一种防钛火涂层材料及用其制备防钛火涂层的方法
技术领域
[0001] 本
发明属于航空
发动机防钛火涂层技术领域，尤其涉及一种防钛火涂层材料及用其制备防钛火涂层的方法。
背景技术
[0002] 随着发动机提高性能、减重的要求，钛
合金因具有优良的性能和较轻的重量，在发动机部件中得到广泛应用。但是由于钛合金在高速摩擦、高温、富
氧环境下容易引起钛火故障而燃烧，并且会迅速发生蔓延，造成发动机部件严重损害。目前防钛火的措施主要有三种，第一种是改进发动机结构，增大
叶片与机匣间隙，第二种是采用阻燃钛合金，第三种是涂覆阻燃防钛火涂层。
[0003] 阻燃防钛火涂层是采用
喷涂工艺，在钛合金零部件表面，涂覆一层难以燃烧的材料，从而防止转、静子钛合金零件直接碰磨，减少碰磨热量积累和传导，达到延缓和阻止燃烧的作用。
[0004] 在实际使用过程中，叶尖为发生摩擦的主要部位，
压气机在高速旋转过程中，在间隙偏差、超转等工况条件均容易导致叶尖与机匣内壁发生强烈摩擦，造成摩擦热积累及叶尖磨损、烧损等问题，极端情况下甚至会造成叶片整体燃烧、损坏后级叶片等重大故障。
[0005] 但是，由于叶尖形状复杂，尺寸较小，端面面积很小，在制备涂层的过程中面临大量技术难题，常规制备涂层的方法，如局部感应钎焊、
等离子喷涂等，由于热输入大，容易造成叶尖
变形，且涂层结合强度难以保证。
[0006] 而发动机
整体叶盘结构复杂，造价高，在目前没有有效修复手段的情况下，一个叶片损坏就可能导致整个叶盘报废。
[0007] 因此，如何在叶尖部位制备一种可以减小叶尖与机匣内壁
摩擦力，避免摩擦热积累及叶尖磨损、烧损的涂层，是我们需要解决的技术问题。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于提供一种防钛火涂层材料及用其制备防钛火涂层的方法，解决了
现有技术中压气机的叶尖磨损、摩擦热积累及烧损问题。本发明的防钛火涂层
耐磨性高，具有良好刮削性能，能够有效减小叶尖与机匣内壁的
摩擦力，避免摩擦热积累及叶尖磨损、烧损。
[0009] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] 本发明提供了一种防钛火涂层材料，包括Ni粉和
镀镍cBN(
立方氮化硼)颗粒，Ni粉是粒度为20μm～40μm的球形气雾化粉末，镀镍cBN颗粒的直径为10μm～20μm，Ni份和镀镍cBN颗粒的
质量比为1:1～4。
[0011] 优选地，Ni份和镀镍cBN颗粒的质量比为3:7。
[0012] 本发明还提供了一种制备防钛火涂层的方法，采用Ni粉和镀镍cBN颗粒的混合粉末，Ni粉是粒度为20μm～40μm的球形气雾化粉末，镀镍cBN颗粒的直径为10μm～20μm，Ni份和镀镍cBN的质量比为1:1～4；将Ni粉和镀镍cBN颗粒的混合粉末通过超音速
冷喷涂工艺喷涂至钛合金表面形成防钛火涂层，采用氦气作为喷涂气体，喷涂气体的压力为550KPa～650KPa，喷涂气体的
温度为280℃～320℃，送粉速率为15g/min～25g/min，喷涂距离为12mm～18mm，防钛火涂层的厚度为0.15mm～0.20mm。
[0013] 优选地，在对钛合金表面进行喷涂前，在钛合金表面进行
去污处理，在去污处理后，再进行防钛火涂层的制备。
[0014] 进一步优选地，用丙
酮清洗钛合金表面。
