一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层及其制备方法，属于材料表面处理技术领域。一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层，包括高温合金涡轮外环和设置于涡轮外环内壁的涂层，涂层的材料为CoNiCrAlY。该涂层组织结构均匀致密、硬度适中，高温防护性能优良。上述涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层的制备方法，包括：在经过前处理的涡轮外环内壁喷涂至少两次，在相邻的两次喷涂之间，对涂层进行去应力热处理和二次喷砂处理，喷涂完成后，对涂层进行真空扩散热处理。该制备方法增强涂层与涡轮外环的结合强度及涂层的内聚强度，可显著降低大厚度涂层脱落风险，提高涂层的成品率。

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层及其制备方法
本专利技术涉及材料表面处理
，且特别涉及一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层及其制备方法。
技术介绍
航空发动机作为飞机的“心脏”，可为航空器提供飞行所需动力，是一种高度复杂和精密的热力机械，其核心部件包括空气压缩机、燃烧室与涡轮等。其中，涡轮包含有涡轮外环和涡轮转子叶片，转子叶片设置于涡轮外环的环内，叶尖朝向涡轮外环的内壁。涡轮外环作为组成发动机燃气流道的重要组成部分，还主要起到控制工作状态过程中涡轮叶尖间隙的作用。据报道，涡轮性能损失的1/3是由叶尖间隙的泄漏引起的，叶尖间隙与叶片高度之比每增加1％，涡轮效率降低约1.5％，耗油率则增加约3％。因此，涡轮外环需与涡轮叶片叶尖拥有良好的配合。服役过程中涡轮外环会直接与高温燃气接触，环境温度较高，且工作条件恶劣，这对于涡轮外环的高温性能有较高的要求。通常采用在涡轮外环内壁上加蜂窝或直接涂覆涂层的结构形式进行防护。蜂窝结构具有比强度高、抗冷热疲劳性好以及可磨蚀等优点，可通过焊接的方式与涡轮外环连接在一起，但其服役温度容易受到焊料熔化温度的限制，且其抗燃气冲刷能力仍不够理想。作为另一种候选方案，涡轮外环的服役环境要求所涂覆的涂层材料需具有优异的抗高温、抗氧化、抗热冲蚀性及具有良好密封性能。MCrAlY涂层因具有优良的抗高温氧化和热腐蚀性能，低的脆/塑性转变温度和良好的高温塑性等特点，已广泛应用于涡轮发动机热端部件的防护。MCrAlY涂层的制备方法有物理气相沉积，热喷涂和激光熔覆等多种。物理气相沉积技术主要包括电子束物理气相沉积、溅射、离子镀等，所制备涂层结构致密、结合强度高，但沉积效率低、制备成本高，且当涂层材料成分复杂时成分控制较困难，难以用于多组元大厚度涂层的制备。激光熔覆法制备的MCrAlY涂层具有与基体结合强度高、致密度高、晶粒小等优点，但涂层容易断裂限制了该技术的应用。热喷涂技术利用热源将粉末或丝材加热到熔融或半熔融状态，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成覆盖层，已在国防建设和国民生产生活诸多领域获得广泛应用。其中，电弧喷涂和大气等离子喷涂在大气环境中进行操作，喷涂材料氧化较为严重，气体会随着熔融粒子一起沉积到基体上，从而影响涂层的致密性和孔隙率，进而影响涂层的抗高温氧化性能。高速火焰喷涂(HVOF/AF)能制备高致密性、高结合强度、低孔隙率和热应力小的涂层，但喷涂是在大气环境下进行，仍不可避免的存在涂层内氧化严重和易受污染等问题。冷喷涂所制备涂层组织致密且氧化物含量低，具有优异的抗高温氧化性能，但较短的喷距限制了该技术在复杂工件上的应用。需要指出的是，为尽量减小涡轮外环与叶片间的间隙，所制备的防护涂层需进行磨削加工至适宜的粗糙度；且大厚度涂层制备过程中的残余应力累积导致涡轮外环可能会发生一定程度的变形，故涂层在厚度上必须保证一定的加工余量。另一方面，由于涡轮外环内壁防护涂层长期在高温和腐蚀的燃气环境中服役，且涡轮外环内壁与叶片叶尖在工作状态变化时难以避免会发生非正常刮磨，要求涂层必须具备一定的厚度方能满足长时服役的要求。然而，随着涂层厚度的增加，其内部残余应力更易集中，服役过程中又存在长期振动、叶片叶尖的非正常刮磨及高温腐蚀介质的侵蚀等问题，导致涡轮外环内壁所涂覆涂层极易发生局部或整体脱落现象。基于上述原因，亟需在涡轮外环内壁开发与基体结合良好且高温防护性能优良的大厚度涂层及其制备方法。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层，该涂层与基体结合良好且高温防护性能优良。本专利技术的另一目的在于提供上述涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层的制备方法，该方法操作简单，可控性强，成品率高，对环境友好。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本专利技术提出一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层，包括高温合金涡轮外环和设置于涡轮外环内壁的涂层，涂层的材料为CoNiCrAlY，该涂层具有优异的抗氧化和耐热腐蚀性能，并可通过喷涂后热处理提高其综合性能。本专利技术提出一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层的制备方法，包括：在经过前处理的涡轮外环内壁喷涂至少两次，在相邻的两次喷涂之间，对涂层进行去应力热处理和二次喷砂处理，喷涂完成后，对涂层进行真空扩散热处理。