一种高热匹配性高温可磨耗封严涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于封严涂层材料技术领域，具体涉及一种高热匹配性高温可磨耗封严涂层及其制备方法。

背景技术

航空工业技术发展迅速，发动机正不断向大推重比、高能量转换效率和低燃油消耗的方向发展。可磨耗封严涂层通常涂敷在静子(如：机匣、外环等部件)内表面，运行过程中叶尖对可磨耗封严涂层产生刮削作用，形成封严槽降低径向气流间隙，增加转子前后压力差，从而显著提高发动机工作效率，降低燃油消耗。因此，可磨耗封严涂层技术是提升发动机性能的有效手段。

国内外科研人员经过数十年探索已经形成了相对完善的封严涂层材料体系，包括适用于350～650℃以Ni-石墨、AlSi-聚苯酯等为代表的低温可磨耗封严涂层；适用于650～950℃以Ni-硅藻土、NiCrAl-膨润土和NiCrAlY-BN为代表的中温可磨耗封严涂层。随着发动机性能的提升其进口温度不断提高，高压涡轮部位的工作温度达到1000℃以上，新一代发动机对适用于涡轮部件的高温可磨耗封严涂层需求越来越旺盛。

目前适用于1000℃以上环境的可磨耗封严涂层研究主要聚焦两类，一是以ZrO

发明内容

本发明的目的在于提供一种高热匹配性高温可磨耗封严涂层及其制备方法，涂层使用温度可达1050℃，具有良好的热循环寿命。

本发明的技术解决方案是：

一种高热匹配性高温可磨耗封严涂层，该涂层包括大气等离子喷涂制备的底层、中间层及可磨耗面层，其中：底层为MCrAlY合金粉末喷涂而成，M为Co或Ni；中间层为NiCrAl金属陶瓷复合粉末喷涂而成，按质量百分数计，NiCrAl金属陶瓷复合粉末含有56～65％Ni、9.0～14.0％Cr和1.0～5.0％Al，余量为SiO

所述的高热匹配性高温可磨耗封严涂层，底层的涂层厚度为0.10～0.20mm，中间层的涂层厚度为0.85～0.95mm，可磨耗面层的涂层厚度为0.65～0.75mm。

一种高热匹配性高温可磨耗封严涂层的制备方法，在热喷涂前对高温合金零件进行吹砂处理，然后在高温合金零件表面依次采用大气等离子喷涂底层、中间层及可磨耗面层。

所述的高热匹配性高温可磨耗封严涂层的制备方法，采用大气等离子喷涂底层时，底层材料为MCrAlY合金粉末，粒径为45～106μm；喷涂参数：主气Ar流量80～140SCFH，辅气He流量30～60SCFH，电流700～900A，功率20～35kW，涂层厚度为0.10～0.20mm。

所述的高热匹配性高温可磨耗封严涂层的制备方法，采用大气等离子喷涂中间层时，中间层材料为NiCrAl金属陶瓷复合粉末，按质量百分数计，该粉末含有56～65％Ni、9.0～14.0％Cr、1.0～5.0％Al和余量SiO

所述的高热匹配性高温可磨耗封严涂层的制备方法，采用大气等离子喷涂可磨耗面层时，可磨耗面层材料为NiCoCrAl金属陶瓷复合粉末，按质量百分数计，该粉末含有46～49％Ni、1.0～4.0％Co、8.0～11.0％Cr、1.0～3.5％Al、2.0～7.0％(Y

所述的高热匹配性高温可磨耗封严涂层的制备方法，该方法得到覆有涂层的高温合金零件置于箱式电阻炉中进行500℃热处理，保温时间6～8h。

所述的高热匹配性高温可磨耗封严涂层的制备方法，底层与高温合金零件基体、中间层结合良好，界面污染物≯20％，孔隙率≯5％；中间层与底层、可磨耗面层结合良好，中间层的非金属相体积含量为10％～25％，且分布均匀；可磨耗面层的非金属相体积含量为40％～55％，且分布均匀。

