一种燃气轮机叶片叶尖防护涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及金属材料表面沉积防护涂层技术领域，具体涉及一种燃气轮机叶片叶尖防护涂层及其制备方法和应用。采用电镀工艺与气相沉积技术相结合的工艺，在转子叶片叶尖制备出防护涂层。首先利用电弧离子镀在基体上沉积一层NiCrAlYSi粘结层，然后通过复合电镀法均匀在粘结层上固定一层硬质颗粒，电镀加固后通过气相渗铝的工艺方法生长外延层包裹硬质颗粒；燃气轮机叶片叶尖防护涂层包括连接基体的NiCrAlYSi粘结层、覆盖在粘结层上面的铝化物外延层和均匀镶嵌在外延层中的cBN硬质颗粒。该防护涂层呈现优异的耐磨性能、膜‑基结合强度和高温抗氧化等性能，可显著改善燃气涡轮发动机的封严性能，对于耐磨封严涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种燃气轮机叶片叶尖防护涂层及其制备方法和应用
：本专利技术涉及金属材料表面沉积防护涂层
，具体涉及一种燃气轮机叶片叶尖防护涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
：随着燃气涡轮发动机的推力、推重比的提高，发动机的进口温度和燃气压力逐渐增加，燃油效率的要求逐渐增高，这就需要发动机拥有良好的气路封闭性能，以此保证燃油的最大利用率。通常，在燃气涡轮发动机运行期间，期望在转子叶片的尖端和相应的密封件之间保持最小间隙，以减少气体的径向流失。数据显示，当两者间隙增加125μm，发动机油耗将增加0.5％；当叶尖间隙降低0.0254mm，出口处燃气温度将会下降1℃。但是，当间隙过小时，转子部件和静子部件将会接触，进而产生刮擦，轻则磨损叶片、降低效率，重则损坏叶片。目前，较为常用的手段是在机匣部位喷涂可磨耗封严涂层，发动机工作时，叶尖将切入可磨耗封严涂层中，以减小叶片和机匣间的间隙。由于燃气轮机叶片在高温下需要承受的应力和温度均较高，而且应力和温度的变化比较剧烈和频繁，与此同时，还存在着磨损和腐蚀的问题，尤其叶尖部分的服役环境更加恶劣，导致叶片尤其是叶尖发生磨损与氧化腐蚀等多种形式的失效，致使其使用寿命大幅缩减，在叶尖施加一层防护涂层是在高温腐蚀和磨损的环境下防止叶尖损伤的有效途径之一。因此，在高速旋转的叶片和机匣部件之间建立封严涂层体系是实现提高叶片使用寿命、提高发动机效率、降低油耗和减少成本这一目标的主要措施。目前，国内外对于可磨耗封严涂层进行深入的研究，并且成果显著，但是对于叶尖部位的防护涂层报道较少。尤其国内对于发动机叶尖涂层的研究起步较晚，相应的研究成果和技术工艺尚不成熟，如：涂层的结构设计、制备工艺、性能测试等。
技术实现思路
在燃气轮机叶片叶尖制备封严防护涂层是增强叶片使用寿命、提高发动机效率、降低油耗和减少成本的有效途径。本专利技术的目的在于提供一种燃气轮机叶片叶尖防护涂层及其制备方法和应用，使用电镀和气相沉积技术相结合的方法制备出燃气轮机叶片叶尖防护涂层，以提高叶片使用寿命、提高发动机效率、降低油耗和减少成本。本专利技术的技术方案是：一种燃气轮机叶片叶尖防护涂层，首先利用电弧离子镀在基体上沉积一层NiCrAlYSi粘结层，然后通过复合电镀法均匀在粘结层上固定一层硬质颗粒，电镀加固后通过气相渗铝的工艺方法生长外延层包裹硬质颗粒；燃气轮机叶片叶尖防护涂层包括连接基体的NiCrAlYSi粘结层、覆盖在粘结层上面的铝化物外延层和均匀镶嵌在外延层中的cBN硬质颗粒。所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层，基体为镍基高温合金。所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层，NiCrAlYSi粘结层包括：17～20wt.％Cr，8～10wt.％Al，0.1～1wt％Y，0.1～1wt％Si，余量为Ni；cBN硬质颗粒粒径范围为80～150μm；铝化物外延层包括：1～7wt.％Cr，28～35wt.％Al，余量为Ni。所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层，防护涂层在900℃以下的温度区间具有较好的抗氧化性能。