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CN108118278A - 一种用于ic10合金低导叶片热障涂层制备方法 - Google Patents

一种用于ic10合金低导叶片热障涂层制备方法 Download PDF

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张佳平
李浩宇
宋佳
王璐
李晓罡
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Abstract

本发明属于航空发动机热障涂层技术领域，特别是涉及一种用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法。基体材料为IC10定向凝固高温合金，用于IC10合金低导叶片热障涂层的制备工艺流程为：来件检查→喷涂前准备→确定喷涂工艺参数→清洗→吹砂前保护→吹砂→喷涂前保护→超音速喷涂NiCrAlYSi金属粘结底层→大气等离子喷涂纳米氧化锆面层→清理→终检→补喷与返修。本发明采用超音速喷涂NiCrAlYSi底层、大气等离子喷涂纳米氧化锆面层，从而提高涂层的抗高温氧化和隔热能力，实现某型航空发动机低压涡轮导向叶片表面热障涂层的制备，该涂层的制备能够有效地延长热端部件的使用寿命。

Description

一种用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法
技术领域
本发明属于航空发动机热障涂层技术领域，特别是涉及一种用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法。
背景技术
为了进一步提高定向凝固叶片的抗氧化、抗腐蚀性能，需要在叶片表面上涂覆高温抗氧化涂层。目前，在定向凝固合金表面上涂覆抗氧化涂层的常用制备方法为真空电弧镀工艺，不能满足航空发动机异性叶片的服役需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，采用超音速喷涂NiCrAlYSi底层、大气等离子喷涂纳米氧化锆面层，从而提高涂层的抗高温氧化和隔热能力，实现某型航空发动机低压涡轮导向叶片表面热障涂层的制备，该涂层的制备能够有效地延长热端部件的使用寿命。
本发明的技术方案是：
一种用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，基体材料为IC10定向凝固高温合金，用于IC10合金低导叶片热障涂层的制备工艺流程为：来件检查→喷涂前准备→确定喷涂工艺参数→清洗→吹砂前保护→吹砂→喷涂前保护→超音速喷涂NiCrAlYSi金属粘结底层→大气等离子喷涂纳米氧化锆面层→清理→终检→补喷与返修。
所述的用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，NiCrAlYSi金属粘结底层厚度为0.07～0.15mm，喷涂用粉末粒度为325目；氧化锆面层厚度为0.15～0.25mm，喷涂用粉末粒度范围为170～400目。
所述的用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，包括如下步骤：
步骤1：对零部件表面进行除油处理，采用丙酮或汽油擦拭零件喷涂区域，去除油污和杂物；
步骤2：采用压敏胶带对非喷涂区域进行吹砂前保护；
步骤3：对零件进行表面粗化处理，采用压入式吹砂机，30～90目白刚玉砂对待喷涂区域进行处理，气体压力为0.1～0.5MPa；
步骤4：对零件需喷涂区域进行超音速喷涂NiCrAlYSi金属粘结底层，具体工艺参数为：氧气流量400～1000SCFH，电流700～900A，煤油流量3.0～10.0GPH，送粉器压力1～5bar，送粉速率30～50g/min，喷涂距离200～400mm；
步骤5：对零件需喷涂区域进行等离子喷涂纳米氧化锆面层，具体工艺参数为：氢气10～30SCFH，电流800～1200A，氩气流量80～120SCFH，送粉器压力1～5bar，送粉速率30～50g/min，喷涂距离80～120mm；
步骤6：喷涂结束后，去除非喷涂区域的保护胶带，清理零件表面的污染物。
所述的用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，按重量百分比计，NiCrAlYSi金属粘结底层的名义组分为：Al 6～10，Cr 20～25，Y 0.2～1.2，Si 0.5～1.5，Ni余量。
所述的用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，纳米氧化锆YSZ面层的组分为：7～8wt％Y2O3部分稳定的ZrO2。
本发明的设计思想是：
本发明根据定向凝固高温合金组织和结构特点，优化热障涂层制备的吹砂预处理和涂层喷涂工艺参数，以避免定向凝固镍基高温合金表面再结晶等缺陷问题的出现。针对设计的新型热障涂层体系，开展超音速喷涂MCrAlYSi金属粘结涂层和等离子喷涂氧化锆面层的工艺稳定性研究，不同基体金属与底层、底层与面层匹配性技术研究，实际叶片涂层厚度均匀性控制等技术研究。本发明采用超音速喷涂工艺替代现有涂镀工艺，满足异性件使用需求；同时建立新型涂层结构体系，使定向凝固叶片在具备高温抗氧化性能的同时，具有高温防护作用，延长叶片服役寿命。
