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航空发动机热端零件真空镀膜技术

浏览数:900 发布于:2021-08-11

为了提高耐腐蚀性、抗氧化性、耐磨性等。并延长零件的使用寿命,通常采用在航空发动机热端零件上喷涂一层具有防腐、抗氧化和抗磨损功能的保护涂层。由于系统设计主要原因,某型航空公司发动机在工作发展过程中,一级涡轮导向器隔热罩密封篦齿的外篦齿暴露在高温燃烧区,没有能力得到合理有效控制冷却,热应力大,造成篦齿根部背面涂层开裂问题甚至出现脱落,如图1所示。统计分析表明,某型航空发动机长时间工作时,一级涡轮导向隔热罩上的NiCr-Cr3C2涂层裂纹故障率高达80%,因此研究热端零件上的NiCr-Cr3C2涂层修复技术是一个亟待解决的问题。为了解决涂层开裂甚至堵塞失效的问题,需要不断提高涂层的结合工作强度,保证涂层技术具有一个相当的耐腐蚀性、高温抗氧化性、耐磨性等。因此,有必要适当调整涂料的组成比例。
  调节涂料的组成比例
  一级涡轮导向器隔热罩原涂层是以镍、钴、铬、铝、钇为底层,20%Ni5%Cr-75%Cr3C2为顶层的混合粉末喷涂而成。由于作为涂层底层的Ni-Co-Cr-Al-Y可以满足结合强度的要求,所以成分不需要调整。NiCr-Cr3C2涂层是一种碳化物涂层,利用碳的高硬度、耐高温和一定的润滑性,具有良好的抗冲击性和韧性,在喷涂过程中,NiCr-Cr3C2复合粉末中的镍会与Ni-Co-Cr-Al-Y底层的铝发生反应,改善涂层与基体的结合力。因此,应通过进行适当可以降低Cr3C2的含量和增加NiCr中镍的含量来提高以及涂层与基体的结合工作强度。
  1、表面材料及配比
  NiCr-Cr3C2涂层由NiCr合金和Cr3C2粉末材料组成。不同的结构设计形式、成分和粒度,涂层技术性能也不同。