本专利技术的有益效果包括：(1)喷涂过程在低真空环境中进行，等离子束斑直径大且束斑内部温度、速度梯度小，喷涂粉末可以充分熔融，可有效减少涂层中未熔颗粒比例并保证涂层结构均匀、硬度适中，保证涂层具备优异的高温防护性能。(2)喷涂开始前，通过反复抽真空和填充氩气，可有效降低真空腔室内氧/氮含量，从而有效控制涂层材料在喷涂过程中发生氧化及氮化，防止在涂层内部生成硬质颗粒或条带，同时涂层仍具备一定的孔隙率，在涡轮外环与叶片叶尖发生非正常刮磨时可有效降低对叶片的损伤。(3)喷涂前对涡轮外环进行喷砂处理并采用转移弧对待喷涂面进行清理，可充分去除待喷涂面氧化皮和杂质，显著提高待喷涂面活性；喷涂过程在惰性保护性气氛中进行，允许涡轮外环的温度更高，可保证涂层与涡轮外环具有良好的结合强度；通过在真空热处理炉内进行去应力处理和扩散处理等方式，可进一步增强涂层的内聚强度及涂层与涡轮外环的结合强度，降低大厚度涂层脱落风险。(4)喷涂和热处理过程均在真空腔室内进行，粉尘、噪音及热污染得到有效控制，可降低对操作者的危害和环境污染。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层剖面结构示意图；图2为本专利技术实施例中CoNiCrAlY涂层截面形貌。图标：1-高温合金涡轮外环；2-CoNiCrAlY涂层。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施例的一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层及其制备方法进行具体说明。请参照图1，本专利技术实施例提供了一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层，包括涡轮外环1和涂层2，涂层2附着于涡轮外环1的内壁。本专利技术实施例中，涡轮外环1的材质为高温合金，涂层2的材料为CoNiCrAlY。较优的，涂层2的厚度为0.8～1.5mm。本专利技术实施例提供了上述涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层的制备方法，包括：在经过前处理的涡轮外环内壁喷涂至少两次，在相邻的两次喷涂之间，对涂层进行去应力热处理和二次喷砂处理，喷涂完成后，对涂层进行真空扩散热处理。具体的，将高温合金涡轮外环脱脂除油后，对待喷涂位置进行前处理。本专利技术实施例中的前处理包括喷砂、转移弧电清理和预热。喷砂处理可去掉涡轮外环待喷涂面氧化皮以增加表面活性，提高涂层与涡轮外环间的结合强度。喷砂过程中，对涡轮外环非喷涂区域用工装夹具或胶带进行遮蔽保护，喷砂压力控制为0.3～0.6MPa，喷砂距离控制在100～300mm，喷砂机的喷嘴轴向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层，其特征在于，包括高温合金涡轮外环和设置于所述涡轮外环内壁的涂层，所述涂层的材料为CoNiCrAlY。

【技术特征摘要】
1.一种涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层，其特征在于，包括高温合金涡轮外环和设置于所述涡轮外环内壁的涂层，所述涂层的材料为CoNiCrAlY。2.根据权利要求1所述的涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层，其特征在于，所述涂层的厚度为0.8～1.5mm。3.一种如权利要求1或2所述的涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层的制备方法，其特征在于，包括：在经过前处理的所述涡轮外环内壁喷涂至少两次，在相邻的两次所述喷涂之间，对涂层进行去应力热处理和二次喷砂处理，所述喷涂完成后，对所述涂层进行真空扩散热处理。4.根据权利要求3所述的涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层的制备方法，其特征在于，在所述涡轮外环内壁喷涂所述涂层的方法包括：在真空腔室压强为65～80mbar、等离子喷枪电流为650～850A、氩气流量为40～55L/min、氢气流量为4～11L/min、氦气流量为0～10L/min、送粉速率为30～50g/min、喷枪移动速度为40～70mm/s、涡轮外环转速为200～400rpm的条件下，采用雾化粉进行喷涂。5.根据权利要求3所述的涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层的制备方法，其特征在于，经过前处理的所述涡轮外环内壁喷涂的涂层厚度每增加0.4～0.5mm，对所述涂层进行一次所述去应力热处理和所述二次喷砂处理。6.根据权利要求3或5所述的涡轮外环内壁大厚度高温防护涂层的制备方法，其特征在于，所述去应力热处理的方法包括：将喷涂有所述涂层的所述涡轮外环置于真空热处理炉内，在真空度高于10-2Pa、温度为550～750℃的条件下保温2～4h，然后随炉冷却。7.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨焜，刘敏，牛少鹏，邓子谦，曾威，陈龙飞，宋进兵，邓春明，邓畅光，代明江，周克崧，
申请(专利权)人：广东省新材料研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44