積的材料相同或不同的陶瓷材料，優(yōu)選具有優(yōu)越耐沖蝕性能的氧化鋁基或氧化鋯基陶瓷材料；通過填充尺寸較小顆粒來減少通孔的存在，從而提聞涂層的氣密性，進(jìn)一步有效提聞發(fā)動(dòng)機(jī)效率。在基體進(jìn)行沉積之前，先在基體表面制備一層結(jié)合層，優(yōu)選MCrAH高溫合金材料，其中的M指Ni或Co或兩者的合金，該MCrAH高溫合金材料種還可添加Ta、Re元素。下面給出具體的實(shí)施例。實(shí)施例1:以火焰噴涂Al2O3粉末為例，部分粉末中空，粉末粒徑4(T50iim，如圖1所示?；鹧鏄屚ㄟ^機(jī)械手操作，走槍速度是30mm/s。噴涂采用氧氣進(jìn)行送粉，乙炔流量為300L/h，噴涂距離為20mm，火焰為微氧化焰，壓縮空氣流量為1500L/h。將(p20的Al2O3基體片(將噴涂粉末壓制后燒結(jié)而成)預(yù)熱至1200°C的條件下進(jìn)行噴涂，用紅外測(cè)溫儀(RAYRPM30L3U, Raytek,USA)監(jiān)測(cè)基體前面溫度。所得表面和斷面形貌如圖2所示，形成了a -Al2O3這種穩(wěn)定的相結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2:以火焰噴涂Al2O3粉末為例，部分粉末中空，粉末粒徑4(T50iim，如圖1所示?；鹧鏄屚ㄟ^機(jī)械手操作，走槍速度是30mm/s。噴涂采用氧氣進(jìn)行送粉，乙炔流量分別為200L/h、300L/h、400L/h，噴涂距離為40mm，火焰為微氧化焰，壓縮空氣流量為1500L/h。斷面形貌如圖3所示。從圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著乙炔流量的增高，涂層的開孔逐漸減少，符合要求的閉孔增加，并隨著流量的增高，閉孔的大小減小。由此可知，可通過調(diào)節(jié)乙炔流量，獲得所需孔隙率要求的具有良好使用性能的封嚴(yán)涂層。實(shí)施例3:
以火焰噴涂Al2O3粉末為例，部分粉末中空，粉末粒徑4(T50iim，如圖1所示?；鹧鏄屚ㄟ^機(jī)械手操作，走槍速度是30mm/s。噴涂采用氧氣進(jìn)行送粉，乙炔流量為400L/h，噴涂距離分別為20mm、30mm、40mm、60mm，火焰為微氧化焰，壓縮空氣流量為1500L/h。所得表面形貌和斷面形貌如圖4所示。圖4 (g)與圖4 (h)所示涂層粒子完全熔化，涂層孔隙率低，過于致密，不符合封嚴(yán)涂層實(shí)際要求。由圖可知，可通過噴涂距離的調(diào)控，獲得具有不同表面形貌及內(nèi)部孔隙率封嚴(yán)涂層。若進(jìn)一步在本工藝中將沉積表面溫度控制為1000° C以上，則顆粒結(jié)合處的氧化鋁不是高溫準(zhǔn)穩(wěn)相Y -Al2O3,而是形成高溫穩(wěn)定的a -Al2O3,因避免了高溫服役過程中相變帶來的應(yīng)力應(yīng)變以及結(jié)合部位破壞等問題，可大大提高封嚴(yán)涂層的穩(wěn)定性和壽命。實(shí)施例4:以火焰噴涂YSZ粉末為例，粉末為中空，粉末粒徑7(Tl00iim，如圖5 (a)所示?；鹧鏄屚ㄟ^機(jī)械手操作，走槍速度是30mm/s。噴涂采用氧氣進(jìn)行送粉，乙炔流量為360L/h，噴涂距離分別為40mm，火焰為微氧化焰，壓縮空氣流量為1500L/h。所得表面形貌和斷面形貌如圖5 (b)與圖5 (c)所示。通過表面層熔化后液相與已沉積的空芯粒子形成了牢固的連接。涂層孔隙率除通過噴涂工藝調(diào)控外，可通過空芯粉末的空芯部分的體積在粉末中所占比例進(jìn)一步調(diào)節(jié)，獲得具有不同孔隙率的封嚴(yán)涂層。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下 ，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，包括以下操作: 1)將表面熔化的液固兩相顆粒碰撞并沉積在基體表面，控制基體表面溫度使液固兩相顆粒中的液態(tài)部分凝固時(shí)形成具有高熱穩(wěn)定性的相結(jié)構(gòu)，基體表面與液固兩相顆粒中的固相顆粒之間形成有效結(jié)合；后續(xù)液固兩相顆粒沉積到已經(jīng)沉積的顆粒表面，逐漸累加形成具有孔隙結(jié)構(gòu)的沉積層； 2)將顆粒尺寸小于沉積層孔隙結(jié)構(gòu)的填充粉末或該填充粉末的前驅(qū)體，通過固相或懸浮液的狀態(tài)填充到沉積層的連通孔隙中，獲得具有耐沖蝕、高溫可磨耗的封嚴(yán)涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所述的液固兩相顆粒為空心顆粒和/或?qū)嵭念w粒，其材料為高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的氧化鋁基或氧化鋯基陶瓷。
