一种冷喷涂制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的方法
【专利摘要】本发明公开了一种冷喷涂制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的方法，属于高温合金防护涂层制备【技术领域】。该方法采用冷喷涂设备将烘干后的Cu-Ag-Zn合金粉末喷涂到表面经过喷砂处理的高温合金DZ445基体上，从而获得成分稳定、结合良好的Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层。结果表明，冷喷涂是一种制备Ag-Cu合金可磨耗封严涂层的有效方法，较现有热喷涂Ag-Cu合金工艺相比不仅具有涂层厚度大、致密、与基材结合力强、防护效果好等特点，同时还具有涂层基本不存在氧化以及针对涂层局部脱落进行现场修复等优点。本发明所述涂层起中低温封严作用，设计温度为400℃左右。
【专利说明】-种冷喷涂制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的方法 【技术领域】
[〇〇〇1] 本发明涉及高温合金防护涂层【技术领域】，具体涉及一种冷喷涂制备Cu-Ag-Zn可 磨耗封严涂层的方法。 【背景技术】
[0002] 为提高航空发动机的效率、降低油耗。应尽量减少压气机、涡轮机叶尖与机匣之间 的间隙。气路封严技术是提高发动机性能的重要手段一。可磨耗封严涂层由于其生产工艺 简便、返修和调整性能容易，封严效果好而得到应用。封严涂层大多由一定比例的金属相和 具有自润滑作用的非金属的复合材料组成，其中还有较多的孔洞。要求涂层较软，使叶尖容 易刮削涂层而不损伤叶片，即有好的可磨耗性；同时还要求涂层有一定的硬度。能抵抗发动 机中高速气流及其固体粒子的冲刷，即要求有好的抗冲蚀性；此外还要求涂层有好的结合 强度。它一般应用在转子轴、鼓简、轴、转动叶片叶尖、压气机和涡轮之间的封严装表面，以 控制间隙，减少泄漏。国外已有近二十种用于发动机不同部位的可磨耗封严涂层粉料。国 内主要从国外进口粉料，按提供的工艺参数进行喷涂，质量控制指标仅是硬度。因此，有必 要对涂层粉料、喷涂工艺和涂层性能进行系统研究。本文研究了几种中低温可磨耗封严涂 层粉料、工艺和基本性能。
[0003] 冷喷涂(又称冷气动力喷涂）是以压缩气体驱动金属粒子使其在完全固态下以极 高的速度碰撞基板，使粒子发生剧烈的塑性变形而沉积形成涂层的一种新型喷涂技术。冷 喷涂具有低温下固态沉积的特点，可以显著降低甚至完全消除传统热喷涂中氧化、相变、偏 析、残余拉应力和晶粒长大等不利影响。
[0004] 近年来，已经有了热喷涂包括火焰喷涂和等离子喷涂制备Ag-Cu合金封严涂层的 报道，但涂层质量不高，涂层与基体的界面处存在明显孔洞，涂层本身也不致密。且这种 Ag-Cu合金封严涂层只适用于在400°C以下的盘轴封严环。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种冷喷涂技术制备Cu-Ag-Zn封严涂层的方法，解决现 有热喷涂技术制备Ag-Cu合金封严涂层时存在的涂层质量差的问题，开辟一种新的制备 Ag-Cu合金封严涂层的有效途径，以期早日获得实际应用。
[0006] 本发明技术方案如下：
[0007] -种冷喷涂制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的方法，该方法是以Cu-Ag-Zn合金粉 末为原料，采用冷喷涂技术在高温合金DZ445基体上制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层。
[0008] 所述采用冷喷涂技术制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的过程中，采用带有气体加 热器的冷喷涂设备，喷涂时气体加热温度为200?550°C，喷涂气体可使用空气、氮气或氩 气，喷涂时气体压力为1. 5?2. 5MPa，喷涂距离为10?30mm。
