一種燃機(jī)熱端部件導(dǎo)向葉片表面長壽命類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層自動化制備方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種燃機(jī)熱端部件導(dǎo)向葉片表面長壽命類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層自動化制備方法。本發(fā)明通過機(jī)械手分別夾持超音速火焰噴槍和等離子噴槍，編制自動化噴涂程序，超音速火焰噴涂粘結(jié)層用主程序設(shè)置TCP點(diǎn)距噴槍口距離為330～350mm，噴槍移動速度為500～600m/s，噴涂軌跡間距為20～30mm。等離子噴涂陶瓷層用主程序設(shè)置TCP點(diǎn)距噴槍口距離為60～70mm，噴槍移動速度為200～250/s，噴涂軌跡間距為3～7mm，等離子噴涂程序編制時噴涂軌跡呈“弓”字形走向。本發(fā)明依次包括基體準(zhǔn)備與前處理，粘結(jié)層制備，熱端部件預(yù)熱和陶瓷層制備，采用掃描電鏡觀察，制備的陶瓷層具有類柱狀晶結(jié)構(gòu)，顯著提高了涂層的應(yīng)變?nèi)菹夼c抗熱沖擊壽命，涂層服役壽命較常規(guī)結(jié)構(gòu)熱障涂層顯著提高。
【專利說明】一種燃機(jī)熱端部件導(dǎo)向葉片表面長壽命類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層自動化制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種長壽命熱障涂層制備方法，特別是涉及一種針對燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件表面長壽命類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層制備用自動化噴涂方法。

【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)廨啓C(jī)由于具有高效、節(jié)能、低污染的優(yōu)點(diǎn)，在航空、艦船動力、發(fā)電等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。為了獲得更高的能源使用效率以及更大的推力，近年來，燃?xì)廨啓C(jī)渦輪進(jìn)口溫度逐步提高，僅靠材料性能的提高和結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進(jìn)已經(jīng)無法滿足飛速發(fā)展的燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用需求。熱障涂層由于能夠有效降低構(gòu)件表面溫度、提高抗高溫氧化腐蝕能力、減少燃油消耗、延長服役壽命等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)及重型燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件防護(hù)中。
[0003]燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件是決定其壽命的關(guān)鍵部件，分為工作葉片及導(dǎo)向葉片，服役環(huán)境非常惡劣，不僅工作溫度高，而且還承受燃?xì)廨啓C(jī)在起動和停機(jī)時因溫度劇烈變化引起的熱沖擊。燃?xì)廨啓C(jī)工作葉片一般采用電子束物理氣相沉積工藝制備，涂層呈柱狀晶結(jié)構(gòu)，應(yīng)變?nèi)菹薷?，服役壽命長，缺點(diǎn)是制備工藝復(fù)雜，設(shè)備昂貴，制備成本高、效率低、涂層較薄、隔熱性能差，且受限于設(shè)備真空沉積室體積，無法對大型、復(fù)雜型面構(gòu)件制備涂層；燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)向葉片及其他靜子部件一般采用等離子噴涂工藝制備，涂層結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，隔熱性能好，設(shè)備簡單，制備成本低，噴涂效率高，缺點(diǎn)是涂層層間結(jié)合力差，服役壽命短，且涂層制備方式也為手工噴涂方式，涂層質(zhì)量批次穩(wěn)定性差，因此，常規(guī)結(jié)構(gòu)熱障涂層已難以滿足地面燃?xì)廨啓C(jī)上萬小時長壽命使用需求。
