高结合强度抗高温氧化多孔MCrAlY可磨耗涂层及其制备方法与流程

本发明涉及一种用于航空发动机气路封严的可磨耗封严涂层制备方法，属于燃气轮机技术领域。

背景技术：

可磨耗封严涂层涂覆于燃气轮机静子部件表面，在高温高速工况下与转子部件对磨时能够发生主动磨耗，从而可通过转、静子的过盈配合实现转、静子之间最小间隙的控制，同时保护转子部件不被磨损，其对于降低燃气轮机油耗、提高效率和运行安全性具有重要意义。

可磨耗封严涂层因其疏松多孔的特点，在高温环境下容易受到氧化破坏，因此温度越高，涂层的设计制备难度越大。目前应用于发动机高温段的可磨耗涂层，以多孔mcraly涂层为主，该种涂层以抗高温氧化的mcraly为骨架组分，其中m代表ni、co或nico，涂层具有20％～50％的孔隙率。现有技术制备的多孔mcraly涂层在750℃以下温度具有较好的抗氧化性，但是在更高温度下涂层会因氧化而发生硬化和脱落掉块等，无法满足使用要求。

现有的多孔mcraly涂层，其制备工艺为，将mcraly粉末与聚苯酯粉末机械混合，采用大气等离子喷涂制备涂层，然后对涂层进行450～550℃大气条件下热处理烧除涂层中的聚苯酯，获得多孔mcraly涂层。该工艺制备的涂层，其孔隙率在20％～50％，硬度低于85hr15y，结合强度约8mpa，涂层性能基本能够满足750℃以下工况温度使用要求。但是由于这种工艺制备的涂层，其涂层骨架处于喷涂态，组成骨架的颗粒间存在微孔隙，在涂层整体存在大量宏观孔洞的情况下，氧化气氛容易渗透到涂层骨架微孔隙中，在高于750℃环境下随着温度的升高和时间的增加，涂层骨架快速氧化，导致涂层结合强度降低、涂层脱落掉块等问题发生。虽然通过降低涂层的宏观孔洞数量可以提高涂层的抗氧化性和结合强度，但是会引起涂层硬度的升高，无法满足涂层可磨耗性的要求。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供高结合强度抗高温氧化多孔mcraly可磨耗涂层，克服现有多孔mcraly可磨耗封严涂层耐氧化性不足等缺点，具体技术方案如下。

高结合强度抗高温氧化多孔mcraly可磨耗涂层，所述可磨耗涂层包括底层和多孔mcraly面层，其特征在于，所述底层孔隙率不大于2％，厚度0.05～0.3mm；所述多孔mcraly面层孔隙率为20％～60％，厚度0.5～5mm；所述可磨耗涂层1000℃抗氧化时间在2500h以上，结合强度在20mpa以上，硬度在85hr15y以下。

本发明的另一目的是提供高结合强度抗高温氧化多孔mcraly可磨耗涂层的制备方法，具体技术方案如下。

高结合强度抗高温氧化多孔mcraly可磨耗涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备mcraly/造孔剂复合粉末；

(2)在基体表面制备底层；

(3)在底层上热喷涂步骤(1)制备的mcraly/造孔剂复合粉末，制备mcraly面层；

(4)将步骤(3)得到的面层在大气条件下中温热处理去除造孔剂，得到多孔mcraly面层；

(5)将步骤(4)得到的多孔mcraly面层在真空条件下高温热处理，得到高结合强度抗高温氧化多孔mcraly可磨耗涂层。

进一步地，所述造孔剂为聚苯酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯等的一种或几种。

进一步地，步骤(1)所述mcraly/造孔剂复合粉末由mcraly合金粉末与造孔剂通过机械混合制备而成。

进一步地，步骤(1)所述mcraly/造孔剂复合粉末由mcraly合金粉末与造孔剂通过粘结剂复合而成，造孔剂在复合粉末中的重量占比为6％～20％，粘结剂在复合粉末中的重量占比为2％～10％，其余为mcraly。

进一步地，步骤(4)所述大气条件下中温热处理条件为：温度400～550℃，时间4～10h，升温速率5～10℃/min，随炉冷却。

进一步地，步骤(5)所述真空条件下高温热处理条件为：温度900～1100℃，保温时间为1.5～5h，压力0.001～0.5pa，升温速率8～15℃/min，随炉冷却或在温度低于500℃后惰气强制冷却。

进一步地，步骤(2)所述底层是指具备900℃以上完全抗氧化性的mcraly、alsiy或ptal底层，制备工艺是低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂、磁控溅射、eb-pvd、电镀或固相渗。

