专利名称：一种等离子喷涂制备封严涂层的方法
技术领域：
本发明涉及合金防护涂层制备技术，特别提供了一种等离子喷涂制备封严涂层的 方法。
背景技术：
在发动机相关技术中，为减少发动机级间泄露，提高航空发动机的工作效率，转子 和外环块之间通常采用封严涂层进行封严。以某型大修机低压压气机I IV级机匣及高压压气机I VI级机匣等零件为例。 涂层要求起中低温封严作用，设计点温度为400°C左右，受气动冲刷及叶片刮削机匣振动应 力，工作介质为空气。现有技术中无合适的技术解决相关问题，人们渴望获得满足使用要求的技术效果 更好的相关涂层。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子喷涂制备封严涂层的方法。本发明可以用于以喷涂某型大修机低压压气机I IV级机匣及高压压气机I VI级机匣等为例的这类零件。涂层起中低温封严作用，设计点温度为400°C左右，受气动冲 刷及叶片刮削机匣振动应力，工作介质为空气。本发明提供了一种等离子喷涂制备封严涂层的方法，其特征在于使用A1/BN及 MAlW合金粉末作为原料，采用等离子喷涂方式制备涂层；具体要求如下所述A1/BN合金粉末用作面层材料，其成分与质量百分比含量如下BN:18.0 25. 0%, SiO2 4. 8. 0%，Al 余量；所述NiAlW合金粉末作为底层材料，其成分与质量百分比含量如下Al 20. 0 24. 0%，Cr 1. 5 4. 0 %，W 彡 2. 0 %，Co :0· 2 1. 2 %，Mo :0· 2 1. 2%, Ti 0. 2 1. 0%，Ni 余量。所述用作用作面层材料的A1/BN合金粉末的成分与质量百分比含量优选如下 BN 18. 0 23. 0%, SiO2 4. 0 8. 0%，Al 余量。本发明所述等离子喷涂制备封严涂层的方法，其特征在于所述以NiAlW合金粉 末为原料的底层材料的厚度为0. 04 0. 5mm ；所述以A1/BN合金粉末为原料的面层材料的 厚度为1. 0 4. 0mm。本发明中，所述等离子喷涂制备封严涂层还满足下述要求喷涂气体使用氩气或氮气；制备底层时喷涂电流为480A 520A，氩气或氮气流量要求80ft3/h 120ft3/h， 氢气流量为8ft3/h 15ft3/h，喷涂距离要求130 士 20mm，送粉速率为40g/min 45g/min ；制备面层时喷涂电流为380A 420A，氩气或氮气流量要求70ft3/h 120ft3/h， 氢气流量为5ft3/h 15ft3/h，喷涂距离要求120 士 20mm，送粉速率为40g/min 50g/min。
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本发明所述等离子喷涂制备封严涂层的方法中还有如下的优选要求所述等离子喷涂制备封严涂层使用的NiAlW合金粉末粒度要求如下+160 μ m :0， +56μπι ^ 5%, +45μπι ^ 40%, -45μπι ^ 55% ；所述等离子喷涂制备封严涂层使用的Α1/ΒΝ合金粉末粒度要求如下+315μπι: 彡 10%, -315 +50μ 彡 82%，-50μπι 彡 8%。总体而言，本发明相关的涂层质量要求为1)使用洛布维试验机，用Φ5钢球在62. 5kgf的载荷下测量涂层硬度，压痕直径为 Φ 3. 15mm 2. 24mm时，硬度合格。2)涂层中的BN、SiO2按实测。本发明可以应用于发动机及相关技术中，面层与底层粉末主要用于低压压气机 I IV级机匣及高压压气机I VI级机匣喷涂密封涂层的制备，其目的是减少发动机级间 泄露量。该涂层是一种封严涂层，具有良好的可刮削性能与粘结性能，是一种优异的新型中 低温封严涂层，尤其是复合型A1/BN封严涂层材料的应用，是某型发动机大修不可替代的 材料。本发明的优点填补了技术空白，具有明显较好的技术效果。
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明图1 NiAlW粉末涂层金相组织X 200 ；图2 NiAlff粉末涂层X射线衍射图；图3 A1/BN涂层(G7批)金相组织X 100 ；图4 A1/BN涂层(G10批)金相组织X 100 ；图5 A1/BN涂层(G7批)的X射线衍射图；图6 G7 批 450°C /25h 的金相组织 X 100 ；图7 G7 批 450°C /50h 的金相组织 X 100 ；图8 G7 批 450°C /IOOh 的金相组织 X 100。