[0015] 优选地，在对钛合金表面进行喷涂前，对需喷涂部位以外区域进行遮蔽，完成防钛火涂层的制备后，拆除遮蔽物。
[0016] 进一步优选地，用
橡胶制品对需喷涂部位以外区域进行遮蔽。
[0017] 优选地，采用具有拉瓦尔型
喷枪的KM-CDS冷喷涂设备制备防钛火涂层。
[0018] 优选地，所需喷涂的钛合金表面为整体叶盘。
[0019] 进一步优选地，在对整体叶盘的叶尖部位进行喷涂前，对叶尖边缘部位安装补偿夹具，补偿夹具外表面与叶尖外表面平行，补偿夹具外表面低于叶尖外表面。
[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0021] 本发明提供的一种防钛火涂层材料，采用具有特殊配比及粒度分布的Ni粉和镀镍cBN颗粒的混合粉末，用上述材料制备得到的涂层结合强度大于30MPa，涂层耐磨性良好，涂层表面粗糙度不小于Ra5.0μm。且涂层不需要后续加工，保持的原始粗糙状态，提高了涂层的刮削性能。
[0022] 本发明提供的一种制备防钛火涂层的方法，采用具有特殊配比及粒度分布的Ni粉和镀镍cBN颗粒的混合粉末以及超音速冷喷涂系统，成功在钛合金整体叶盘部位涂覆了cBN含量约30％、结合强度大于30Mpa、涂层表面粗糙度不小于Ra5.0μm、耐磨性良好且具有良好刮削性能的硬质防钛火涂层。由于冷喷涂过程热输入低，涂层沉积过程中，粒子以固态形式通过高速碰撞后产生的塑性变形形成防钛火涂层，因此能够避免较大的热输入，从而减少
工件变形。解决了钛合金整体叶盘尤其是叶尖部位防钛火涂层难以制备的技术难题，有效的减小了叶尖与机匣内壁的摩擦力，避免了摩擦热积累及叶尖磨损、烧损等问题，能够防止高压压气机钛火事故，提高了发动机工作可靠性。
附图说明
[0023] 图1为本发明所提供的防钛火涂层的显微组织结构图。
具体实施方式
[0024] 下面对本发明做进一步详细描述：
[0025] 本发明提供了一种防钛火涂层材料，包括Ni粉和镀镍cBN颗粒，Ni粉是粒度为20μm～40μm的球形气雾化粉末，镀镍cBN颗粒的直径为10μm～20μm，Ni份和镀镍cBN颗粒的质量比为1:1～4。
[0026] 本发明还提供了一种防钛火涂层的制备方法，采用Ni粉和镀镍cBN颗粒的混合粉末，Ni粉是粒度为20μm～40μm的球形气雾化粉末，镀镍cBN颗粒的直径为10μm～20μm，根据需要，Ni份和镀镍cBN的质量比可在1:1～4之间进行调整；将Ni粉和镀镍cBN颗粒的混合粉末通过超音速冷喷涂工艺喷涂至钛合金表面形成防钛火涂层，采用氦气作为喷涂气体，喷涂气体的压力为550KPa～650KPa，喷涂气体的温度为280℃～320℃，送粉速率为15g/min～25g/min，喷涂距离为12mm～18mm，防钛火涂层的厚度为0.15mm～0.20mm。参见图1，为所制备的防钛火涂层的显微组织结构图。
[0027] 本发明的防钛火涂层的制备方法中，在对钛合金表面进行喷涂前，在钛合金表面进行去污处理，在去污处理后，再进行防钛火涂层的制备。
[0028] 本发明的防钛火涂层的制备方法中，在对钛合金表面进行喷涂前，对需喷涂部位以外区域进行遮蔽，完成防钛火涂层的制备后，拆除遮蔽物。
[0030] 本发明尤其适用于钛合金整体叶盘防钛火涂层的喷涂。在制备防钛火涂层的过程中，首先用
