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CN117026136A - 一种对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法 - Google Patents

一种对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法 Download PDF

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CN117026136A
CN117026136A CN202311012650.3A CN202311012650A CN117026136A CN 117026136 A CN117026136 A CN 117026136A CN 202311012650 A CN202311012650 A CN 202311012650A CN 117026136 A CN117026136 A CN 117026136A
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spraying
coating
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casing
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温祯洪
胡聪
汪云程
吕亮
郭建云
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Nanchang Hangkong University
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Nanchang Hangkong University
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Abstract

本发明涉及一种对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，可用于制备航空发动机轴流机匣铝硅可磨耗封严涂层，属于发动机制造技术领域，具体为新材料、新工艺在航空发动机制造的应用。所述对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，包括轴流机匣等离子喷涂防变形装置的结构设计和涂层的喷涂工艺，所述轴流机匣等离子喷涂防变形装置的结构包括箍环Ⅰ、箍环Ⅱ和撑环顶块；所述涂层的喷涂工艺包括以下步骤：前处理、组装、尺寸测量、喷砂、喷涂前准备、喷涂和后处理。本发明针对轴流机匣对半结构及高速动态密封要求的工况特点，通过对轴流机匣变形控制技术研究及涂层制备工艺优化，解决了磨耗涂层的开裂、崩块以及喷涂件收缩变形的技术瓶颈和难点问题。

Description

一种对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法
技术领域
本发明属于发动机制造技术领域，具体为新材料、新工艺在航空发动机制造的应用，尤其涉及一种对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，可用于制备航空发动机轴流机匣铝硅可磨耗封严涂层。
背景技术
为减小航空发动机轴流机匣与转子叶片间隙，通常采用等离子喷涂技术在机匣内壁制备AlSi-聚苯脂可磨耗封严涂层，而AlSi-聚苯脂涂层在服役过程中易磨削剥落出现坑洞。目前拟采用等离子喷涂技术在轴流机匣内壁制备AlSi涂层，因轴流机匣形状为圆筒状对半结构，将机加到尺寸的对半机匣用螺栓连接成整体后，对与转子配合的三个内圆面进行喷涂磨耗封严涂层，为保证后续机加余量，喷涂的涂层厚度需大于1 mm，而在涂层制备过程中当涂层厚度超过0.5mm时热输入量大，涂层累积应力大，且喷涂面无螺纹的光面结构，涂层在喷涂后或机加时容易发生开裂、崩块、起壳脱落，致使涂层与基体呈整片分离现象；对半圆筒结构部件刚度小，喷涂时受热不均，会产生较大的热应力，零件壁薄且喷涂面径向尺寸较大，机匣直口尺寸易变形超差。