具体实施例方式实施例11、NiAlW粉末质量要求NiAlff粉末化学成分与粒度应符合表1、表2规定。表1化学成分% 表2粒度组成％
2、A1/BN粉末质量要求A1/BN粉末化学成分与粒度应符合表3、表4规定。表3化学成分％ 表4粒度组成％ 3、涂层质量要求1)按修理指导要求，用洛布维试验机，用Φ 5钢球在62. 5kgf的载荷下测量涂层硬 度，压痕直径为Φ3. 15mm 2. 24mm时，硬度合格。2)按修理指导要求，涂层中的BN、SiO2实测。4、零件类型及工况条件主要用于喷涂某型大修机低压压气机I IV级机匣及高 压压气机I VI级机匣等18个零件。涂层起中低温封严作用，设计点温度为400°C左右， 受气动冲刷及叶片刮削机匣振动应力，工作介质为空气。5、试验用料及设备试验用料试验主要材料选用北京矿冶总院研制的MA1W、A1/BN粉末；涂层热震、 结合强度及硬度试验试片材料选用GH4708板材；摩擦磨损试验试片材料选用GH4708板材 (盘)、GH150(销)和BTlSy (销)；拉伸试样粘结胶选用FM-1000 (美国)。试验设备如下等离子喷涂设备METC0_7M ；送粉器METC0_4MP ；电感耦合等离子 体发射光谱仪(ICP)法国，JY70PLUS ；电子拉力试验机日本岛津，AG-250KNE ；金相显微 镜XJG-05 ；X-射线衍射仪；布洛维硬度机；Π M T-3型显微硬度机。表5 NiAlW粉末化学成分％ 6、试验结果与讨论分析粉末质量评估=NiAlW底层粉末的化学成分测试结果见表5，粒度测试见表6 ;A1/ BN面层粉末的化学成分测试结果见表7，粒度测试见表8。表6 NiAlff粉末粒度 由表5、表6结果可以看出，NiAlW粉末的化学成分及粒度均符合技术标准的要求。由表7及表8结果可以看出，A1/BN粉末的化学成分及粒度均符合技术标准的要 求。表7 A1/BN粉末化学成分％ 表8 A1/BN粉末粒度 7、工艺试验对比送粉速率对比试验利用Metco-4MP送粉器分别对NiAlW粉末及A1/BN粉末进行送粉速率对比试验， 结果见表9、表10。表9 NiAlW粉末送粉速率 表10 A1/BN粉末送粉速率 4. 2. 2沉积效率对比试验分别对NiAlW粉末及A1/BN粉末进行了沉积效率对比试验，结果见表11、表12。表11 NiAlW粉末的沉积效率 表12 A1/BN粉末的沉积效率 8、涂层的性能分析NiAlW底层粉末涂层的性能选用NiAlW底层粉末，按现有的喷涂工艺说明书规定的等离子喷涂工艺参数(见表13)制备涂层，结果见表14。涂层的金相组织照片见图1、X射线衍射图对比见图2。表13等离子喷涂工艺参数 表14涂层性能 通过以上可以看出(1)粉末涂层的显微硬度符合要求。(2)粉末涂层的结合强度大于相类似的自粘结性镍铝涂层的结合强度技术要求 (彡19MPa)，符合要求。(3)粉末涂层的金相组织符合要求。(4)粉末涂层的相结构主要相为NiAl相，符合要求。A1/BN面层粉末涂层的性能选用不同批次的A1/BN粉末，按现有的喷涂工艺说明书规定的等离子喷涂工艺参 数(见表15)制备涂层，并进行性能对比(见表16)；金相组织对比照片见图3、4，X射线衍 射图对比见图5。表15等离子喷涂工艺参数 表16涂层性能测试结果 由表16结果可看出(1)A1/BN粉末涂层的硬度均合格，符合要求。(2)粉末涂层的结合强度符合要求，均大于封严类涂层要求(》4MPa)。涂层抗热冲击性能选用同一喷涂工艺参数(底层喷涂工艺按表13进行，面层喷 涂工艺按表15进行)，采用A1/BN粉末制备出总厚度为2. 5mm的涂层(底层涂层厚度为 0. 1 0. 2mm)，并进行了 450°C、20次及35次热震试验，结果见表17。热震试验结果表明， A1/BN粉末涂层的抗热冲击性能符合要求。表17热震试验结果 涂层热稳定性性能按表13喷涂工艺进行底层喷涂，面层喷涂工艺按表15进行) 制备A1/BN涂层(底层涂层厚度为0. 1 0. 2mm,总厚度大于3mm)进行热稳定性试验。表 18为热稳定性试验后涂层硬度对比结果，图14 图19为热稳定性试验后涂层的金相组织 图片。表18涂层热稳定性性能测试结果 从表18和图6、7、8可以看出(1)随着保温时间的延长，涂层的硬度符合要求。