棉布蘸取丙酮擦拭整体叶盘，整体叶盘包括叶片的叶尖部位，确保没有油污等外来污染。并对除整体叶盘以外区域采用橡胶制品进行遮蔽保护。再者，在制备防钛火涂层前，通过对叶尖边缘部位安装补偿夹具，补偿夹具外表面与叶尖外表面平行，补偿夹具外表面低于叶尖外表面，从而可在喷涂过程中对叶尖边缘
倒角处进行良好的喷涂，对叶片叶尖边缘由于冲击所造成的梯形坡边进行消除。
[0031] 采用KM-CDS冷喷涂设备对整体叶盘以合适的喷涂参数进行喷涂防钛火涂层，通过多轴机械手夹持的KM-CDS冷喷涂设备的拉瓦尔型喷枪，采用Ni粉和镀镍cBN颗粒的混合粉末作为喷涂用粉末，其中，Ni粉是粒度为20μm～40μm的球形气雾化粉末，镀镍cBN颗粒的直径为10μm～20μm，Ni份和镀镍cBN颗粒的质量比为3:7，连续喷涂直至整体叶盘的防钛火涂层的厚度为0.18mm，涂层
覆盖率达100％，叶尖边缘无翘起、分层现象。拆除保护
胶带、补偿夹具以及
过喷涂涂层，完成涂层的制备。
[0032] 上述涂层制备过程中，利用冷喷涂的自锐化功能，不需要对工件进行吹砂粗化处理。采用的喷涂参数如下：喷涂气体的压力为600KPa，喷涂气体的温度为300℃，送粉速率为20g/min，喷涂距离为15mm。
[0033] 上述制备后的防钛火涂层内部cBN相的体积含量约32％，涂层结合强度大于30MPa，涂层耐磨性良好，涂层表面粗糙度不小于Ra5.0μm。且涂层不需要后续加工，保持的原始粗糙状态，提高了涂层的刮削性能。
[0034] 实施例2
[0035] 本发明尤其适用于钛合金整体叶盘防钛火涂层的喷涂。在制备防钛火涂层的过程中，首先用棉布蘸取丙酮擦拭整体叶盘，整体叶盘包括叶片的叶尖部位，确保没有油污等外来污染。并对除整体叶盘以外区域采用喷涂保护胶带进行遮蔽保护。再者，在制备防钛火涂层前，通过对叶尖边缘部位安装补偿夹具，补偿夹具外表面与叶尖外表面平行，补偿夹具外表面低于叶尖外表面，从而可在喷涂过程中对叶尖边缘倒角处进行良好的喷涂，对叶片叶尖边缘由于冲击所造成的梯形坡边进行消除。
[0036] 采用KM-CDS冷喷涂设备对整体叶盘以合适的喷涂参数进行喷涂防钛火涂层，通过手工夹持的KM-CDS冷喷涂设备的拉瓦尔型喷枪，采用Ni粉和镀镍cBN颗粒的混合粉末作为喷涂用粉末，其中，Ni粉是粒度为20μm～40μm的球形气雾化粉末，镀镍cBN颗粒的直径为10μm～20μm，Ni份和镀镍cBN颗粒的质量比为1:1，连续喷涂直至整体叶盘的防钛火涂层的厚度为0.15mm，涂层覆盖率达100％，叶尖边缘无翘起、分层现象。拆除保护胶带、补偿夹具以及过喷涂涂层，完成涂层的制备。
[0037] 上述涂层制备过程中，利用冷喷涂的自锐化功能，不需要对工件进行吹砂粗化处理。采用的喷涂参数如下：喷涂气体的压力为550KPa，喷涂气体的温度为280℃，送粉速率为15g/min，喷涂距离为12mm。
[0038] 上述制备后的防钛火涂层内部cBN相的体积含量约30％，涂层结合强度大于30MPa，涂层耐磨性良好，涂层表面粗糙度不小于Ra5.0μm。且涂层不需要后续加工，保持的原始粗糙状态，提高了涂层的刮削性能。
[0039] 实施例3
[0040] 本发明尤其适用于钛合金整体叶盘防钛火涂层的喷涂。在制备防钛火涂层的过程中，首先用棉布蘸取丙酮擦拭整体叶盘，整体叶盘包括叶片的叶尖部位，确保没有油污等外来污染。并对除整体叶盘以外区域采用合适的工装良好遮蔽。再者，在制备防钛火涂层前，通过对叶尖边缘部位安装补偿夹具，补偿夹具外表面与叶尖外表面平行，补偿夹具外表面低于叶尖外表面，从而可在喷涂过程中对叶尖边缘倒角处进行良好的喷涂，对叶片叶尖边缘由于冲击所造成的梯形坡边进行消除。