发明内容
针对轴流机匣对半结构及高速动态密封要求的工况特点以及现有技术加工封严涂层的不足，本发明通过对涂层制备工艺优化及半轴流机匣变形控制技术研究，解决了磨耗涂层的开裂、崩块以及喷涂件收缩变形的技术瓶颈和难点问题。本发明目的是优化对半轴流机匣内壁铝硅可磨耗封严涂层的等离子喷涂工艺及设计控制变形装置。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供的一种对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，包括轴流机匣等离子喷涂防变形装置的结构设计和涂层的喷涂工艺，其特征在于，所述轴流机匣等离子喷涂防变形装置的结构包括箍环Ⅰ、箍环Ⅱ和撑环顶块；所述涂层的喷涂工艺包括以下步骤：
前处理：用汽油或丙酮清除零件表面的油污，其中喷涂区需清洗干净并烘干。
组装：组装对半机匣，安装轴流机匣等离子喷涂防变形装置。
尺寸测量：准确测量轴流机匣的结构尺寸。
喷砂：对机匣内腔非喷涂区域及装置紧固螺钉部位用高温防护胶布粘贴做好防护，对样件喷涂涂层区域进行喷砂，使用的气体压力为0.5 MPa，喷砂角度70°，喷砂距离75mm，砂粒为60目的刚玉砂。
喷涂前装备：将轴流机匣等离子喷涂防变形装置底座安装到喷涂转台上，将待喷涂件安装到装置底座上。
喷涂：在喷涂前采用等离子体射流对试样表面进行预热处理，预热处理功率为32kW，温度160 ℃；然后，在基材表面先喷粘结层，再喷面层。
后处理：将喷涂后的样件立即转入烘箱中，加热温度为150 ℃，保温时间2.5小时，炉冷至60 ℃以下，出炉空冷，卸除防变形装置。
在其中一些实施例中，所述箍环Ⅰ包括1第一半圆形环，所述1第一半圆形环的中间加工了2定位凸台，1半圆形环的两端加工成3第一安装座，所述3第一安装座中间开有4第一螺纹内孔，通过将5第一圆柱螺纹插入所述4第一螺纹内孔，5第一圆柱螺纹的一端通过7第一下垫圈和6第一下内六螺栓固定，另一端通过8第一中垫圈，9第一压簧、10第一上垫圈和11第一上内六螺栓固定。
在其中一些实施例中，所述箍环Ⅱ的结构包括12第二半圆形环，所述12第二半圆形环的两端加工成13第二安装座，所述13第二安装座中间开有14第二螺纹内孔，通过将17第二圆柱螺纹插入所述14第二螺纹内孔，17第二圆柱螺纹的一端通过16第二下垫圈和15第二下内六螺栓固定，另一端通过18第二中垫圈，20第二压簧、19第二上垫圈和21第二上内六螺栓固定。
在其中一些实施例中，所述撑环包括23圆形环体，所述23圆形环体的同一轴顶点开有22第三螺纹内孔。
在其中一些实施例中，所述顶块包括24扇形体，所述24扇形体开有25盲孔；所述撑环与顶块是通过螺钉连接，通过调节螺钉来调节顶块，从而调节机匣组装尺寸。
所述撑环顶块包括撑环和顶块，所述撑环包括23圆形环体，所述23圆环形筒体的同一轴顶点开有四个22第三螺纹内孔；所述顶块包括24扇形体，所述24扇形体开有25盲孔；所述撑环与顶块是通过螺钉连接，通过调节螺钉来调节顶块，从而调节机匣组装尺寸。
在其中一些实施例中，所述箍环Ⅰ、箍环Ⅱ、撑环顶块的材料可以为45钢、30CrMnSi、3Cr13中的一种。
在其中一些实施例中，所述粘结层的材料为Ni5Al合金粉。
在其中一些实施例中，所述粘结层的喷涂工艺参数为：电流为500~530 A、主气氩气流量为45~55 L/min、氢气流量为6~10 L/min、载体气氩气流量为4~6 L/min、送粉率为38~45 g/min、喷涂距离为80~120 mm，涂层厚度0.08~0.12 mm。
在其中一些实施例中，所述面层的材料为铝硅合金粉末。
在其中一些实施例中，所述面层的喷涂工艺参数为：电流500~530A、主气Ar流量45~55 L/min、H2流量3~8 L/min、载体气Ar流量4~6 L/min、送粉率22~30 g/min、喷涂距离90~130mm，涂层厚度1.05~1.2 mm。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：