[0009] 所述Cu-Ag-Zn合金粉末其化学成分按重量百分比为：Cu:40%?60%，Ag :10? 30%，Zn :余量；所述Cu-Ag-Zn合金粉末通过气雾化制粉法制备。
[0010] 所述Cu-Ag-Zn合金粉末，其粒度要求为：粒度〈35 μ m的合金粉末其质量百分含量 小于〈10%，粒度35 μ m?45 μ m的合金粉末其质量百分含量大于90%，余量为粒度>45 μ m 的合金粉末。
[0011] 所述高温合金DZ445的成分按重量百分比为：C :?0. 07%，Cr:?12. 96%，Co:? 9. 83%，W:?4. 55%，Mo:?1. 75%，A1:?4. 11%，Ti:?2. 29%，Ta:?4. 82%，Μη:〈0. 05%， Si:〈0. 10%，Ρ:〈0· 005%，S:〈0. 003%，Fe:〈0. 05%，Cu:〈0. 02%，其余为痕量。
[0012] 所述Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的厚度为50?500 μ m。
[0013] 上述方法所用带有气体加热器的冷喷涂设备包括气体加热器、送粉器、喷枪和控 制系统；其中：利用压缩空气送粉并对粉末加速，驱动气体和载气由最大压力3. OMPa的空 压机提供，所述气体加热器对载气进行加热，加热后的载气在喷枪内与送粉器输送的粉末 相混合，在喷枪内能够预热粉末且载气膨胀加速，喷枪垂直固定在支架上；试样在X-Y二维 运动平台上相对喷枪运动。
[0014] 本发明设计原理如下：
[0015] 要获得缺陷少、质量高的涂层需要制定一整套合理的工艺参数。虽然对载气体加 热能使粒子的速度增加，从而增加粒子的动能以至于更加容易和基体发生结合，但载气温 度过高会导致粉末颗粒内部的晶粒长大，恶化喷涂颗粒的性能；同时，会使喷涂粒子在喷枪 内发生融化，阻塞喷枪。当然，气体温度也不能太低，否则不利于喷涂颗粒的加速。在气体 温度降低的情况下，要使喷涂粒子发生沉积，需要增加气体压力，而气体压力受限于设备的 能力。
[0016] 本发明涂层的沉积是在带有气体加热器的冷喷涂设备上完成。设备在工作时仍然 基于空气动力学原理，利用高压气体（He、N 2、混合气体或空气）携带粉末颗粒经缩放管后产 生超音速双相流，在完全固态下撞击基体，通过较大的塑性流动变形而沉积于基体表面上 形成涂层。喷枪是利用Laval喷嘴原理设计的。喷涂过程中，当粒子的速度超过其相应的 临界速度时，粒子碰撞后沉积于基体表面，形成涂层；反之，将发生冲蚀现象。
[0017] 本发明的优点及有益效果如下：
[0018] 1、本发明为了提高涂层的质量，得到与基体结合紧密、且本身致密的涂层，采用了 具有气体加热器的冷喷涂设备，对送粉器出来的Cu-Ag-Zn合金粉进行加热，以达到软化粉 末，增加其塑性变形的能力，以得到高质量的Cu-Ag-Zn封严涂层。采用冷喷涂一步就可以 获得高质量的涂层，省略了后续的热处理，即节省了工序又降低了成本，有着广泛的应用前 旦 -5^ 〇
[0019] 2、本发明方法在喷涂过程中能够有效避免Cu-Ag-Zn合金粉末的氧化，对材料组 织结构影响小，保留了原始喷涂粉末的成分和结构，不产生杂质相。冷喷涂所用的Cu-Ag-Zn 合金粉末可以基本实现完全回收，大量节约了喷涂用粉。结果表明，冷喷涂是一种制备 Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的有效方法。
[0020] 3、本发明冷喷涂Cu-Ag-Zn涂层工艺较现有热喷涂Ag-Cu合金工艺相比不仅具有 涂层厚度大、致密、与基材结合力强、防护效果好等特点，同时还具有涂层基本不存在氧化 以及针对涂层可能出现的局部脱落现象进行现场修复等优
[0021] 4、本发明所制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层起中低温封严作用，设计点温度为 400°C左右，受气动冲刷及叶片刮削机匣震动应力，工作介质为空气。本发明填补了技术空 白，具有明显较好的技术效果。 【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明所用冷喷涂装置示意图；图中：1_控制系统，2-气体加热器，3-工作 台，4_de Lavel喷枪，5-送粉器。