所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层，防护涂层的结合力采用拉伸试验的方法进行测试，镀层的结合力范围为45～55MPa。所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层，防护涂层在常温下的摩擦系数为0.4～0.5，磨损率低，耐磨性能优异。所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层的制备方法，该方法具体包括如下步骤：(1)基体预处理过程：沉积前需对高温合金基体进行预处理，具体为：分别用240#、400#、600#、800#砂纸对基体进行打磨，然后对基体表面进行喷砂处理，而后先用丙酮超声清洗10～20min，再用酒精漂洗后烘干；(2)采用电弧离子镀技术制备NiCrAlYSi粘结层：在预处理后的样品上沉积NiCrAlYSi粘结层，沉积时间为5～8h，粘结层厚度为30～40μm，所用NiCrAlYSi靶材的成分为：Cr18.11wt.％，Al11.5wt.％，Si0.9wt.％，Y0.6wt.％，余量为Ni；沉积工艺参数为：弧电压18～20V，弧电流50～60A，直流脉冲负偏压230～250V，占空比50％，氩气分压(3.0～3.3)×101Pa；(3)采用复合电镀技术固定cBN硬质颗粒，工艺参数为：将镀有粘结层的样品放入18～22vol％的盐酸中活化30～60s，拿出蒸馏水冲洗后放入瓦特液中预镀一层1～5μm的Ni活化层，电流密度0.5～1A/dm2，时间3～5min；然后在试样表面均匀布一层cBN硬质颗粒，放入瓦特液中进行复合电镀，电镀槽温度35～50℃，电流密度为0.5～2A/dm2，时间0.1～1h；待指定时间后拿出试样，拂去表层未被固定的cBN硬质颗粒，然后将样品放入瓦特液中加固，电镀槽温度35～50℃，电流密度为0.5～2A/dm2，时间2～5h，样品为阴极，阳极为纯镍板；(4)外延层制备：将80～100g的Fe-34wt.％Al粉与0.1～1g氟化铝混合均匀并装入干净坩埚中，同时将试样悬挂于渗剂上方的坩埚内，然后用坩埚盖密封；将密封的坩埚放入化学气相渗炉内，关闭炉腔；采用机械泵抽真空至100Pa以下，然后向炉腔内充入Ar至大气压后，再开启机械泵抽至100Pa以下后，再次向炉腔内充Ar至0.1atm；随后开启加热部分，以8～10℃/min升温速率升至1050～1080℃并保温4～6h，随炉冷却。所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层的制备方法，步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)中，根据所需涂层厚度设定沉积时间。所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层的制备方法，步骤(3)中，瓦特液的组成为：硫酸镍240～250g/L，氯化镍35～50g/L，硼酸35～40g/L，糖精钠0.4～0.6g/L，十二烷基硫酸钠0.1～0.2g/L，余量为水。所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层的应用，燃气轮机叶片叶尖防护涂层应用于燃气轮机叶片叶尖的表面防护，并且用于改善燃气涡轮发动机的封严性能。本专利技术具有以下优点及有益效果：1.本专利技术所制备的燃气轮机叶片叶尖防护涂层，涂层与基体的结合良好，具有优异的耐磨性能，在900℃以下的温度区间具有较好的抗氧化性能。2.本专利技术通过调节电镀层的厚度和渗铝时间，可控制粘结层和外延层的化学成分和厚度比，调控立方氮化硼(cBN)硬质颗粒裸露与包覆部位的比例来达到不同的摩擦、抗氧化等性能。3.本专利技术所涉及的燃气轮机叶片叶尖防护涂层可应用于航空发动机叶片叶尖的表面防护，并能有效延长其使用寿命、提高发动机效率、降低油耗和减少成本。4.