本发明涉及材料表面改性和涂层技术领域，具体涉及一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层及其制备方法。
背景技术：
为提高航空发动机的效率、降低油耗，应尽量减少压气机、涡轮叶尖与机匣之间的间隙。然而在叶片使用中，由于热变形及振动将造成零件整体位移、发动机转子的高速旋转将引起叶片伸长、零件加工过程需保留一定的公差和装配偏差等原因，叶片与机匣之间必须预留一定的间隙。因此，可使用封严涂层体系来减小间隙，即在机匣内壁等静子部件涂覆一层可磨耗封严涂层，在转子叶片叶尖部位制备一层耐磨封严涂层。经过数十年发展，国内外已经形成了较完备的可磨耗封严涂层材料体系。
叶尖耐磨涂层常采用金属基陶瓷复合材料，陶瓷颗粒通过合金粘结相固定在叶尖端面，从而提高叶尖的硬度及耐磨性。目前，叶尖耐磨涂层的常用制备方法为激光熔覆技术和电镀方法，用两种方法制备出的叶尖涂层都具有良好的耐磨性。由于钛合金或镍基高温合金的叶尖表面均有一层氧化膜，在制备叶尖涂层的过程中，氧化膜会以杂质的形式存在于涂层与叶尖界面处，导致涂层与叶尖端面之间的结合强度降低，降低涂层的使用寿命；涂层在与机匣内壁的涂层发生相对碰摩时发生剥落，无法起到保护叶尖的作用。因此，通过改进叶尖涂层的制备方法或对其进行结构设计，来减小或消除氧化物夹杂对涂层性能的影响至关重要。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层及其制备方法，以解决叶尖表面氧化层降低涂层与叶尖结合强度的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将钎剂溶液均匀涂覆在表面洁净的叶尖端面，从而在叶尖端面处形成一层连续致密的钎剂薄膜；
步骤2、在覆有钎剂薄膜的叶尖端面上制备粘结合金层；
步骤3、在粘结合金层表面均匀分散地撒布单层硬质陶瓷颗粒，加热使粘结合金层熔化，在叶尖端面表面形成一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层。
进一步地，所述步骤1中，以质量百分比计，钎剂的成分为65％-80％硼酸、15％-30％四硼酸钠及低于5％金属氟化物，钎剂的熔点为粘结合金层熔点的0.7-0.95倍。
进一步地，所述步骤1中，钎剂溶液的浓度为0.1mol/l-0.3mol/l，钎剂溶液的具体涂覆方式为：用喷雾将钎剂溶液喷至500k-600k的叶尖端面，喷雾速率为0.2ml/min-2ml/min。
进一步地，所述步骤1中，钎剂薄膜的厚度为0.1μm-1μm。
进一步地，所述步骤2中，以质量百分比计，粘结合金层为镍含量大于53.0％、铬含量6-28％粉末状的镍基合金。
进一步地，所述步骤2中，粘结合金层的制备方法为真空等离子喷涂法，喷涂功率为20-55kw，喷涂距离为100-400mm，喷涂厚度为硬质颗粒平均粒径的0.3-0.8倍。
进一步地，所述步骤3中，硬质陶瓷颗粒为立方氮化硼颗粒或金刚石颗粒，硬质陶瓷颗粒平均粒径为50-350μm。
进一步地，所述步骤3中，加热方式为感应加热，感应电流为20-65a，加热时间为2-15s；加热温度为粘结合金熔点的1.05-1.2倍，且低于叶尖端面的熔点。
更进一步地，加热温度与叶尖端面熔点的温差大于叶尖端面的熔点与粘粘合金熔点温差的0.5倍。
一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层，叶尖切削涂层的硬度为340-430hv0.2，叶尖切削涂层与叶尖的结合强度为54-62mpa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本申请公开了一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层的制备方法，在制备粘结合金层之前，在叶尖端面预置一层钎剂，钎剂可以破除叶尖端面表面氧化膜，消除粘结相与叶尖端面之间的氧化夹杂物，提高叶尖端面与粘结合金层的结合强度。采用本申请方法制备的叶尖切削涂层，粘结合金层与叶尖处氧化膜夹杂少，叶尖切削涂层与叶尖牢固结合。
