[发明专利]一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法

说明书

一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，所述方法以单晶高温合金涡轮叶片作为基材，以掺杂纳米陶瓷颗粒增强的抗氧化合金复合材料作为涂层材料，采用高能微弧火花沉积工艺制备与基材组织保持定向外延生长的纳米陶瓷颗粒增强耐磨涂层。本发明借助高能微弧火花沉积过程形成的高温度梯度、高冷却速度及接近一维单向快速凝固条件，使纳米陶瓷颗粒均匀分布于涂层中同时保持涂层组织的定向外延生长，获得良好的高温耐磨性，同时因极高的能量密度，涂层与单晶涡轮叶片界面处的热影响区宽度极窄，避免单晶基体的组织变化及热裂纹的产生。

技术领域

本发明涉及一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，属金属表面涂层制备技术领域。

背景技术

为了提高航空发动机工作效率、降低油耗与成本，在高速旋转的转子叶片与静子部件之间建立封严涂层体系成为至关重要的一环。封严涂层体系一般由两个部分组成，即涂覆于静子部件上的可磨耗封严涂层和涂覆于压气机与涡轮叶片等转子部件上的耐磨涂层。随着航空发动机性能的逐步提升，进口温度越来越高，单晶高温合金涡轮叶片的使用量也日益增多，叶片叶尖承受很高的工作应力与工作温度且变化频繁、剧烈，同时存在氧化、腐蚀等问题，而与之对磨的ZrO₂基、MCrAlY基可磨耗涂层硬度又较高，发动机工作过程中往往发生叶片叶尖的磨短或叶片材料与可磨耗涂层材料的相互转移，影响发动机的使用性能。这些问题使得叶片叶尖的高温耐磨涂层的需求越来越迫切。

叶尖耐磨涂层一般采用金属基陶瓷复合材料，合金基体作为粘结相并提供抗氧化性和耐腐蚀性，陶瓷颗粒则提供高硬度和高耐磨性。对于单晶高温合金这类具有强烈组织取向的材料而言，枝晶的<001>取向平行于主应力方向，该方向的涂层必须保持与基体的定向外延生长才能避免因热应力不匹配造成的热疲劳和热机械疲劳性能的降低。目前，对于制备单晶涡轮叶片在<001>方向上的耐磨涂层主要是激光熔覆技术，然而该技术由于激光熔覆层厚度尺度较大，熔覆层中会出现柱状晶向等轴晶转变，而陶瓷颗粒则起到了促进这种转化进行的作用。高能微弧火花沉积过程的沉积斑厚度范围一般小于60μm，温度梯度10⁷-10⁹K/m，冷却速度10⁵-10⁶K/s,能够保证沉积层全厚度范围内的定向柱晶生长，而纳米陶瓷颗粒则因为超快的凝固前沿速度而被“包裹”进枝晶中，形成均匀分布的纳米陶瓷颗粒增强的具有定向外延生长特征的耐磨涂层。

发明内容

本发明的目的是，为了解决单晶高温合金涡轮叶片叶尖的耐磨涂层制备难题，提出一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法。

实现本发明的技术方案是，一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，所述方法以单晶高温合金涡轮叶片作为基材，以掺杂纳米陶瓷颗粒增强的抗氧化合金复合材料作为涂层材料，采用高能微弧火花沉积工艺制备与基材组织保持定向外延生长的纳米陶瓷颗粒增强耐磨涂层；具体步骤如下：

（1）制备纳米陶瓷颗粒增强的耐磨涂层复合材料电极；

（2）采用高能微弧火花沉积设备在单晶高温合金涡轮叶片表面制备纳米陶瓷颗粒增强的耐磨涂层。

所述耐磨涂层复合材料电极制备步骤如下：

（1）将纳米级陶瓷颗粒以一定的比例加入到抗氧化合金粉末中，采用行星球磨机对混合粉末进行高能球磨，使纳米陶瓷颗粒与抗氧化合金均匀混合；

（2）将混合后的粉末经过热等静压制备成致密性良好的复合材料合金块体；

（3）在复合材料块体中采用线切割制备一定直径的棒料作为电极。

所述纳米陶瓷颗粒增强的耐磨涂层制备步骤如下：

（1）对单晶高温合金涡轮叶片叶尖表面进行打磨、丙酮或酒精清洗后作为基材接入负极，将纳米陶瓷颗粒增强复合材料电极接入正极；