[0004]借鑒柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層高應(yīng)變?nèi)菹薜膬?yōu)點(diǎn)與層狀結(jié)構(gòu)涂層高隔熱優(yōu)點(diǎn)，采用等離子噴涂工藝制備具有類柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層可大幅提高涂層服役壽命，德國JUlich實驗室曾在平板試樣上開展過類柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層制備工藝研究，國內(nèi)北京航空航天大學(xué)也曾開展過類似研究，但實驗室研究發(fā)現(xiàn)，類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層對制備工藝要求較苛刻，試樣基體溫度、噴涂軌跡、噴涂功率、送粉率與噴涂功率匹配性等工藝參數(shù)均對類柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層的形成有顯著影響，在平板試樣上可成功制備出類柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層的噴涂工藝并不適用于具有復(fù)雜型面的燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件，尤其是針對導(dǎo)向葉片，由于其為多聯(lián)復(fù)合異型結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)有噴涂方式均為手工噴涂，很難保證噴涂軌跡的精確控制。因此，到目前為止，類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層制備還局限于實驗室較小平板試樣表面研究，尚未在燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件表面得到應(yīng)用。本發(fā)明專利借鑒前人研究經(jīng)驗，優(yōu)化涂層制備工藝，根據(jù)葉片型面走勢設(shè)計噴涂軌跡，提出一種采用機(jī)械手自動化噴涂方式在燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)向葉片表面制備長壽命類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種針對燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件導(dǎo)向葉片表面長壽命類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層的全自動噴涂工藝，通過機(jī)械手分別夾持超音速火焰噴槍和等離子噴槍，編制自動化噴涂程序，調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)，從而在燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件導(dǎo)向葉片表面制備具有高應(yīng)變?nèi)菹蓿L壽命的類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案關(guān)鍵在于采用自動化噴涂工藝在具有復(fù)雜型面的燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件導(dǎo)向葉片表面制備長壽命類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層，其制備方法如下:
[0007]第一步:根據(jù)熱端部件形狀編制自動化噴涂程序，可以采用機(jī)械手自帶示教器現(xiàn)場編制，也可以采用離線編程軟件編制。自動化噴涂程序分為兩個主程序，其一為超音速火焰噴涂粘結(jié)層用主程序，其二為等離子噴涂陶瓷層用主程序。超音速火焰噴涂粘結(jié)層用主程序設(shè)置TCP點(diǎn)距噴槍口距離為330?350mm，噴槍移動速度為500?600m/s，噴涂軌跡間距為20?30mm。等離子噴涂陶瓷層用主程序設(shè)置TCP點(diǎn)距噴槍口距離為60?70mm，噴槍移動速度為200?250/s，噴涂軌跡間距為3?7mm，等離子噴涂程序編制時噴涂軌跡呈“弓”子形走向。
[0008]第二步:基體準(zhǔn)備與前處理，采用丙酮或無水乙醇清洗熱端部件表面油污，采用射吸式噴砂機(jī)對熱端部件表面進(jìn)行毛化，砂型種類選用棕剛玉或白剛玉，首先采用60?100目剛玉砂將熱端部件表面氧化皮去除，露出金屬光澤基體，然后采用16?26目剛玉砂對基體進(jìn)行毛化，當(dāng)表面粗糙度達(dá)到Ra4.5?Ra6.0時停止毛化工藝。
[0009]第三步:粘結(jié)層制備，在機(jī)械手示教器中調(diào)取編制好的超音速火焰噴涂粘結(jié)層用主程序?qū)岫瞬考M(jìn)行粘結(jié)層制備，粘結(jié)層材料選用NiCoCrAlYSi，組分:N1:45?50%、Co:20 ?25%、Cr:20 ?25%、A1:10 ?15%、y:0.5 ?1.5%,Si:0.5 ?1.5% ;超音速火焰噴涂時氧氣流量為35?40m3/h，煤油流量為15?20L/h，送粉率為55?60g/min，基體預(yù)熱溫度100?150°C。
[0010]第四步:熱端部件預(yù)熱，采用氧丙烷火焰加熱槍對熱端部件進(jìn)行整體預(yù)熱，氧氣流量:10L/min，丙烷流量4L/min，預(yù)熱溫度控制在500?700°C之間。采用紅外測溫儀進(jìn)行測溫，當(dāng)熱端部件溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，氧丙烷火焰槍自動停止加熱。