本发明的优点及有益效果是：
1、采用超音速喷涂工艺方法在IC10合金基体材料低压涡轮导向叶片上制备的热障涂层具有良好的抗腐蚀性、隔热性，有助于提升涡轮导向叶片的服役寿命；同时该喷涂工艺方法简单可行、生产效率高、适合批量生产，可以广泛推广应用于其他Ni3Al基合金零件的热障涂层制备，应用前景广阔，具有显著经济效益。
2、作为高推重比航空发动机涡轮叶片用高温合金材料的单独使用已难以满足发动机高速发展的需求，为了提高叶片合金高温防护性能，本发明采用耐高温、高隔热的陶瓷材料以涂层的方式与合金基体相结合，降低合金表面的工作温度、提升抗高温氧化腐蚀性能。
3、本发明研究的热障涂层由抗氧化性能良好的金属粘接底层NiCrAlYSi和导热系数低的陶瓷面层(7～8wt％Y2O3部分稳定的ZrO2，YSZ)组成。针对涡轮叶片多联体结构，本发明采用超音速喷涂工艺进行NiCrAlYSi底层制备，采用等离子喷涂工艺进行纳米氧化锆面层制备，提高叶片的抗腐蚀能力，有效地延长热端部件的使用寿命。
4、本发明已对发动机定向凝固合金叶片进行了涂层涂镀生产试验，确定最佳喷涂工艺参数，涂层抗热循环、热震性能和抗燃气热腐蚀性能得到明显改善，同时涂层对合金的拉伸性能、旋转弯曲疲劳性能以及高温持久性能没有明显的不利影响，可以满足低压涡轮叶片的技术指标要求。
5、本发明采用超音速喷涂NiCrAlYSi底层及等离子喷涂纳米氧化锆面层的方法在某型航空发动机定向凝固合金低压涡轮导向叶片上制备热障涂层，涂层性能可靠，喷涂工艺简单、实用、高效，适合批量生产。本发明可以广泛应用于航空发动机、燃气轮机的定向凝固合金多联体涡轮导向叶片表面热障涂层的制备，市场应用前景广阔。
附图说明
图1为热障涂层典型金相照片；图中，a:NiCrAlYSi底层；b:界面形貌。
图2为热障涂层显微组织形貌(200倍)。用于IC10合金低导叶片热障涂层
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明设计的热障涂层体系应用于某航空发动机低压涡轮导向叶片，基体材料为IC10定向凝固高温合金。用于IC10合金低导叶片热障涂层的制备工艺流程为：来件检查→喷涂前准备→确定喷涂工艺参数→清洗→吹砂前保护→吹砂→喷涂前保护→喷涂底层→喷涂面层→清理→终检→补喷与返修。如图1-图2所示，NiCrAlYSi金属粘结底层厚度为0.07～0.15mm，喷涂用粉末粒度范围为325目(45μm)；氧化锆面层厚度为0.15～0.25mm，喷涂用粉末粒度范围为170～400目(38～90μm)。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1：零件合金牌号为IC10合金
本实施例中，用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，具体步骤如下：
步骤1：对零部件表面进行除油处理，采用丙酮或汽油擦拭零件喷涂区域，去除油污和杂物；
步骤2：采用压敏胶带对非喷涂区域进行吹砂前保护；
步骤3：对零件进行表面粗化处理，采用压入式吹砂机，40目白刚玉砂对待喷涂区域进行处理，气体压力为0.2MPa；
步骤4：对零件需喷涂区域进行超音速喷涂NiCrAlYSi底层(底层名义成分为Ni-20Cr-10Al-0.8Y-1.2Si)，具体工艺参数为：氧气流量825SCFH，电流800A，煤油流量6.4GPH，送粉器压力3.5bar，送粉速率40g/min，喷涂距离350mm；
步骤5：对零件需喷涂区域进行等离子喷涂纳米氧化锆面层(7～8wt％Y2O3部分稳定的ZrO2，YSZ)，具体工艺参数为：氢气26SCFH，电流1000A，氩气流量90SCFH，送粉器压力3bar，送粉速率40g/min，喷涂距离95mm；
步骤6：喷涂结束后，去除非喷涂区域的保护胶带，清理零件表面的污染物。
实施例2：零件合金牌号为IC10合金
本实施例中，用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，具体步骤如下：
步骤1：对零部件表面进行除油处理，采用丙酮或汽油擦拭零件喷涂区域，去除油污和杂物；
步骤2：采用压敏胶带对非喷涂区域进行吹砂前保护；
步骤3：对零件进行表面粗化处理，采用压入式吹砂机，60目白刚玉砂对待喷涂区域进行处理，气体压力为0.3MPa；
步骤4：对零件需喷涂区域进行超音速喷涂NiCrAlYSi底层(底层名义成分为Ni-20Cr-10Al-0.8Y-1.2Si)，具体工艺参数为：氧气流量450SCFH，电流750A，煤油流量3.3GPH，送粉器压力2bar，送粉速率25g/min，喷涂距离300mm；
步骤5：对零件需喷涂区域进行等离子喷涂纳米氧化锆面层(7～8wt％Y2O3部分稳定的ZrO2，YSZ)，具体工艺参数为：氢气18SCFH，电流900A，氩气流量100SCFH，送粉器压力3bar，送粉速率40g/min，喷涂距离95mm；
步骤6：喷涂结束后，去除非喷涂区域的保护胶带，清理零件表面的污染物。
如图1-图2所示，实施例结果表明，本发明采用超音速喷涂NiCrAlYSi底层及等离子喷涂纳米氧化锆面层涂层体系及各自对应的喷涂工艺技术，所设计的热障涂层体系是一项新工艺技术。涂层的性能优异、质量可靠稳定，不仅可以在军用航空发动机上使用，且可以推广至民用燃气轮机等涡轮叶片上，其使用寿命长，有着显著的社会效益。