（1）在航空发动机的轴流机匣内壁制备的铝硅可磨耗封严涂层与叶片的叶尖形成摩擦副，避免了叶片与机匣的直接接触；
（2）因铝硅涂层致密，涂层内聚强度及结合强度较高，经机加工后表面粗糙度较低，光滑的表面在工作中不仅无掉块现象，反而呈现越磨越光的趋势；
（3）铝硅涂层具有低剪切强度，刮削磨屑细小，在不损伤叶片的情况下，叶尖对涂层刮削后形成磨痕，磨痕中的磨屑在对磨副法向力作用下反复碾压，在摩擦热的作用下被压实的磨屑与涂层磨痕表面形成焊合，对涂层磨痕起到自修复效果，从而使叶片与机匣间获得最小的径向间隙，显著提高气流压强比，降低油耗，提高发动机效率，并减小叶片磨损，延长发动机服役寿命。
（4）本发明可拓展应用于AlSi-聚苯脂、Ni-石墨、Ni-硅藻土、NiCoAlY、氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷封严涂层。
附图说明
图1所示为对半机匣铝硅的可磨耗封严涂层制备工艺流程图；
图2所示为箍环Ⅰ的结构示意图；
图3所示为箍环Ⅱ的结构示意图；
图4所示为撑环的结构示意图；
图5所示为顶块的结构示意图；
图6所示为涂层结构示意图。
附图标记为：1第一半圆形环，2定位凸台，3第一安装座，4第一螺纹内孔，5第一圆柱螺纹，6第一下内六螺栓，7第一下垫圈，8第一中垫圈，9第一压簧、10第一上垫圈，11第一上内六螺栓，12第二半圆形环，13第二安装座，14第二螺纹内孔，15第二下内六螺栓，16第二下垫圈，17第二圆柱螺纹，18第二中垫圈，19第二上垫圈，20第二压簧，21第二上内六螺栓，22第三螺纹内孔，23圆形环体，24扇形体，25盲孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，技术工艺步骤，具体实施条件和材料，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，包括轴流机匣等离子喷涂防变形装置的结构设计和涂层的喷涂工艺，具体的工艺流程图参见图1。
轴流机匣尺寸的测量：准确测量轴流机匣的结构及尺寸，然后制备箍环I、箍环II和撑环顶块，分别参见图2、图3、图4和图5，箍环I、箍环II和撑环顶块的材料为30CrMnSi钢。
前处理：用汽油或丙酮清除零件表面的油污，其中喷涂区需清洗干净并烘干。
组装：组装对半机匣，安装喷涂防变形装置。
尺寸测量：测量轴流机匣的尺寸。
喷砂：对机匣内腔非喷涂区域及装置紧固螺钉部位用高温防护胶布粘贴做好防护，对样件喷涂涂层区域进行喷砂，使用的气体压力为0.4 MPa，喷砂角度60°，喷砂距离50mm，砂粒为40~80目的刚玉砂。
喷涂前准备：将轴流机匣等离子喷涂防变形装置底座安装到喷涂转台上，将待喷涂件安装到装置底座上。
喷涂：在喷涂前采用等离子体射流对试样表面进行预热处理，预热处理功率为30kW，温度120 ℃；然后，在基材表面先喷粘结层，再喷面层，参见图6。
S1：在基材表面喷粘结层，粘结层的喷涂工艺参数为：电流为500A、主气氩气流量为45 L/min、氢气流量为6 L/min、载体气氩气流量为4 L/min、送粉率为38 g/min、喷涂距离为80 mm，涂层厚度0.08 mm，粘结层的材料为Ni5Al合金粉。
S2：在喷有粘结层的基材再喷面层，面层的喷涂工艺参数为：电流530A、主气Ar流量55 L/min、H2流量3 L/min、载体气Ar流量4 L/min、送粉率22 g/min、喷涂距离90 mm，涂层厚度1.05 mm，面层的材料为铝硅合金粉末。
后处理：将喷涂后的样件立即转入烘箱中，加热温度为150 ℃，保温时间2.5小时，炉冷至60 ℃以下，出炉空冷，卸除防变形装置。
最后对喷涂层的外观、机匣变形量进行检测，检测的结果为所喷涂层的外观表现为平整，无开裂、剥落现象，机匣变形量小于0.27。
实施例2
本发明提供的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，包括轴流机匣等离子喷涂防变形装置的结构设计和涂层的喷涂工艺，具体的工艺流程图参见图1。
轴流机匣尺寸的测量：准确测量轴流机匣的结构及尺寸，然后制备箍环I、箍环II和撑环顶块，分别参见图2、图3、图4和图5，箍环I、箍环II和撑环顶块的材料为45钢。