[0023] 图2为本发明冷喷涂Cu-Ag-Zn封严涂层的扫描电镜照片；图中：(a)喷涂温度为 300°C、喷涂压力为1. 5MPa时涂层的截面形貌；(b)喷涂温度为350°C、喷涂压力为1. 5MPa 时涂层的截面形貌；(c)喷涂温度为400°C、喷涂压力为l.SMPa时涂层的截面形貌；（d)喷 涂温度为450°C、喷涂压力为1. 8MPa时涂层的截面形貌；（e)喷涂温度为500°C、喷涂压力 为2. OMPa时涂层的截面形貌；（f)喷涂温度为550°C、喷涂压力为2. IMPa时涂层的截面形 貌。 【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图及实施例详述本发明。
[0025] 如图1所示，带有气体加热器的冷喷涂系统包括气体加热器2、送粉器5、喷枪4和 控制系统1 ;利用压缩空气送粉并对粉末加速，驱动气体和载气由最大压力3. OMPa的空压 机提供，所述气体加热器2对载气进行加热，加热后的载气在喷枪4内与送粉器5输送的粉 末相混合，在喷枪4内能够预热粉末且载气膨胀加速，喷枪垂直固定在支架上；试样在X-Y 二维运动平台（工作台3)上相对喷枪运动。
[0026] 本发明中，喷涂原料选用Cu-Ag-Zn合金粉，喷涂基材为高温合金DZ445。喷涂设备 为上述带有气体加热器的冷喷涂系统。具体工艺参数如下：载气预热温度为200?550°C， 喷涂距离为10?30mm，喷涂压力为1. 5?2. 5MPa。喷涂前，基体应先使用丙酮、乙醇除油， 然后用24目的白刚玉进行喷砂粗化处理。
[0027] 喷涂原料选用的Cu-Ag-Zn合金粉，其化学成分按重量百分比为：Cu:40%?60%， Ag : 10?30%，Zn :余量；该合金粉末通过气雾化制粉法制备。
[0028] 所述Cu-Ag-Zn合金粉末，其粒度要求为：粒度〈35 μ m的合金粉末其质量百分含量 〈10%，粒度35 μ m?45 μ m的合金粉末其质量百分含量>90%，粒度>45 μ m的合金粉末为余 量。
[0029] 实施例1
[0030] 喷涂原料Cu-Ag-Zn合金粉，其化学成分按重量百分比为：Cu:45%，Ag :28%，Zn : 27% ;选择压缩空气作为喷涂介质，喷涂压力为2. OMPa，喷涂温度为250°C，喷涂距离为 25mm，采用冷喷涂在DZ445基体上制备Cu-Ag-Zn封严涂层。所制备的Cu-Ag-Zn涂层的孔 隙率见表1，维氏硬度见表2,与基体的结合力强度见表3。
[0031] 实施例2
[0032] 喷涂原料Cu-Ag-Zn合金粉，其化学成分按重量百分比为：Cu: 50%，Ag :25%，Zn : 25% ;选择压缩空气作为喷涂介质，喷涂压力为1. 5MPa，喷涂温度为300°C，喷涂距离为 20mm，采用冷喷涂在DZ445基体上制备Cu-Ag-Zn封严涂层。所制备的Cu-Ag-Zn涂层的扫 描电镜照片如图1 (a)所示，涂层孔隙率见表1，维氏硬度见表2,与基体的结合力强度见表 3〇
[0033] 实施例3
[0034] 喷涂原料Cu-Ag-Zn合金粉，其化学成分按重量百分比为：Cu:50%，Ag :25%，Zn : 25% ;选择压缩空气作为喷涂介质，喷涂压力为1. 5MPa，喷涂温度为350°C，喷涂距离为 20mm，采用冷喷涂在DZ445基体上制备Cu-Ag-Zn封严涂层。所制备的Cu-Ag-Zn涂层的扫 描电镜照片如图1(b)所示，涂层孔隙率见表1，维氏硬度见表2,与基体的结合力强度见表 3 〇
[0035] 实施例4
[0036] 喷涂原料Cu-Ag-Zn合金粉，其化学成分按重量百分比为：Cu: 50%，Ag :25%，Zn : 25% ;选择压缩空气作为喷涂介质，喷涂压力为1. 8MPa，喷涂温度为400°C，喷涂距离为 20mm，采用冷喷涂在DZ445基体上制备Cu-Ag-Zn封严涂层。所制备的Cu-Ag-Zn涂层的扫 描电镜照片如图1 (c)所示，涂层孔隙率见表1，维氏硬度见表2,与基体的结合力强度见表 3〇