进一步地，本申请中钎剂主要由65％-80％硼酸、15％-30％四硼酸钠及低于5％金属氟化物组成。由于硼酸和四硼酸钠在加热时分解，可形成硼酐和偏硼酸钠，硼酐可与氧化物形成硼酸盐，偏硼酸钠和硼酸盐之间形成熔点更低的复合化合物，从而可以起到破除叶尖端面表面氧化膜的作用，消除粘结合金层与叶尖端面之间的氧化夹杂物，提高叶尖涂层的结合强度。此外，在硼化物中加入碱金属和碱土金属的氟化物，可以改善硼砂、硼酸钎剂的润湿能力，提高去除氧化物的能力，以及降低钎剂的熔化温度及活性温度。
进一步地，本申请中采用等离子喷涂技术制备粘结合金层，通过调整喷涂工艺和喷涂参数可调整粘结合金层的厚度，本申请中粘结合金层的厚度为硬质陶瓷颗粒平均粒径的0.3-0.8倍，使硬质陶瓷颗粒棱角尖锐暴露，突出于粘结合金层表面的陶瓷颗粒的超强硬度和不规则边角对机匣封严涂层起到刮削作用，能清除磨削，减缓粘性磨损。
采用本申请方法制备的叶尖切削涂层，粘结合金层与叶尖界面处氧化膜夹杂少，涂层与叶尖端面结合牢固，具有很好的耐磨性。叶尖切削涂层的硬度为340-430hv0.2，叶尖切削涂层与叶尖的结合强度在54-62mpa之间。
具体实施方式
实施例1
一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层包含粘结合金层和硬质颗粒切削层。粘结合金层采用ni71crsi粉末，平均粒径为20μm，熔点为1408k。硬质颗粒选用立方氮化硼颗粒，平均粒径为50μm。该涂层的具体制备方案如下：
基体预处理：选用钛合金tc11材质的叶片基体，钛合金tc11的熔点为1933k，先用水砂纸对叶尖端面进行打磨，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
制备钎剂薄膜：所述的钎剂采用水溶性的硬钎剂，其成分的质量百分比为含硼酸65％、含四硼酸钠30％及5％金属氟化物，钎剂的熔点为986k。将1.2g的钎剂溶于100g水溶剂中并混合均匀制成钎剂溶液，钎剂溶液浓度为0.1mol/l。用喷雾将钎剂溶液喷至预热的叶尖端面，喷雾速率为0.2ml/min，随后将其放置于30000pa的环境中抽气干燥，促使溶剂快速蒸发，形成连续致密的0.1μm的超薄钎剂薄膜。
制备粘结合金层：采用真空等离子喷涂技术在涂有钎剂的叶尖端面制备厚度为40μm的ni71crsi粘结合金层。喷涂工艺参数为：功率为20kw，送粉速度15g/min。
制备耐磨切削涂层：在粘结合金层表面均匀分散地撒布单层立方氮化硼颗粒，采用感应线圈加热，使得ni71crsi粘结合金层重新熔化，将立方氮化硼颗粒紧紧包裹并与叶尖端面之间形成良好结合。感应加热工艺参数为：加热温度为1478k，电流20a，加热时间15s，加热距离3mm。
按照此方法得到的涂层室温硬度为340-380hv0.2，涂层与叶尖结合强度在54-60mpa之间。
实施例2
一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层包含粘结合金层和硬质颗粒切削层。粘结合金层采用ni82crsibfe粉末，平均粒径为20μm，熔点为1223k。硬质颗粒选用立方氮化硼颗粒，平均粒径为80μm。该涂层的具体制备方案如下：
基体预处理：选用钛合金tc11材质的叶片基体，钛合金tc11的熔点为1933k。先用水砂纸对叶尖端面进行打磨，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
