一种内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层及其制备方法，属于材料表面改性和涂层技术领域，本发明专利技术的涂层是由超硬陶瓷颗粒与粘结合金层构成；所述超硬陶瓷颗粒的一侧包裹镀层，另一侧裸露，超硬陶瓷颗粒包裹镀层的一侧嵌入至粘结合金层中，通过粘结合金层牢固结合于叶尖基体的端面上，形成外部棱角尖锐、内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层。涂层外棱角尖锐，可以用来快速切削可磨耗封严涂层，防止叶尖剧烈升温。通过在超硬陶瓷颗粒表面制备一层镀层，弥补超硬陶瓷颗粒与粘结相材料性质上的差异，可在不改变超硬陶瓷颗粒良好切削作用的条件下有效提高涂层结合强度。

【技术实现步骤摘要】
一种内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层及其制备方法
本专利技术属于材料表面改性和涂层
，具体涉及一种内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层及其制备方法。
技术介绍
航空发动机作为飞机动力装置，对飞机的性能有着决定性的影响。而叶片作为航空发动机结构中的核心零件，决定了发动机的工作效率、稳定性、可靠性与耐久性等重要性能，保障其工作效率及安全旋转具有重大意义。叶尖间隙对压气机和涡轮效率、发动机功率和油耗率有重要影响。通过间隙控制可以提高发动机的运行效率、降低油耗，同时保障其可靠性及稳定性。间隙过大会导致气体大量泄漏，降低发动机效率；而过小径向间隙会导致叶片和机匣出现碰摩，降低叶片和机匣寿命，严重时会造成发动机故障。因此，减小机匣与叶尖之间间隙的气路封严技术是提高发动机效率和降低能耗的关键技术之一。该技术需在机匣内壁制备一层可磨耗封严涂层，同时在叶尖制备超硬耐磨涂层保护叶尖。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，陶瓷颗粒通过粘结合金固定在叶尖端面，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。但由于超硬颗粒和粘结合金材料性质上的差异，制备出的超硬涂层结合强度不高，服役寿命短，难以达到航空发动机的使用要求。且航空发动机在运行过程中存在离心、喘振等因素，这些因素会导致发动机叶尖涂层与封严涂层碰摩过程中产生较大的力。叶尖涂层中超硬颗粒与粘结合金之间的结合强度过低时，较为严苛的碰摩条件会导致超硬颗粒脱落，使得涂层失效。
技术实现思路
为了解决现有技术中叶尖耐磨涂层中超硬颗粒与粘结相结合强度低的技术问题，本专利技术提出了一种内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层及其制备方法。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层，其特征在于，由超硬陶瓷颗粒与粘结合金层构成；所述超硬陶瓷颗粒的一侧包裹镀层，另一侧裸露，超硬陶瓷颗粒包裹镀层的一侧嵌入至粘结合金层中，通过粘结合金层牢固结合于叶尖基体的端面上，形成外部棱角尖锐、内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层；其中，超硬陶瓷颗粒包裹镀层一侧的高度大于其嵌入粘结合金层的深度。优选地，超硬陶瓷颗粒包裹镀层一侧的高度为超硬陶瓷颗粒自身高度的0.55-0.95倍，保证颗粒过半的牢固包裹固定并避免过度包覆的尖端覆盖；超硬陶瓷颗粒嵌入粘结合金层的深度为超硬陶瓷颗粒自身高度的0.5～0.9倍。优选地，超硬陶瓷颗粒为立方氮化硼颗粒或金刚石颗粒；硬质陶瓷颗粒的平均粒径为50～120μm时，满足切削性能需求；硬质陶瓷颗粒的平均粒径为121～350μm时，满足散热性能需求。优选地，超硬陶瓷颗粒表面的镀层为金属镍、金属钛或氮化钨薄膜。优选地，超硬陶瓷颗粒表面的镀层的厚度为0.1～1μm，满足刮擦效果。优选地，超硬陶瓷颗粒表面的镀层的厚度为2～5μm，满足结合性能需求。优选地，粘结合金层选择镍含量大于53.0％，铬含量为6％～28％的镍基合金；或者，选择钛含量大于37.5％，锆含量为18％～30％，铜含量为10％～20％，镍含量为5％～10％的钛基合金。优选地，按开尔文温度计算，粘结合金的熔点低于叶尖基体的熔点的0.9倍。本专利技术还公开了上述的内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备粘结合金层：在叶尖基体表面制备粘结合金层，粘结合金层厚度为超硬陶瓷颗粒平均粒径的0.4-0.8倍，满足颗粒与叶尖端面间的牢固结合并不会因过量粘结合金层而造成重量增加过多；之后然后用去离子水进行超声清洗并烘干备用；2)制备镀层：将超硬陶瓷颗粒均匀分布在表面涂有粘结剂的底板上，超硬陶瓷颗粒浸入底板后顶端高度的差别低于超硬陶瓷颗粒平均粒径的0.05-0.5倍；然后在底板的上方对超硬陶瓷颗粒裸露表面镀金属或者化合物，使得裸露的陶瓷颗粒表面的镀附率达到95％以上；其中，顶端高度差别指颗粒距离叶尖基体表面最远点的差别；3)加热重熔：将涂有粘结合金层的叶尖基体与粘结有单侧镀层的超硬陶瓷颗粒的底板对接在一起；然后通过加热使得粘结合金层重新熔化并且与包裹有镀层的超硬陶瓷颗粒形成冶金结合，去掉底板，即形成内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层。优选地，步骤1)中，在叶尖基体表面制备粘结合金层采用真空等离子喷涂法，喷涂功率为25～55kW，喷涂距离为100～400mm。优选地，步骤2)中，所用底板为耐高温不耐腐蚀的水溶性底板；粘结剂选用熔点超过粘结合金熔点1.2～2倍的无机盐溶液；且粘结剂以悬浮液的方式沉积于底板；其中，粘结剂与超硬陶瓷颗粒的结合强度为超硬陶瓷颗粒与粘结合金结合强度的0.1％～10％；优选地，在底板上方对超硬陶瓷颗粒裸露表面镀金属或者化合物采用磁控溅射镀法，真空度为1.5×10-4～5×10-4Pa，溅射功率为50～100W，溅射时间优选0.5～1min，镀液pH值为3～5，温度为40～65℃，阴极电流密度为1.0～2.5A/dm2。优选地，步骤3)中，将底板上镀有金属或者化合物的超硬陶瓷颗粒的一面朝上固定，涂有粘结合金层的叶尖基体朝下放置；优选地，加热温度为粘结合金熔点的1.05～1.3倍，且低于叶尖基体的熔点；加热方式采用感应加热，感应电流为20～65A，加热时间为2～15s，加热距离为2.5～8mm。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开的内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层，通过在超硬陶瓷颗粒表面制备一层镀层，弥补超硬陶瓷颗粒与粘结相材料性质上的差异，可在不改变超硬陶瓷颗粒良好切削作用的条件下有效提高涂层结合强度。然后将该超硬陶瓷颗粒离散分布并通过镀层和粘结合金层牢固结合在叶尖基体端面；超硬陶瓷颗粒嵌入粘结合金层的部分被镀层均匀包裹，形成的目标涂层的外部棱角尖锐、超硬陶瓷颗粒与粘结合金界面间润湿性良好，结合强度高。外部棱角尖锐保证了涂层具有良好的切削性能，镀层增强陶瓷颗粒与粘结合金之间润湿，提高抗磨和切削性能，超硬颗粒与粘结合金界面间润湿性良好，保证了涂层具有较高的结合强度，防止与机匣涂层发生剧烈碰摩而脱落。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层的结构图；其中：1.叶尖基体，2.粘结合金层，3.镀层，4.超硬陶瓷颗粒。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层，其特征在于，由超硬陶瓷颗粒(4)与粘结合金层(2)构成；所述超硬陶瓷颗粒(4)的一侧包裹镀层(3)，另一侧裸露，超硬陶瓷颗粒(4)包裹镀层(3)的一侧嵌入至粘结合金层(2)中，通过粘结合金层(2)牢固结合于叶尖基体(1)的端面上，形成外部棱角尖锐、内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层；/n其中，超硬陶瓷颗粒(4)包裹镀层(3)一侧的高度大于其嵌入粘结合金层(2)的深度。/n