  可以看出,Nicr 合金和 cr3c2粉末有两种结构形式,一种是混合团聚粉末,另一种是包覆复合粉末,如图2所示。
  混合粉末涂层在高温气体中具有良好的韧性和较强的抗气蚀性,但在进行喷涂施工过程中,Cr3C2在500~700容易氧化成Cr2O3,硬度可以降低。涂层粉末涂层结合力强,硬度高,表面光滑。高温下耐磨性和抗氧化性强,由于NiCr合金在喷涂过程中具有良好的抗氧化性,Cr3C2得到很好的保护,使Cr3C2不被通过氧化和流失,使涂层保持高硬度。因此,对NiCr合金和Cr3C2粉末进行了组织包覆。从表1可以看出,30%NiCr-70%Cr3C2复合材料粉末进行制备的涂层之间结合力强、硬度高、耐高温以及氧化、耐磨、耐磨,用于830下因表面坚硬或磨料磨损而产生的磨损。与其他粉末部件相比,它最适合航空发动机热端部件的运行特性。因此采用包覆的25%Ni5%Cr-70%Cr3C2复合粉末代替混合型粉末
  2.包覆复合粉末的制备工艺
  涂层NiCr-Cr3C2复合材料粉末是通过分析高压氢还原信息技术在Cr3C2粉末进行表面涂覆镍层,然后用这些涂层法在镀镍Cr3C2表面可以结合超细铬粉而制备的。图3为制备的NiCr-Cr3C2复合粉末的表面形貌。从图3可以看出,复合粉末具有一定的金刚石形状,粒度分布均匀,粒度分布在50-70微米之间.结果分析表明,复合粉体的流速一般小于0.6s/g,堆积以及密度影响大于1.6g/ml。
  测试方法和特性
  1.测试材料
  根据不同的试验,实验中使用的基体材料是1cr18ni9ti,基体尺寸有两种,一个是25.4mm,另一种为80mm20mm1mm。选用中科院工艺研究所开发的NiCr和Cr3C2粉末作为涂层材料,复合粉末的粒度分布为50-70 μm,图2为原始材料粉末的SEM形貌。
  2.涂层制备
在制备涂层之前,零件在丙酮中进行超声波清洗,去除表面的氧化物和油污,然后喷砂和粗化基体表面。然后,采用AVIC航空公司制造企业工程建设北京大学研究所进行开发的APS-2000空气等离子喷涂技术系统(氩气为等离子体气体,氢气为辅助工作气体),氧化反应程度低,杂质含量低,纯度高。地层涂层密度高达88%至90%,孔隙率3%至8%,氧化物含量极低,组合强度为40至50MPa,硬度较高。根据表2中的等离子喷涂技术工艺设计参数,在样品进行表面喷涂厚度约为70~150m的镍-钴-铬-铝-钇复合金属粉末可以作为社会底层,在厚度约为200~300m的镍铬涂层碳化铬粉末上喷涂30%的NiCr。
  3.测试表征
  用装有能谱仪附件的JLSM5910扫描电子显微镜分析了喷涂样品的微观结构,用日本对岛公司生产的电子拉力试验机AG-IS100KN测试了涂层的结合强度和弯曲强度。把样本切成25.4毫米的圆盘,然后用E-7胶粘接在双件上,再放入烘箱中100固化3小时。取出后,室温静置24小时,然后用电子拉力机测试分析涂层的结合工作强度。测试三组,取三组的算术平均值。用电子拉力试验机(AGIS100KN)将样品绕芯轴轮廓缓慢弯曲至90度,R=12.5mm(涂层向外),测试三组,用肉眼或5倍放大镜检查涂层。涂层材料硬度用《北京经济时报》生产的TH320洛氏硬度计进行测试,载荷为15N,硬度以及测试5~10分,取算术计算平均值。热振动试验用于测试涂层承受冷热循环应力的能力。在RJM-2.8-10A马弗炉上进行了热振动试验。首先,将样品加热至850,保持5~10分钟,然后进行快速淬火至室温环境作为热冲击循环,持续5 ~ 10个热循环。测试结果和讨论一、涂层的微观结构分析
  从扫描电镜下涂层的微观经济结构分析可以直接看出,大气等离子喷涂的涂层技术具有非常明显的扁平层状结构,层间结合紧密。除了一些大的气孔,大多数气孔都比较小(微米水平)。对镀层不同部位元素的能谱分析表明,镀层浅灰区富含 ni、 fe、 o 元素,深灰区主要由 cr 碳化物组成,结合区主要由 al、 ni、 fe 元素组成,少量 si、 mo 化合物。此外,涂层的微观经济结构中存在对于一些黑点,即气孔,这可能是企业由于进行喷涂施工过程中镀镍铬的碳化铬粉末在等离子火焰流中不能为了获得一个良好的熔化效果,熔化不充分的粉末不能完全扩散到基体上,导致后续喷涂颗粒撞击涂层时产生间隙;此外,喷涂环境中有大量空气,容易被熔融颗粒吸附,冷却凝固时不能及时完全消除,因此,组织中会留下缺陷,从而形成孔隙。
  b、涂料基本性能分析
  技术进行文件管理要求涂层的硬度标准应32HRc,结合工作强度设计标准应34MPa。涂层在热振动试验中不应剥落、开裂或剥落,弯曲试验中的涂层R不应允许有粘结裂纹和剥落。试验结果表明,涂层硬度为33.5~50.5HRc。平均结合强度为49兆帕;热振动循环过程中,涂层样品表面无剥落、开裂和剥落现象;弯曲后,R处的涂层没有连贯的裂纹和剥落。
  c、分析与讨论
  镍铬涂层碳化铬中的镍可以细化晶粒,提高韧性,铬具有较高的硬度。生成的Cr3C2氧化膜可以防止涂层被气体进一步氧化,还可以提高涂层的耐磨性。NiCr-Cr3C2复合材料粉末中的镍在喷涂施工过程中我们会与镍钴铬铝钇底层的铝发生变化反应,提高以及涂层与基体的附着力。Al 是一种强脱氧剂,由此产生的 Al2O3 可抑制外部媒体对母体材料的进一步腐蚀。因此,镍钴铬铝钇底层技术可以与基体和涂层形成微冶金企业结合,从而不断提高涂层结合力,提高涂层进行结合工作强度。
  结论
(1)涂层材料及配比为30%NiCr-70%Cr3C2复合粉末。采用高压氢还原技术结合法制备的NiCr-Cr3C2复合材料粉末企业具有不同粒度分布进行均匀、流速快、松装密度选择合适、热喷涂送粉性能好等优点。
(2)常压等离子喷涂制备的涂层表面光滑、耐高温磨损、抗高温氧化性好,可获得银灰色致密涂层。

(3)硬度、拉伸试验、热震试验和弯曲试验研究表明,制备的涂层技术具有非常优异的显微硬度、结合工作强度、抗热震性和抗弯曲性,能够得到满足我国航空公司发动机热端零件涂层的防护能力要求。(4)通过对航空发动机热端零件涂层防护技术的研究,选择合适的涂层材料及其配比,完善了制备NiCr-Cr3C2涂层的工艺方法,进一步掌握了航空发动机热端零件防护涂层修复技术,成功修复了航空产品在高温下的磨损、磨蚀和易氧化,保证了航空产品的质量。


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