制备钎剂薄膜：所述的钎剂采用水溶性的硬钎剂，其成分的质量百分比为含硼酸70％、含四硼酸钠26％及4％金属氟化物，钎剂的熔点为979k。将0.8g的钎剂溶于98g酒精溶剂中并混合均匀制成0.2mol/l的钎剂溶液，选用低浓度喷雾将钎剂溶液喷至预热的叶尖端面，喷雾速率为0.5ml/min，随后将其放置于压力为10000pa的环境中抽气干燥，促使溶剂快速蒸发，形成连续致密的0.3μm的超薄钎剂薄膜。
制备粘结合金层：采用真空等离子喷涂法在涂有钎剂的叶尖端面制备厚度为60μm的ni82crsibfe粘结合金层。喷涂工艺参数为：功率为25kw，送粉速度16g/min。
制备耐磨切削涂层：在粘结合金层表面均匀分散地撒布单层立方氮化硼颗粒，采用感应线圈加热，使得ni82crsibfe粘结合金层重新熔化，将立方氮化硼颗粒紧紧包裹并与叶尖端面之间形成良好结合。感应加热工艺参数为：加热温度为1284k，电流30a，加热时间10s，加热距离3mm。
按照此方法得到的涂层室温硬度为350-390hv0.2，涂层与叶尖结合强度在55-60mpa之间。
实施例3
一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层包含粘结合金层和硬质颗粒切削层。粘结合金层采用ni71crsi粉末，平均粒径为30μm，熔点为1408k。硬质颗粒选用立方氮化硼颗粒，平均粒径为120μm。该涂层的具体制备方案如下：
基体预处理：选用钛合金tc11材质的叶片基体，钛合金tc11的熔点为1933k，先用水砂纸对叶尖端面基体进行打磨，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
制备钎剂薄膜：所述的钎剂采用水溶性的硬钎剂，其成分的质量百分比为含硼酸80％、含四硼酸钠15％及5％金属氟化物。将1.1g的钎剂溶于100g水溶剂中并混合均匀制成0.3mol/l的钎剂溶液。选用低浓度喷雾将钎剂溶液喷至预热的叶尖端面，喷雾速率为0.5ml/min，随后将其放置于压力为8000pa的环境中抽气干燥，，促使溶剂快速蒸发，形成连续致密的0.8μm的超薄钎剂薄膜。
制备粘结合金层：采用真空等离子喷涂技术在涂有钎剂的叶尖端面制备厚度为100μm的ni71crsi粘结合金层。喷涂工艺参数为：功率为30kw，送粉速度15g/min。
制备耐磨切削涂层：在粘结合金层表面均匀分散地撒布单层立方氮化硼颗粒，采用感应线圈加热，使得ni71crsi粘结合金层重新熔化，将立方氮化硼颗粒紧紧包裹并与叶尖端面之间形成良好结合。感应加热工艺参数为：加热温度为1478k，电流40a，加热时间8s，加热距离3mm。
按照此方法得到的涂层室温硬度为360-410hv0.2，涂层与叶尖结合强度在56-62mpa之间。
实施例4
一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层包含粘结合金层和硬质颗粒切削层。粘结合金层采用ni82crsibfe粉末，平均粒径为30μm，熔点为1223k。硬质颗粒选用金刚石颗粒，平均粒径为150μm。该涂层的具体制备方案如下：
基体预处理：选用镍基高温合金gh4037材质的叶片基体，镍基高温合金gh4037的熔点为1619k，先用水砂纸对叶尖端面进行打磨，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
制备钎剂薄膜：所述的钎剂采用水溶性的硬钎剂，其成分的质量百分比为含硼酸80％、含四硼酸钠15％及5％金属氟化物。将0.9g的钎剂溶于95g酒精溶剂中并混合均匀制成0.1mol/l钎剂溶液。选用低浓度喷雾将钎剂溶液喷至预热的叶尖端面，喷雾速率为1ml/min，随后将其放置于压力为5000pa的环境中抽气干燥，，促使溶剂快速蒸发，形成连续致密的0.5μm的超薄钎剂薄膜。