前处理：用汽油或丙酮清除零件表面的油污，其中喷涂区需清洗干净并烘干。
组装：组装对半机匣，安装喷涂防变形装置。
尺寸测量：测量轴流机匣的尺寸。
喷砂：对机匣内腔非喷涂区域及装置紧固螺钉部位用高温防护胶布粘贴做好防护，对样件喷涂涂层区域进行喷砂，使用的气体压力为0.5 MPa，喷砂角度80°，喷砂距离75mm，砂粒为40~80目的刚玉砂。
喷涂前准备：将轴流机匣等离子喷涂防变形装置底座安装到喷涂转台上，将待喷涂件安装到装置底座上。
喷涂：在喷涂前采用等离子体射流对试样表面进行预热处理，预热处理功率为32.5 kW，温度160 ℃；然后，在基材表面先喷粘结层，再喷面层，参见图6。
S1：在基材表面喷粘结层，粘结层的喷涂工艺参数为：电流为515 A、主气氩气流量为50 L/min、氢气流量为8 L/min、载体气氩气流量为5 L/min、送粉率为42 g/min、喷涂距离为100 mm，涂层厚度0.10 mm，粘结层的材料为Ni5Al合金粉。
S2：在喷有粘结层的基材再喷面层，面层的喷涂工艺参数为：电流515A、主气Ar流量50 L/min、H2流量6 L/min、载体气Ar流量5 L/min、送粉率26 g/min、喷涂距离110 mm，涂层厚度1.1 mm，面层的材料为铝硅合金粉末。
后处理：将喷涂后的样件立即转入烘箱中，加热温度为150 ℃，保温时间2.5小时，炉冷至60 ℃以下，出炉空冷，卸除防变形装置。
最后对喷涂层的外观、机匣变形量进行检测，检测的结果为所喷涂层的外观表现为平整，无开裂、剥落现象，机匣变形量小于0.3。
实施例3
本发明提供的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，包括轴流机匣等离子喷涂防变形装置的结构设计和涂层的喷涂工艺，具体的工艺流程图参见图1。
轴流机匣尺寸的测量：准确测量轴流机匣的结构及尺寸，然后制备箍环I、箍环II和撑环顶块，分别参见图2、图3、图4和图5，箍环I、箍环II和撑环顶块的材料为3Cr13。
前处理：用汽油或丙酮清除零件表面的油污，其中喷涂区需清洗干净并烘干。
组装：组装对半机匣，安装喷涂防变形装置。
尺寸测量：测量轴流机匣的尺寸。
喷砂：对机匣内腔非喷涂区域及装置紧固螺钉部位用高温防护胶布粘贴做好防护，对样件喷涂涂层区域进行喷砂，使用的气体压力为0.6 MPa，喷砂角度70°，喷砂距离100mm，砂粒为40~80目的刚玉砂。
喷涂前准备：将轴流机匣等离子喷涂防变形装置底座安装到喷涂转台上，将待喷涂件安装到装置底座上。
喷涂：在喷涂前采用等离子体射流对试样表面进行预热处理，预热处理功率为35kW，温度180 ℃；然后，在基材表面先喷粘结层，再喷面层，参见图6。
S1：在基材表面喷粘结层，粘结层的喷涂工艺参数为：电流为530 A、主气氩气流量为55 L/min、氢气流量为10 L/min、载体气氩气流量为6 L/min、送粉率为45 g/min、喷涂距离为120 mm，涂层厚度0.12 mm，粘结层的材料为Ni5Al合金粉。
S2：在喷有粘结层的基材再喷面层，面层的喷涂工艺参数为：电流530A、主气Ar流量55 L/min、H2流量8 L/min、载体气Ar流量6 L/min、送粉率30 g/min、喷涂距离130 mm，涂层厚度1.2 mm，面层的材料为铝硅合金粉末。
后处理：将喷涂后的样件立即转入烘箱中，加热温度为155 ℃，保温时间3小时，炉冷至60 ℃以下，出炉空冷，卸除防变形装置。
最后对喷涂层的外观、机匣变形量进行检测，检测的结果为所喷涂层的外观表现为平整，无开裂、剥落现象，机匣变形量小于0.33。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，包括轴流机匣等离子喷涂防变形装置的结构设计和涂层的喷涂工艺，其特征在于，所述轴流机匣等离子喷涂防变形装置的结构包括箍环Ⅰ、箍环Ⅱ、撑环和顶块；所述涂层的喷涂工艺包括以下步骤：
S1前处理：用汽油或丙酮清除零件表面的油污，其中喷涂区需清洗干净并烘干；
S2组装：组装对半机匣，安装轴流机匣等离子喷涂防变形装置；
S3尺寸测量：准确测量轴流机匣的结构尺寸；