3.如權(quán)利要求1所述的基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所述的液固兩相顆粒中的固相部分具有致密的局部組織結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所述的液固兩相顆粒碰撞并沉積在基體表面時(shí)因碰撞沉積位置的微觀隨機(jī)性而不斷變化沉積角度。
5.如權(quán)利要求1所述的基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，在液固兩相顆粒沉積前，所述的基體表面溫度超過液相凝固后可形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的溫度；顆粒結(jié)合區(qū)域的液相材料形成高溫?zé)岱€(wěn)定的相結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所形成的封嚴(yán)涂層是由液固兩相顆粒相變后的扁平顆粒以機(jī)械嵌合及微區(qū)冶金結(jié)合的方式層疊堆積而成的多孔層狀結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所述的顆粒為粒徑為30 100 ii m的球形或近球形顆粒。
8.如權(quán)利要求1所述的基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所述的火焰噴涂是以氧氣進(jìn)行送粉，可燃?xì)怏w流量可調(diào)，噴涂距離可調(diào)，火焰為微氧化焰，壓縮空氣流量為1000 1500L/h ； 通過調(diào)節(jié)可燃?xì)怏w的流量來調(diào)節(jié)封嚴(yán)涂層的孔隙率；通過調(diào)節(jié)噴涂的距離來調(diào)節(jié)封嚴(yán)涂層的表面形貌及孔隙率。
9.如權(quán)利要求1所述的基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所述的填充粉末為與噴涂沉積的材料相同或不同的陶瓷材料； 所述的填充粉末為具有耐沖蝕性能的氧化鋁基或氧化鋯基陶瓷材料。
10.如權(quán)利要求1所述的基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，在基體沉積前， 還在基體表面制備一層結(jié)合層MCrAlY，其中，M為N1、Co或兩者的合金。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于熱噴涂制備耐沖蝕高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，將表面熔化的液固兩相顆粒碰撞并沉積在基體表面，控制基體表面溫度使液固兩相顆粒中的液態(tài)部分凝固時(shí)形成具有高熱穩(wěn)定性的相結(jié)構(gòu)，基體表面與液固兩相顆粒中的固相顆粒之間形成有效結(jié)合；后續(xù)液固兩相顆粒沉積到已經(jīng)沉積的顆粒表面，逐漸累加形成具有孔隙結(jié)構(gòu)的沉積層；將顆粒尺寸小于沉積層孔隙結(jié)構(gòu)的填充粉末或該填充粉末的前驅(qū)體，通過固相或懸浮液的狀態(tài)填充到沉積層的連通孔隙中，獲得具有耐沖蝕、高溫可磨耗的封嚴(yán)涂層。該方法制備出的封嚴(yán)涂層材料可選擇范圍廣，孔隙在涂層中分布均勻，成本較低且方法簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)C23C4/12GK103103473SQ20131004572
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者李長(zhǎng)久, 楊冠軍, 李成新 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)