所述的高热匹配性高温可磨耗封严涂层的制备方法，该涂层总厚度不小于1.8mm，涂层结合强度不小于5MPa，涂层热处理后硬度为50～70HR15Y；涂层在1050℃保温5min、空冷5min条件下，热循环寿命到达300次以上。

本发明设计思想及原理如下：

首先，本发明高热匹配性高温可磨耗封严涂层中，可磨耗面层选用NiCoCrAl作为基体，其兼具了Ni基合金优异的韧性及延展性，又具有突出的抗氧化性和抗热腐蚀性能，通过添加氧亲和力强的元素，能够有效提高氧化膜的结合力，降低涂层氧化速率。其次，在可磨耗面层体系中加入以ZrO

可磨耗封严涂层服役过程中会与转子产生刮削，因此使用厚度通常在1mm以上，涂层增厚不仅会削弱结合强度，还会降低涂层的冷热循环寿命，采用梯度化设计思想延长涂层的使用寿命。在温度循环变化的条件下，高温合金基体、底层和金属陶瓷层中产生的应力可以通过下述公式计算：

σ

其中，σ

本发明的优点及有益效果是：

本发明设计的高热匹配性高温可磨耗封严涂层，包括采用大气等离子喷涂制备的底层、中间层及可磨耗面层，具有良好的高温稳定性、高热匹配性、可磨耗性及热循环寿命。NiCrAl金属陶瓷复合粉末材料制备的中间层具有缓解热应力，提高涂层热匹配性的作用；NiCoCrAl金属陶瓷复合粉末材料制备的可磨耗面层具有良好的可磨耗性，高温稳定性。本发明的高热匹配性高温可磨耗封严涂层总厚度不小于1.8mm，涂层结合强度不小于5MPa(涂层总厚度0.5mm)，涂层热处理后表面洛氏硬度HR15Y为50～70，涂层在1050℃保温5min、空冷5min条件下，热循环寿命到达300次以上。

附图说明

图1为实施例1中高热匹配性高温可磨耗封严涂层制备态扫描电镜照片。其中，右上图为左图面层的局部放大图，右下图为左图中间层的局部放大图。

图2为实施例2中制备高热匹配性高温可磨耗封严涂层各层热膨胀系数曲线。

图3为实施例3中高热匹配性高温可磨耗封严涂层原始表面形貌。

图4-图6为实施例3中高热匹配性高温可磨耗封严涂层经过1050℃×5min/空冷×5min循环100次(图4)、200次(图5)和300次(图6)后涂层表面形貌。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明提供一种高热匹配性高温可磨耗封严涂层及其制备方法，该涂层包括底层、中间层和可磨耗面层。在热喷涂前对高温合金零件进行吹砂处理，然后在高温合金零件表面依次采用大气等离子喷涂底层、中间层及可磨耗面层。采用大气等离子喷涂底层时，底层材料为MCrAlY合金粉末；采用大气等离子喷涂中间层时，中间层材料为NiCrAl金属陶瓷复合粉末；采用大气等离子喷涂可磨耗面层时，可磨耗面层材料为NiCoCrAl金属陶瓷复合粉末。原料的化学成分及粒度如表1、表2所示。

表1 NiCrAl、NiCoCrAl金属陶瓷复合粉末化学成分(质量百分数％)

表2 NiCrAl、NiCoCrAl金属陶瓷复合粉末筛分粒度组成(质量百分数％)

采用大气等离子喷涂依次制备底层、中间层及面层，喷涂工艺参数如表3所示。

表3高热匹配性高温可磨耗封严涂层喷涂工艺参数

将大气等离子喷涂制备的涂层置于箱式电阻炉中进行500℃热处理，保温6～8h，得到所述高热匹配性高温可磨耗封严涂层。

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，在一种氧化物弥散强化高温合金表面制备高热匹配性高温可磨耗封严涂层，具体步骤如下：