Claims (5)

1.一种用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，其特征在于，基体材料为IC10定向凝固高温合金，用于IC10合金低导叶片热障涂层的制备工艺流程为：来件检查→喷涂前准备→确定喷涂工艺参数→清洗→吹砂前保护→吹砂→喷涂前保护→超音速喷涂NiCrAlYSi金属粘结底层→大气等离子喷涂纳米氧化锆面层→清理→终检→补喷与返修。
2.按照权利要求1所述的用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，其特征在于，NiCrAlYSi金属粘结底层厚度为0.07～0.15mm，喷涂用粉末粒度为325目；氧化锆面层厚度为0.15～0.25mm，喷涂用粉末粒度范围为170～400目。
3.按照权利要求1所述的用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对零部件表面进行除油处理，采用丙酮或汽油擦拭零件喷涂区域，去除油污和杂物；
步骤2：采用压敏胶带对非喷涂区域进行吹砂前保护；
步骤3：对零件进行表面粗化处理，采用压入式吹砂机，30～90目白刚玉砂对待喷涂区域进行处理，气体压力为0.1～0.5MPa；
步骤4：对零件需喷涂区域进行超音速喷涂NiCrAlYSi金属粘结底层，具体工艺参数为：氧气流量400～1000SCFH，电流700～900A，煤油流量3.0～10.0GPH，送粉器压力1～5bar，送粉速率30～50g/min，喷涂距离200～400mm；
步骤5：对零件需喷涂区域进行等离子喷涂纳米氧化锆面层，具体工艺参数为：氢气10～30SCFH，电流800～1200A，氩气流量80～120SCFH，送粉器压力1～5bar，送粉速率30～50g/min，喷涂距离80～120mm；
步骤6：喷涂结束后，去除非喷涂区域的保护胶带，清理零件表面的污染物。
4.按照权利要求1或3所述的用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，其特征在于，按重量百分比计，NiCrAlYSi金属粘结底层的名义组分为：Al 6～10，Cr 20～25，Y 0.2～1.2，Si 0.5～1.5，Ni余量。
5.按照权利要求1或3所述的用于IC10合金低导叶片热障涂层制备方法，其特征在于，纳米氧化锆YSZ面层的组分为：7～8wt％Y2O3部分稳定的ZrO2。
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