[0011]第五步:陶瓷層制備，在機(jī)械手示教器中調(diào)取編制好的等離子噴涂陶瓷層主程序?qū)岫瞬考M(jìn)行陶瓷層制備，陶瓷層材料選用YSZ，組分:7?8% Y2O3穩(wěn)定ZrO2 ;噴涂電壓為75?80V，噴涂電流為600?650A，送粉率為30?40g/min，為成功制備出類柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層，陶瓷層制備過程中噴涂軌跡必須為“弓”字形，不可往復(fù)噴涂與十字交叉噴涂，涂層噴涂過程中熱端部件溫度控制在600?800°C。
[0012]經(jīng)過上述工藝制備的熱障涂層，采用掃描電鏡觀察，制備的陶瓷層具有類柱狀晶結(jié)構(gòu)，顯著提高了涂層的應(yīng)變?nèi)菹夼c抗熱沖擊壽命，涂層服役壽命較常規(guī)結(jié)構(gòu)熱障涂層顯著提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
[0014]圖1是一種燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件(導(dǎo)向葉片)示意圖
[0015]圖2是高應(yīng)變?nèi)菹逕嵴贤繉幼詣踊瘒娡寇壽E示意圖
[0016]圖3是高應(yīng)變?nèi)菹蕖㈩愔鶢罹ЫY(jié)構(gòu)熱障涂層微觀組織形貌
[0017]圖4是不同結(jié)構(gòu)熱障涂層抗熱沖擊性能對比
[0018]其中，附圖1標(biāo)記:
[0019]11-導(dǎo)向葉片下櫞板12-導(dǎo)向葉片上櫞板
[0020]13-冷卻氣膜孔 14-葉身
[0021]其中，附圖2標(biāo)記:
[0022]21-待噴涂面22-自動化噴涂軌跡
[0023]其中，附圖3標(biāo)記:
[0024]31-導(dǎo)向葉片葉身截面32-葉片表面涂層局部放大圖33-類柱狀晶結(jié)構(gòu)【具體實施方式】:
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但不作為對本發(fā)明的限定
[0026](I)根據(jù)機(jī)械手夾持的超音速火焰噴槍重量、重心、轉(zhuǎn)動慣量等設(shè)置工具坐標(biāo)tool-HVOF，設(shè)定TCP點(diǎn)距噴槍口距離為330mm，噴槍移動速度為500m/s，噴涂軌跡間距為20mm。根據(jù)熱端部件待噴涂表面形貌編制超音速火焰噴涂粘結(jié)層主程序，噴涂主程序包括粘結(jié)層制備預(yù)熱程序、粘結(jié)層制備程序，程序循環(huán)次數(shù)設(shè)定為2次，設(shè)置程序運(yùn)行時間計數(shù)命令。
[0027](2)根據(jù)熱端部件待噴涂表面形貌編制等離子噴涂陶瓷層主程序，根據(jù)機(jī)械手夾持的等離子噴槍重量、重心、轉(zhuǎn)動慣量等設(shè)置工具坐標(biāo)tool-APS，設(shè)定TCP點(diǎn)距噴槍口距離為70mm，噴槍移動速度為250/s，噴涂軌跡間距為3mm，噴涂軌跡設(shè)置為“弓”字形，噴涂程序循環(huán)次數(shù)設(shè)定為3次，設(shè)置程序運(yùn)行時間計數(shù)命令。
[0028](3)使用干凈的天然鬃刷蘸工業(yè)丙酮刷洗熱端部件待噴涂表面，清除熱端部件表面油脂及污染物，清晰干凈后將熱端部件待安裝到保護(hù)工裝上后再用丙酮刷洗部件噴涂面，對不需噴涂的部位外表面用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)工裝、高溫膠帶保護(hù)。
[0029](4)采用射吸式噴砂機(jī)對噴涂部位進(jìn)行噴砂毛化，砂料使用60目白剛玉，噴砂距離為50mm，噴砂角度約90°，噴砂壓力為0.6MPa，噴砂嘴直徑為8mm。當(dāng)待噴涂表面氧化皮去除干凈，露出具有金屬光澤基體時，采用24目白剛玉對待噴涂表面進(jìn)行毛化，噴砂距離為噴砂距離為50mm，噴砂角度約90°，噴砂壓力為0.4MPa，當(dāng)待噴涂部位表面粗糙度達(dá)到Ra4.5?Ra6.0時停止毛化。
[0030](5)將表面毛化后熱端部件安裝在自動化噴涂用轉(zhuǎn)臺上，采用IRB2400機(jī)械手夾持超音速火焰噴槍，調(diào)取機(jī)械手示教器中編制好的超音速火焰噴涂粘結(jié)層主程序，采用T1-1I3200CY型超音速火焰噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂，噴涂工藝參數(shù)如下:02流量:38m3/h，煤油流量:19L/h，送粉量:55g/min，噴涂距離:330mm，預(yù)熱溫度:100?150°C，涂層厚度為
0.05-0.1Omm,噴涂遍數(shù)為2遍,噴涂時間共3min。
[0031](6)采用氧丙烷火焰加熱槍對制備有粘結(jié)層的熱端部件進(jìn)行整體預(yù)熱，氧氣流量:10L/min,丙烷流量4L/min，預(yù)熱溫度控制在500?700°C之間。采用紅外測溫儀進(jìn)行測溫，當(dāng)熱端部件溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，氧丙烷火焰槍自動停止加熱。