步骤1：对高温合金表面进行清洗除油，用石油醚去除油污，对非喷涂区域进行防护遮蔽。

步骤2：采用压入式吹砂机对零件表面进行吹砂处理；使用36～80目白刚玉砂，风压为0.2～0.6MPa，吹砂角度为45～80°，吹砂距离80～150mm，保证所有待喷涂面均经过吹砂处理，吹砂后高温合金基体表面粗糙度为≮0.5μm。

步骤3：采用大气等离子喷涂在零件表面制备底层，底层材料为NiCrAlY合金粉末，粒径为45～106μm，喷涂参数：主气Ar流量105SCFH，辅气He流量35SCFH，电流800A，功率25kW，厚度为0.2mm。

步骤4：采用大气等离子喷涂在底层表面制备中间层，中间层材料为NiCrAl金属陶瓷复合粉末，按质量百分数计，该粉末含有60％Ni、12％Cr、3％Al和25％SiO

步骤5：采用大气等离子喷涂在中间层表面制备可磨耗面层，可磨耗面层材料为NiCoCrAl金属陶瓷复合粉末，按质量百分数计，该粉末含有48％Ni、3.6％Co、10.2％Cr、2.5％Al、0.8％Y

步骤6：将大气等离子喷涂制备的涂层置于箱式电阻炉中进行500℃热处理，保温6h，随炉冷却至室温后取出。

步骤7：如图1所示，对高热匹配性高温可磨耗封严涂层的金相组织进行观察，可磨耗面层组织由金属相和非金属相组成，非金属相包含陶瓷相和孔隙，其中陶瓷相体积含量为4.3％，孔隙体积含量为37.9％，非金属相体积含量为42.2％；中间层组织由金属相和非金属相组成，非金属相包含陶瓷相和孔隙，其中陶瓷相体积含量为7.7％，孔隙体积含量为4.2％，非金属相体积含量为11.9％。

实施例2

本实施例中，对实施例1中制备的高热匹配性高温可磨耗封严涂层各层的热膨胀系数进行测量。

步骤1：

以

步骤2：

以

步骤3：

以

步骤4：

将步骤1～3中制备涂层块体进行打磨，获得尺寸为

步骤5：

采用顶杆法对三种材料500～1050℃温度区间内热膨胀系数进行测量，测试结果如图2所示。由图2可以看出，三种材料500～1050℃温度区间内热膨胀系数按照底层、中间层和面层顺序依次降低，中间层的引入降低了层与层之间热膨胀系数差。

实施例3

本实施例中，对实施例1中制备的高热匹配性高温可磨耗封严涂层进行结合强度、硬度和热循环性能测试。

步骤1：

对高热匹配性高温可磨耗封严涂层的结合强度进行测试，底层为等离子喷涂NiCrAlY合金，厚度为0.10mm；中间层为等离子喷涂NiCrAl金属陶瓷复合涂层，厚度为0.20mm；面层为等离子喷涂NiCoCrAl金属陶瓷复合涂层，厚度为0.5mm。随后进行500℃×6h热处理，测试前将涂层总厚度车加工至0.5mm，结合强度测试结果如表4所示：

表4涂层结合强度测试结果

步骤2：

对热处理后涂层硬度进行测试，所用硬度标尺为HR15Y，保载时间10s。涂层硬度测试结果如表5所示，涂层的表面洛氏硬度在50～70HR15Y区间内。

表5涂层表面洛氏硬度测试结果

步骤3：

按照实施例1相同工艺参数制备高热匹配性高温可磨耗封严涂层试片，在全自动热震试验机中进行热循环测试。试片在1050℃环境下保温5min，随后在空气中冷却5min，再回到炉体中进行保温，循环进行。图3为封严涂层试片经过热处理且表面经过打磨(保证涂层总厚度为1.8mm)的原始状态，图4-图6为涂层经过100次、200次及300次循环后表面状态。由图4-图6可以看出，高热匹配性高温可磨耗封严涂层在1050℃条件下经过300次冷热循环表面完好，无裂纹、无剥落现象。