【技术特征摘要】
1.一种内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层，其特征在于，由超硬陶瓷颗粒(4)与粘结合金层(2)构成；所述超硬陶瓷颗粒(4)的一侧包裹镀层(3)，另一侧裸露，超硬陶瓷颗粒(4)包裹镀层(3)的一侧嵌入至粘结合金层(2)中，通过粘结合金层(2)牢固结合于叶尖基体(1)的端面上，形成外部棱角尖锐、内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层；
其中，超硬陶瓷颗粒(4)包裹镀层(3)一侧的高度大于其嵌入粘结合金层(2)的深度。


2.根据权利要求1所述的内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层，其特征在于，超硬陶瓷颗粒(4)包裹镀层(3)一侧的高度为超硬陶瓷颗粒(4)自身高度的0.55-0.95倍；超硬陶瓷颗粒(4)嵌入粘结合金层(2)的深度为超硬陶瓷颗粒(4)自身高度的0.5～0.9倍。


3.根据权利要求1所述的内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层，其特征在于，超硬陶瓷颗粒(4)为立方氮化硼颗粒或金刚石颗粒；硬质陶瓷颗粒的平均粒径为50～120μm时，满足切削性能需求；硬质陶瓷颗粒的平均粒径为121～350μm时，满足散热性能需求。


4.根据权利要求1所述的内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层，其特征在于，超硬陶瓷颗粒(4)表面的镀层(3)为金属镍、金属钛或氮化钨薄膜。


5.根据权利要求1所述的内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层，其特征在于，粘结合金层(2)选择镍含量大于53.0％，铬含量为6％～28％的镍基合金；或者，选择钛含量大于37.5％，锆含量为18％～30％，铜含量为10％～20％，镍含量为5％～10％的钛基合金。


6.根据权利要求1所述的内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层，其特征在于，按开尔文温度计算，粘结合金的熔点低于叶尖基体(1)的熔点的0.9倍。


7.权利要求1所述的内部包裹镀层的叶尖超硬切削涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备粘结合金层：在叶尖基体表面制备粘结合金层，粘结合金层厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨冠军，石秋生，刘梅军，陈林，李长久，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61