[0032](7)采用IRB2400機(jī)械手夾持等離子噴槍，調(diào)取機(jī)械手示教器中編制好的等離子噴涂陶瓷層主程序，采用DH-80大氣等離子噴涂設(shè)備制備陶瓷層，噴涂工藝參數(shù)如下:噴涂電流:600A，噴涂電壓:80V，Ar氣流量:27L/min，H2流量:100L/h，送粉量:35g/min，噴涂距離:70mm,控溫:600?800°C,涂層厚度為0.25-0.30mm,噴涂遍數(shù)為3遍,噴涂時間共9min。
[0033](8)噴涂完成后去除保護(hù)，使用丙酮擦洗緣板上多余殘留膠，清理非噴涂面粉末及污物。
[0034]經(jīng)過上述工藝制備的類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層在熱端溫度為1200°C，冷端溫度為950°C的條件下保溫5min，然后2min內(nèi)用壓縮空氣冷卻至室溫作為一次循環(huán)進(jìn)行熱沖擊試驗，采用同等厚度下常規(guī)結(jié)構(gòu)熱障涂層作為對比試樣，試驗結(jié)果顯示，具有高應(yīng)變?nèi)菹?、類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層抗熱沖擊壽命為4263次，常規(guī)結(jié)構(gòu)熱障涂層抗熱沖擊壽命為847次。
[0035]本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于:
[0036]本發(fā)明研制的針對燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件表面高應(yīng)變?nèi)菹?、長壽命熱障涂層制備用自動化噴涂工藝，可用于不同型號的燃?xì)廨啓C(jī)渦輪導(dǎo)向葉片、燃燒筒、過渡段等熱端部件表面熱障涂層制備。
[0037]本發(fā)明不僅可用于燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件表面高應(yīng)變?nèi)菹?、長壽命熱障涂層制備，還可用于現(xiàn)役航空發(fā)動機(jī)熱端部件表面熱障涂層制備，甚至可以推廣應(yīng)用到在研高性能航空發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片表面新型高隔熱、長壽命熱障涂層制備應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.一種燃機(jī)熱端部件導(dǎo)向葉片表面長壽命類柱狀晶結(jié)構(gòu)熱障涂層自動化制備方法，其特征在于步驟如下: 第一步:根據(jù)熱端部件形狀編制自動化噴涂程序；:自動化噴涂程序分為兩個主程序，其一為超音速火焰噴涂粘結(jié)層用主程序，其二為等離子噴涂陶瓷層用主程序；超音速火焰噴涂粘結(jié)層用主程序設(shè)置TCP點(diǎn)距噴槍口距離為330?350mm，噴槍移動速度為500?.600m/s,噴涂軌跡間距為20?30mm ;等離子噴涂陶瓷層用主程序設(shè)置TCP點(diǎn)距噴槍口距離為60?70mm，噴槍移動速度為200?250/s，噴涂軌跡間距為3?7mm，等離子噴涂程序編制時噴涂軌跡呈“弓”字形走向； 第二步:基體準(zhǔn)備與前處理，采用丙酮或無水乙醇清洗熱端部件表面油污，采用射吸式噴砂機(jī)對熱端部件表面進(jìn)行毛化，砂型種類選用棕剛玉或白剛玉，首先采用60?100目剛玉砂將熱端部件表面氧化皮去除，露出金屬光澤基體，然后采用16?26目剛玉砂對基體進(jìn)行毛化，當(dāng)表面粗糙度達(dá)到Ra4.5?Ra6.0時停止毛化工藝； 第三步:粘結(jié)層制備:粘結(jié)層材料選用NiCoCrAlYSi，組分:N1:45?50%、Co:20?.25%,Cr:20 ?25%、A1:10 ?15%、y:0.5 ?1.5%,Si:0.5 ?1.5% ;超音速火焰噴涂時氧氣流量為35?40m3/h，煤油流量為15?20L/h，送粉率為55?60g/min，基體預(yù)熱溫度.100 ?150。。； 第四步:熱端部件預(yù)熱:采用氧丙烷火焰加熱槍對熱端部件進(jìn)行整體預(yù)熱，氧氣流量:.10L/min，丙烷流量4L/min，預(yù)熱溫度控制在500?700°C之間；采用紅外測溫儀進(jìn)行測溫，當(dāng)熱端部件溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，氧丙烷火焰槍自動停止加熱； 第五步:陶瓷層制備:陶瓷層材料選用YSZ，組分:7?8% Y2O3穩(wěn)定ZrO2 ;噴涂電壓為.75?80V，噴涂電流為600?650A，送粉率為30?40g/min，為成功制備出類柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層，陶瓷層制備過程中噴涂軌跡必須為“弓”字形，不可往復(fù)噴涂與十字交叉噴涂，涂層噴涂過程中熱端部件溫度控制在600?800°C。
【文檔編號】C23C4/02GK104233178SQ201410484502
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月21日
【發(fā)明者】汪瑞軍, 傅斌友, 冉健, 袁濤 申請人:北京金輪坤天科技發(fā)展有限公司