S4喷砂：对机匣内腔非喷涂区域及装置紧固螺钉部位用高温防护胶布粘贴做好防护，对样件喷涂涂层区域进行喷砂，使用的气体压力为0.4~0.6 MPa，喷砂角度60°~80°，喷砂距离50~100 mm，砂粒为40~80目的刚玉砂；
S5喷涂前装备：将轴流机匣等离子喷涂防变形装置底座安装到喷涂转台上，将待喷涂件安装到装置底座上；
S6喷涂：在喷涂前采用等离子体射流对试样表面进行预热处理，预热处理功率为30~35kW，温度120~180 ℃；然后，在基材表面先喷粘结层，再喷面层；
S7后处理：将喷涂后的样件立即转入烘箱中，加热温度为145~155 ℃，保温时间2~3小时，炉冷至60 ℃以下，出炉空冷，卸除防变形装置。
2.根据权利要求1所述的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，其特征在于，所述箍环Ⅰ包括第一半圆形环（1），所述第一半圆形环（1）的中间加工了定位凸台（2），第一半圆形环（1）的两端加工成第一安装座（3），所述第一安装座（3）中间开有第一螺纹内孔（4），通过将第一圆柱螺纹（5）插入所述第一螺纹内孔（4），第一圆柱螺纹（5）的一端通过第一下垫圈（7）和第一下内六螺栓（6）固定，另一端通过第一中垫圈（8），第一压簧（9）、第一上垫圈（10）和第一上内六螺栓（11）固定。
3.根据权利要求1所述的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，其特征在于，所述箍环Ⅱ的结构包括第二半圆形环（12），所述第二半圆形环（12）的两端加工成第二安装座（13），所述第二安装座（13）中间开有第二螺纹内孔（14），通过将第二圆柱螺纹（17）插入所述第二螺纹内孔（14），第二圆柱螺纹（17）的一端通过第二下垫圈（16）和第二下内六螺栓（15）固定，另一端通过第二中垫圈（18），第二压簧（20）、第二上垫圈（19）和第二上内六螺栓（21）固定。
4.根据权利要求1所述的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，其特征在于，所述撑环包括圆形环体（23），所述圆形环体（23）的同一轴顶点开有第三螺纹内孔（22）。
5.根据权利要求1所述的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，其特征在于，所述顶块包括扇形体（24），所述扇形体（24）开有盲孔（25）；所述撑环与顶块是通过螺钉连接，通过调节螺钉来调节顶块，从而调节机匣组装尺寸。
6.根据权利要求1所述的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，其特征在于，所述箍环Ⅰ、箍环Ⅱ、撑环和顶块的材料为45钢，30CrMnSi、3Cr13中的一种。
7.根据权利要求1所述的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，其特征在于，所述粘结层的材料为Ni5Al合金粉。
8.根据权利要求1所述的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，其特征在于，所述粘结层的喷涂工艺参数为：电流为500~530 A、主气氩气流量为45~55 L/min、氢气流量为6~10L/min、载体气氩气流量为4~6 L/min、送粉率为38~45 g/min、喷涂距离为80~120 mm，涂层厚度0.08~0.12 mm。
9.根据权利要求1所述的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，其特征在于，所述面层的材料为铝硅合金粉末。
10.根据权利要求1所述的对半机匣铝硅可磨耗封严涂层制备方法，其特征在于，所述面层的喷涂工艺参数为：电流500~530A、主气Ar流量45~55 L/min、H2流量3~8 L/min、载体气Ar流量4~6 L/min、送粉率22~30 g/min、喷涂距离90~130mm，涂层厚度1.05~1.2 mm。
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