(2)经过450°C、25小时、50小时和100小时后涂层的金相组织基本没有变化。9、摩擦磨损试验用GW/ML-MS高温销盘式摩擦磨损试验机对A1/BN粉末涂层进行了室温、450°C摩 擦磨损试验，结果见表19、表20。相同温度下的两种涂层材料的磨损量与摩擦系数基体相当。表19室温摩擦磨损试验结果 表20 450°C摩擦磨损试验结果 10、涂层中的化学成分分析大修指导中对涂层中BN、Si02含量并无具体指标，只要求实测。表21为A1/BN粉 末涂层中BN、SiO2含量测试分析结果。表21涂层中的化学成分分析 从表21结果可以看出，涂层中的SiO2含量均在2. 5% 5%之间；七批A1/BN粉 末涂层中，其中G3、G4、G6批A1/BN粉末涂层中BN含量指标略低，G7、G8、G9、GlO批A1/BN 粉末涂层中BN含量适中。造成A1/BN粉末涂层中BN含量低的原因，主要与A1/BN粉末中原材料中六方BN 的晶型结构和粒度有关。在A1/BN粉末的制备过程中，以水玻璃为粘结剂，六方BN是包覆 在Al粉表面，如果六方BN的晶型不完整或颗粒过细，在喷涂过程中易烧蚀。G3批粉末中 BN原材料是由山东产的，BN的纯度为97%，粒度为0. 8 μ m ；G4、G6批粉末中BN原材料是由 北京产的，BN的纯度为99%，粒度平均为3. 8 μ m ;G7、G8、G9、GlO批粉末中BN是由丹东产 的，BN的纯度为98%，粒度平均为5. 24 μ m，原材料中BN在喷涂过程中烧损比较少，可以保 证涂层中的BN含量及硬度符合要求。11、典型件长试考核及故检情况采用A1/BN及NiAlW粉末材料，按现有喷涂工艺 喷涂的高压压气机第VI级机匣参加并通过了发动机607小时的试车考核。故检结论通过长试考核，符合故检标准，可装机使用。12、结论A1/BN及NiAlW粉末材料的化学成分、粒度等达到了技术标准要求；用A1/BN及NiAlW粉末材料制备的涂层，其等离子喷涂工艺可行；涂层的化学成 分、金相组织及性能等均符合要求；用A1/BN及NiAlW粉末材料喷涂的高压压气机第VI级机匣通过了发动机长试考 核，可以满足某型发动机大修的使用要求。实施例2一种等离子喷涂制备封严涂层的方法，用于以喷涂某型大修机低压压气机I IV 级机匣及高压压气机I VI级机匣等为例的这类零件。涂层起中低温封严作用，设计点温 度为400°C左右，受气动冲刷及叶片刮削机匣振动应力，工作介质为空气。
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一种等离子喷涂制备封严涂层的方法使用A1/BN及NiAlW合金粉末作为原料，采 用等离子喷涂方式制备涂层；具体要求如下所述A1/BN合金粉末用作面层材料，其成分与质量百分比含量如下BN:18.0 25. 0%, SiO2 4. 8. 0%，Al 余量；所述NiAlW合金粉末作为底层材料，其成分与质量百分比含量如下Al 20. 0 24. 0%，Cr :1· 5 4. 0%，W 彡 2. 0%, Co 0. 2 ~ 1. 2%, Mo 0. 2 1. 2%, Ti 0. 2 1. 0%，Ni 余量。所述用作用作面层材料的A1/BN合金粉末的成分与质量百分比含量优选如下 BN 18. 0 23. 0%, SiO2 4. 0 8. 0%，Al 余量。所述等离子喷涂制备封严涂层的方法，其特征在于所述以NiAlW合金粉末为原 料的底层材料的厚度为0. 04 0. 5mm ；所述以A1/BN合金粉末为原料的面层材料的厚度为 1.0 — 4. Omm0所述等离子喷涂制备封严涂层还满足下述要求喷涂气体使用氩气或氮气；制备底层时喷涂电流为480A 520A，氩气或氮气流量要求80ft3/h 120ft3/h， 氢气流量为8ft3/h 15ft3/h，喷涂距离要求130 士 20mm，送粉速率为40g/min 45g/min ；制备面层时喷涂电流为380A 420A，氩气或氮气流量要求70ft3/h 120ft3/h， 氢气流量为5ft3/h 15ft3/h，喷涂距离要求120 士 20mm，送粉速率为40g/min 50g/min。