制备粘结合金层：采用真空等离子喷涂技术在涂有钎剂的叶尖端面制备厚度为120μm的ni82crsibfe粘结合金层。喷涂工艺参数为：功率为35kw，送粉速度18g/min。
制备耐磨切削涂层：在粘结合金层表面均匀分散地撒布单层金刚石颗粒，采用感应线圈加热，使得ni82crsibfe粘结合金层重新熔化，将金刚石颗粒紧紧包裹并与叶尖端面之间形成良好结合。感应加热工艺参数为：加热温度为1468k，电流50a，加热时间5s，加热距离3mm。
按照此方法得到的涂层室温硬度为380-420hv0.2，涂层与叶尖结合强度在56-61mpa之间。
实施例5
一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层包含粘结合金层和硬质颗粒切削层。粘结合金层采用ni71crsi粉末，平均粒径为40μm，熔点为1408k。硬质颗粒选用立方氮化硼颗粒，平均粒径为200μm。该涂层的具体制备方案如下：
基体预处理：选用钛合金tc11材质的叶片基体，钛合金tc11的熔点为1933k，先用水砂纸对叶尖端面进行打磨，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
制备钎剂薄膜：钎剂采用水溶性的硬钎剂，其成分的质量百分比为含硼酸70％、含四硼酸钠27％及3％金属氟化物。将1g的钎剂溶于100g水溶剂中并混合均匀制成0.15mol/l钎剂溶液。.选用低浓度喷雾将钎剂溶液喷至预热的叶尖端面，喷雾速率为1.2ml/min，随后将其放置于压力为500pa的环境中抽气干燥，促使溶剂快速蒸发，形成连续致密的0.9μm的超薄钎剂薄膜。
制备粘结合金层：采用真空等离子喷涂技术在涂有钎剂的叶尖端面制备厚度为80μm的ni71crsi粘结合金层。喷涂工艺参数为：功率为39kw，送粉速度15g/min。
制备耐磨切削涂层：在粘结合金层表面均匀分散地撒布单层立方氮化硼颗粒，采用感应线圈加热，使得ni71crsi粘结合金层重新熔化，将立方氮化硼颗粒紧紧包裹并与叶尖端面之间形成良好结合。感应加热工艺参数为：加热温度为1549k，电流55a，加热时间4s，加热距离3mm。
按照此方法得到的涂层室温硬度为350-400hv0.2，涂层与叶尖结合强度在55-60mpa之间。
实施例6
一种可改善与叶尖结合强度的叶尖切削涂层包含粘结合金层和硬质颗粒切削层。粘结合金层采用ni82crsibfe粉末，平均粒径为40μm，熔点为1223k。硬质颗粒选用金刚石颗粒，平均粒径为350μm。该涂层的具体制备方案如下：
基体预处理：选用镍基高温合金gh4037材质的叶片基体，镍基高温合金gh4037的熔点为1619k，先用水砂纸对叶尖端面进行打磨，然后放入有机溶剂中进行超声波清洗，吹干放入干燥皿中。
制备钎剂薄膜：所述的钎剂采用水溶性的硬钎剂，其成分的质量百分比为含硼酸80％、含四硼酸钠15％及5％金属氟化物。将1.1g的钎剂溶于98g酒精溶剂中并混合均匀制成0.2mol/l钎剂溶液。选用低浓度喷雾将钎剂溶液喷至预热的叶尖端面，喷雾速率为2ml/min，随后将其放置于压力为100pa的环境中抽气干燥，促使溶剂快速蒸发，形成连续致密的1μm的超薄钎剂薄膜。
制备粘结合金层：采用真空等离子喷涂技术在涂有钎剂的叶尖端面制备厚度为105μm的ni82crsibfe粘结合金层。喷涂工艺参数为：功率为52kw，送粉速度20g/min。
制备耐磨切削涂层：在粘结合金层表面均匀分散地撒布单层金刚石颗粒，采用感应线圈加热，使得ni82crsibfe粘结合金层重新熔化，将金刚石颗粒紧紧包裹并与叶尖之间形成良好结合。感应加热工艺参数为：加热温度为1284k，电流65a，加热时间2s，加热距离3mm。
按照此方法得到的涂层室温硬度为390-430hv0.2，涂层与叶尖结合强度在57-62mpa之间。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。