进一步地，所述底层孔隙率不大于2％，厚度0.05～0.3mm；所述面层孔隙率为20％～60％，厚度0.5～5mm。

进一步地，步骤(3)所述热喷涂为大气等离子喷涂。

本发明与现有技术相比，本发明制备的涂层有如下优点：

(1)涂层的抗氧化性显著增强。经过本发明所述真空热处理后，组成涂层骨架的颗粒间产生固相扩散冶金结合，提高了骨架自身的致密度；同时，骨架表面生成一层薄而致密的氧化铝保护膜，使得涂层的抗氧化性得到显著提升。现有技术多孔mcraly涂层在1000℃氧化900h即发生涂层脱落，本发明制备的多孔mcraly涂层氧化2500h仍然完好。

(2)涂层的结合强度增加而硬度基本保持不变。在本发明所选的真空热处理温度和时间条件下，对于孔隙率20％～60％的多孔mcraly涂层，真空热处理仅提高涂层骨架自身的致密度，不改变涂层中宏观孔洞的形貌和数量，因此涂层仍然保持宏观多孔的组织结构，涂层的硬度仍然在85hr15y以下，而涂层的结合强度可以提高到20mpa以上，是现有技术涂层的2.5倍以上。

附图说明

图1a和图1b是本发明涂层组织形貌照片。

图2a和图2b是现有技术涂层组织形貌照片。

图3是本发明涂层1000℃氧化2500h后涂层组织形貌照片。

图4是现有技术涂层1000℃氧化900h后涂层脱落照片。

具体实施方式

实施例1

步骤一：对基体进行预处理，采用低压等离子喷涂mcraly粉末制备底层，底层厚度150μm；

步骤二：采用大气等离子喷涂团聚复合mcraly/聚苯酯复合粉末制备面层，粉末中聚苯酯的重量占比为12％，喷涂工艺参数为：功率28kw、喷距120mm、送粉速率40g/min、基体预热温度120℃，面层喷涂厚度为2mm；

步骤三：将喷涂后的涂层置于大气电阻炉中，以10℃/min的速率由室温升至500℃后保温4h，随炉冷却至室温；

步骤四：将涂层置于真空热处理炉中，以8℃/min的速率由室温升至1050℃后保温2h，随炉冷却，完成涂层制备。

实施例2

步骤一：对基体进行预处理，采用超音速火焰喷涂mcraly粉末制备底层，底层厚度120μm；

步骤二：采用大气等离子喷涂团聚复合mcraly/聚苯酯复合粉末制备面层，粉末中聚苯酯的重量占比为15％，喷涂工艺参数为：功率28kw、喷距120mm、送粉速率40g/min、基体预热温度120℃，面层喷涂厚度为2mm；

步骤三：将喷涂后的涂层置于大气电阻炉中，以10℃/min的速率由室温升至500℃后保温5h，随炉冷却至室温；

步骤四：将涂层置于真空热处理炉中，以15℃/min的速率由室温升至1100℃后保温4h，随炉冷却，完成涂层制备。

实施例3

步骤一：对基体进行预处理，采用磁控溅射工艺制备mcraly底层，底层厚度90μm；

步骤二：采用大气等离子喷涂机械混合mcraly/聚苯酯复合粉末制备面层，粉末中聚苯酯的重量占比为8％，喷涂工艺参数为：功率26kw、喷距120mm、送粉速率40g/min、基体预热温度120℃，面层喷涂厚度为2mm；

步骤三：将喷涂后的涂层置于大气电阻炉中，以10℃/min的速率由室温升至500℃后保温3.5h，随炉冷却至室温；

步骤四：将涂层置于真空热处理炉中，以8℃/min的速率由室温升至1000℃后保温2h，随炉冷却，完成涂层制备。

实施例4

步骤一：对基体进行预处理，采用大气等离子喷涂工艺制备mcraly底层，底层厚度120μm；

步骤二：采用大气等离子喷涂机械混合mcraly/聚苯酯复合粉末制备面层，粉末中聚苯酯的重量占比为10％，喷涂工艺参数为：功率28kw、喷距120mm、送粉速率40g/min、基体预热温度120℃，面层喷涂厚度为2mm；

步骤三：将喷涂后的涂层置于大气电阻炉中，以10℃/min的速率由室温升至500℃后保温3.5h，随炉冷却至室温；

步骤四：将涂层置于真空热处理炉中，以10℃/min的速率由室温升至1000℃后保温2h，随炉冷却，完成涂层制备。