[0037] 实施例5
[0038] 喷涂原料Cu-Ag-Zn合金粉，其化学成分按重量百分比为：Cu: 50%，Ag :25%，Zn : 25% ;选择压缩空气作为喷涂介质，喷涂压力为1. 8MPa，喷涂温度为450°C，喷涂距离为 20mm，采用冷喷涂在DZ445基体上制备Cu-Ag-Zn封严涂层。所制备的Cu-Ag-Zn涂层的扫 描电镜照片如图1(d)所示，涂层孔隙率见表1，维氏硬度见表2,与基体的结合力强度见表 3 〇
[0039] 实施例6
[0040] 喷涂原料Cu-Ag-Zn合金粉，其化学成分按重量百分比为：Cu: 50%，Ag :25%，Zn : 25% ;选择压缩空气作为喷涂介质，喷涂压力为2. OMPa，喷涂温度为500°C，喷涂距离为 20mm，采用冷喷涂在DZ445基体上制备Cu-Ag-Zn封严涂层。所制备的Cu-Ag-Zn涂层的扫 描电镜照片如图1 (e)所示，涂层孔隙率见表1，维氏硬度见表2,与基体的结合力强度见表 3〇
[0041] 实施例7
[0042] 喷涂原料Cu-Ag-Zn合金粉，其化学成分按重量百分比为：Cu:42%，Ag :25%，Zn : 33%;选择压缩空气作为喷涂介质，喷涂压力为2. IMPa，喷涂温度为550°C，喷涂距离为 20mm，采用冷喷涂在DZ445基体上制备Cu-Ag-Zn封严涂层。所制备的Cu-Ag-Zn涂层的扫 描电镜照片如图1(f)所示，涂层孔隙率见表1，维氏硬度见表2,与基体的结合力强度见表 3 〇
[0043] 表1不同冷喷涂工艺下Cu-Ag-Zn封严涂层的孔隙率对比
[0044]
【权利要求】
1. 一种冷喷涂制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的方法，其特征在于：该方法是以 Cu-Ag-Zn合金粉末为原料，采用冷喷涂技术在高温合金DZ445基体上制备Cu-Ag-Zn可磨耗 封严涂层。
2. 根据权利要求1所述的制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的方法，其特征在于：采用 冷喷涂技术制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的过程中，采用带有气体加热器的冷喷涂设备， 喷涂时气体加热温度为200?550°C，喷涂气体使用空气、氮气或氩气，喷涂时气体压力为 1. 5?2. 5MPa，喷涂距离为10?30mm。
3. 根据权利要求1所述的制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的方法，其特征在于：所述 Cu-Ag-Zn合金粉末其化学成分按重量百分比为：Cu:40%?60%，Ag : 10?30%，Zn :余量。
4. 根据权利要求3所述的制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的方法，其特征在于：所述 Cu-Ag-Zn合金粉末，其粒度要求为：粒度〈35 μ m的合金粉末其质量百分含量小于10%，粒度 35 μ m?45 μ m的合金粉末其质量百分含量大于90%，余量为粒度>45 μ m的合金粉末。
5. 根据权利要求1所述的制备Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的方法，其特征在于：所述 Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层的厚度为50?500 μ m。
【文档编号】C23C24/04GK104099608SQ201310123242
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月10日 优先权日:2013年4月10日
【发明者】沈艳芳, 崔新宇, 金征, 陶永山, 吴杰, 熊天英 申请人:中国科学院金属研究所