本专利技术所涉及的这种防护涂层被成功合成，可显著改善燃气涡轮发动机的封严性能，对于耐磨封严涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。附图说明：图1(a)-图1(b)为燃气轮机叶片叶尖防护涂层渗铝前后的结构示意图。其中，图1(a)为渗铝前，图1(b)为渗铝后。图2(a)-图2(b)为燃气轮机叶片叶尖防护涂层的表面、截面形貌图。其中，图2(a)为表面，图2(b)为截面。图3为燃气轮机叶片叶尖防护涂层的X射线衍射图谱。图中，横坐标2θ代表衍射角(°)，纵坐标Intensity代表强度(a.u.)。图4为燃气轮机叶片叶尖防护涂层截面主要元素分布情况图。图中，横坐标DistancefromSurface代表至表面距离(μm)，纵坐标Concentration代表元素含量(wt.％)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃气轮机叶片叶尖防护涂层，其特征在于，首先利用电弧离子镀在基体上沉积一层NiCrAlYSi粘结层，然后通过复合电镀法均匀在粘结层上固定一层硬质颗粒，电镀加固后通过气相渗铝的工艺方法生长外延层包裹硬质颗粒；燃气轮机叶片叶尖防护涂层包括连接基体的NiCrAlYSi粘结层、覆盖在粘结层上面的铝化物外延层和均匀镶嵌在外延层中的cBN硬质颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种燃气轮机叶片叶尖防护涂层，其特征在于，首先利用电弧离子镀在基体上沉积一层NiCrAlYSi粘结层，然后通过复合电镀法均匀在粘结层上固定一层硬质颗粒，电镀加固后通过气相渗铝的工艺方法生长外延层包裹硬质颗粒；燃气轮机叶片叶尖防护涂层包括连接基体的NiCrAlYSi粘结层、覆盖在粘结层上面的铝化物外延层和均匀镶嵌在外延层中的cBN硬质颗粒。2.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层，其特征在于，基体为镍基高温合金。3.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层，其特征在于，NiCrAlYSi粘结层包括：17～20wt.％Cr，8～10wt.％Al，0.1～1wt％Y，0.1～1wt％Si，余量为Ni；cBN硬质颗粒粒径范围为80～150μm；铝化物外延层包括：1～7wt.％Cr，28～35wt.％Al，余量为Ni。4.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层，其特征在于，防护涂层在900℃以下的温度区间具有较好的抗氧化性能。5.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层，其特征在于，防护涂层的结合力采用拉伸试验的方法进行测试，镀层的结合力范围为45～55MPa。6.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层，其特征在于，防护涂层在常温下的摩擦系数为0.4～0.5，磨损率低，耐磨性能优异。7.一种权利要求1至6之一所述的燃气轮机叶片叶尖防护涂层的制备方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：(1)基体预处理过程：沉积前需对高温合金基体进行预处理，具体为：分别用240#、400#、600#、800#砂纸对基体进行打磨，然后对基体表面进行喷砂处理，而后先用丙酮超声清洗10～20min，再用酒精漂洗后烘干；(2)采用电弧离子镀技术制备NiCrAlYSi粘结层：在预处理后的样品上沉积NiCrAlYSi粘结层，沉积时间为5～8h，粘结层厚度为30～40μm，所用NiCrAlYSi靶材的成分为：Cr18.11wt.％，Al11.5wt.％，Si0.9wt.％，Y0.6w...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙超，刘燚栋，刘溅洪，裴志亮，宫骏，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21