所述等离子喷涂制备封严涂层的方法中还有如下要求所述等离子喷涂制备封严涂层使用的NiAlW合金粉末粒度要求如下+160 μ m :0， +56μπι ^ 5%, +45μπι ^ 40%, -45μπι ^ 55% ；所述等离子喷涂制备封严涂层使用的Α1/ΒΝ合金粉末粒度要求如下+315 μ m 彡 10%, -315 +50μπι 彡 82%，-50μπι 彡 8%。总体而言，本实施例相关的涂层质量要求为1)使用洛布维试验机，用Φ5钢球在62. 5kgf的载荷下测量涂层硬度，压痕直径为 Φ 3. 15mm 2. 24mm时，硬度合格。2)涂层中的BN、Si02按实测。
1权利要求
一种等离子喷涂制备封严涂层的方法，其特征在于使用Al/BN及NiAlW合金粉末作为原料，采用等离子喷涂方式制备涂层；具体要求如下所述Al/BN合金粉末用作面层材料，其成分与质量百分比含量如下BN18.0～25.0％，SiO24.0～8.0％，Al余量；所述NiAlW合金粉末作为底层材料，其成分与质量百分比含量如下Al20.0～24.0％，Cr1.5～4.0％，W≤2.0％，Co0.2～1.2％，Mo0.2～1.2％，Ti0.2～1.0％，Ni余量。
2.按照权利要求1所述等离子喷涂制备封严涂层的方法，其特征在于所述用作用作面层材料的A1/BN合金粉末的成分与质量百分比含量如下BN:18.0 23. 0%, SiO2 4. 8. 0%，Al 余量。
3.按照权利要求2所述等离子喷涂制备封严涂层的方法，其特征在于所述以NiAlW 合金粉末为原料的底层材料的厚度为0. 04 0. 5mm ；所述以A1/BN合金粉末为原料的面层 材料的厚度为1. 0 4. 0mm。
4.按照权利要求1或2或3所述等离子喷涂制备封严涂层的方法，其特征在于所述 等离子喷涂制备封严涂层还满足下述要求喷涂气体使用氩气或氮气；制备底层时喷涂电流为480A 520A，氩气或氮气流量要求80ft3/h 120ft3/h，氢气 流量为8ft3/h 15ft3/h，喷涂距离要求130 士 20mm，送粉速率为40g/min 45g/min ；制备面层时喷涂电流为380A 420A，氩气或氮气流量要求70ft3/h 120ft3/h，氢气 流量为5ft3/h 15ft3/h，喷涂距离要求120 士 20mm，送粉速率为40g/min 50g/min。
5.按照权利要求4所述等离子喷涂制备封严涂层的方法，其特征在于所述等离子喷涂制备封严涂层使用的NiAlW合金粉末粒度要求如下+160μπι:0， +56μπι ^ 5%, +45μπι ^ 40%, -45μπι ^ 55% ；所述等离子喷涂制备封严涂层使用的Α1/ΒΝ合金粉末粒度要求如下+315μπι: 彡 10%, -315 +50μπι 彡 82%，-50μπι 彡 8%。
全文摘要
一种等离子喷涂制备封严涂层的方法，使用Al/BN及NiAlW合金粉末作为原料，采用等离子喷涂方式制备涂层；具体要求如下所述Al/BN合金粉末用作面层材料，其成分与质量百分比含量如下BN18.0～25.0％，SiO24.0～8.0％，Al余量；所述NiAlW合金粉末作为底层材料，其成分与质量百分比含量如下Al20.0～24.0％，Cr1.5～4.0％，W≤2.0％，Co0.2～1.2％，Mo0.2～1.2％，Ti0.2～1.0％，Ni余量。本发明所述涂层起中低温封严作用，设计点温度为400℃左右。本发明填补了技术空白，具有明显较好的技术效果。
文档编号C23C4/12GK101921979SQ20091001193
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月10日 优先权日2009年6月10日
发明者任大为, 史凤岭, 张鹏, 方波, 李汉运, 杨树林, 魏明霞 申请人:沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司