[0041] 采用KM-CDS冷喷涂设备对整体叶盘以合适的喷涂参数进行喷涂防钛火涂层，通过多轴机械手夹持KM-CDS冷喷涂设备的拉瓦尔型喷枪，采用Ni粉和镀镍cBN颗粒的混合粉末作为喷涂用粉末，其中，Ni粉是粒度为20μm～40μm的球形气雾化粉末，镀镍cBN颗粒的直径为10μm～20μm，Ni份和镀镍cBN颗粒的质量比为1:4，连续喷涂直至整体叶盘的防钛火涂层的厚度为0.20mm，涂层覆盖率达100％，叶尖边缘无翘起、分层现象。拆除保护胶带、补偿夹具以及过喷涂涂层，完成涂层的制备。
[0042] 上述涂层制备过程中，利用冷喷涂的自锐化功能，不需要对工件进行吹砂粗化处理。采用的喷涂参数如下：喷涂气体的压力为650KPa，喷涂气体的温度为320℃，送粉速率为25g/min，喷涂距离为18mm。
[0043] 上述制备后的防钛火涂层内部cBN相的体积含量约32％，涂层结合强度大于30MPa，涂层耐磨性良好，涂层表面粗糙度不小于Ra5.0μm。且涂层不需要后续加工，保持的原始粗糙状态，提高了涂层的刮削性能。
[0044] 实施例4
[0045] 本发明尤其适用于钛合金整体叶盘防钛火涂层的喷涂。在制备防钛火涂层的过程中，首先用棉布蘸取丙酮擦拭整体叶盘，整体叶盘包括叶片的叶尖部位，确保没有油污等外来污染。并对除整体叶盘以外区域采用橡胶制品进行遮蔽保护。再者，在制备防钛火涂层前，通过对叶尖边缘部位安装补偿夹具，补偿夹具外表面与叶尖外表面平行，补偿夹具外表面低于叶尖外表面，从而可在喷涂过程中对叶尖边缘倒角处进行良好的喷涂，对叶片叶尖边缘由于冲击所造成的梯形坡边进行消除。
[0046] 采用KM-CDS冷喷涂设备对整体叶盘以合适的喷涂参数进行喷涂防钛火涂层，通过手工夹持KM-CDS冷喷涂设备的拉瓦尔型喷枪，采用Ni粉和镀镍cBN颗粒的混合粉末作为喷涂用粉末，其中，Ni粉是粒度为20μm～40μm的球形气雾化粉末，镀镍cBN颗粒的直径为10μm～20μm，Ni份和镀镍cBN颗粒的质量比为1:2，连续喷涂直至整体叶盘的防钛火涂层的厚度为0.17mm，涂层覆盖率达100％，叶尖边缘无翘起、分层现象。拆除保护胶带、补偿夹具以及过喷涂涂层，完成涂层的制备。
[0047] 上述涂层制备过程中，利用冷喷涂的自锐化功能，不需要对工件进行吹砂粗化处理。采用的喷涂参数如下：喷涂气体的压力为610KPa，喷涂气体的温度为295℃，送粉速率为19g/min，喷涂距离为16mm。
[0048] 上述制备后的防钛火涂层内部cBN相的体积含量约30％，涂层结合强度大于30MPa，涂层耐磨性良好，涂层表面粗糙度不小于Ra5.0μm。且涂层不需要后续加工，保持的原始粗糙状态，提高了涂层的刮削性能。
[0049] 本发明提供的一种防钛火涂层材料及用其制备防钛火涂层的方法，采用具有特殊配比及粒度分布的Ni粉和镀镍cBN颗粒的混合粉末以及超音速冷喷涂系统，成功在钛合金整体叶盘部位涂覆了cBN含量约30％、结合强度大于30Mpa的防钛火涂层。由于冷喷涂过程热输入低，涂层沉积过程中，粒子以固态形式通过高速碰撞后产生的塑性变形形成防钛火涂层，因此能够避免较大的热输入，从而减少工件变形。解决了钛合金整体叶盘尤其是叶尖部位防钛火涂层难以制备的技术难题，有效的减小了叶尖与机匣内壁的摩擦力，避免了摩擦热积累及叶尖磨损、烧损等问题。
