本发明涉及材料领域,具体涉及一种降低可磨耗组分损失率的可磨耗涂层喷涂方法。
背景技术:
可磨耗封严涂层一般用于涂覆于燃气轮机静子部件表面,在燃气轮机的高温高速工况下,可磨耗涂层与转子部件对磨时能够发生涂层的主动磨耗,从而实现转、静子的过盈配合,进而实现转、静子之间最小间隙的控制,同时保护转子部件不被磨损。可磨耗封严涂层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。
用于制备可磨耗封严涂层的原料粉末可以是包覆型粉末。图1的(a)示出包覆型粉末的颗粒的结构。包覆型粉末的颗粒具有包覆复合结构,所述颗粒包括核1和包覆所述核1的包覆层200,所述核1含有可磨耗组分,所述包覆层200含有骨架组分201和粘结剂202。骨架组分201的颗粒分布在粘结剂202的形成的基体中。其中,可磨耗组分一般为低剪切强度的非金属材料如石墨、氮化硼、聚苯酯等,其提供涂层的可磨耗性;骨架组分一般是al、alsi、cual、nicr等金属或陶瓷,其赋予涂层一定的强度及抗氧化性等。
相关技术使用等离子喷涂等方法制备可磨耗封严涂层。一个等离子喷涂示意图如图2所示。在一个阳极32和一个阴极31之间点火,产生高频率电弧。气体流33经电极之间被电离,由此产生等离子弧,进一步产生等离子焰流5。原料粉末从枪喷嘴4外注入等离子焰流5,被熔化,最后被气体加速并撞击基材6表面形成涂层7。
技术实现要素:
可磨耗封严涂层中通常含有骨架组分和可磨耗组分。发明人发现,可磨耗封严涂层中可磨耗组分的含量对其可磨耗性至关重要。但是,在制备可磨耗封严涂层时,可磨耗组分往往在等离子喷涂过程中损失,导致产品涂层中可磨耗组分的沉积率偏低,涂层质量不佳。
为了解决上述问题,发明人经大量研究,创造性地提出了以下喷涂机理:
如上所述,包覆型粉末的颗粒具有包覆复合结构,所述颗粒包括核1和包覆所述核1的包覆层200,所述核1含有可磨耗组分,所述包覆层200含有骨架组分201和粘结剂202。骨架组分201的颗粒分布在粘结剂202的形成的基体中。当原料粉末在焰流的的作用下从喷枪出发至到达基体时,原料粉末可能存在以下三种状态,如图1的(a)~(c)所示:
参见图1的(a),第一状态:粉末颗粒表面的粘结剂202完全未分解,此时,当颗粒撞击到基体表面时将发生反弹,无法沉积。
参见图1的(b),第二状态:粉末颗粒表面的粘结剂202仅分解了一部分,即一部分粘结剂202分解,使骨架组分裸露;另一部分粘结剂202未分解,起到将骨架组分固定在颗粒表面的作用。此时,当颗粒撞击到基体表面时,裸露的骨架组分能够与以液态或半固态形式贴合在基体上,可磨耗组分随之也沉积在了基体表面。
参见图1的(c),第三状态:粉末颗粒表面的粘结剂202完全分解,此时,颗粒失去了其骨架组分包覆可磨耗组分的结构,可磨耗组分在焰流中将发生烧损和撞击到基体后发生散落,无法有效沉积。
基于上述对于喷涂机理的新认识,发明人意识到,要获得质量改善的涂层,须使到达基体表面的粉末为第二状态的粉末。在这一理论指导下,发明人提出一种创新的制备可磨耗涂层的方法。该方法能够有效地改善可磨耗组分损失的问题,获得性能改善的涂层。
在一些方面,本公开提供一种在基体上喷涂可磨耗涂层的方法,该方法包括:
使用等离子喷涂的方法将原料粉末喷涂在基体上,形成可磨耗涂层;
其中,所述原料粉末的颗粒包括核和包覆所述核的包覆层,所述核含有可磨耗组分,所述包覆层含有骨架组分和粘结剂;
其中,所述原料粉末中
可磨耗组分的含量为5~60wt%(例如5~10wt%、10~20wt%、20~30wt%、30~40wt%、40~50或50~60wt%),
骨架组分的含量为35~90wt%(例如35-40wt%、40~50wt%、50~60wt%、60~70wt%、70~80wt%或80~90wt%),
粘结剂的含量为5~10wt%;
其中,所述等离子喷涂的参数如下:喷涂距离150mm~180mm(例如160~170mm)、送粉速率46g/min~60g/min(例如50~60g/min)、电流410a~450a(例如420~430a)、功率28kw~32kw(例如28~30kw)、喷涂等离子体气体含有氩气和氢气,氩气流量60-70l/min(例如65l/min)、氢气流量5l/min~6l/min、喷涂过程中基体温度控制在不高于200℃(例如为140~160℃)。
在一些实施方案中,原料粉末的颗粒具有包覆复合结构。
在一些实施方案中,上述方法还包括以下步骤:
在实施喷涂前,烘干原料粉末,然后对烘干后的粉末进行过筛,收集通过筛网的粉末,用于等离子喷涂;
所述烘干的温度为70-90℃;
所述筛网的目数为45-65目。
在一些实施方案中,所述可磨耗组分选自石墨、氮化硼和聚苯酯中的一种或多种。
在一些实施方案中,当所述可磨耗组分是氮化硼时,可磨耗组分在原料粉末中的含量为15~25wt%,例如28~22wt%。
在一些实施方案中,当所述可磨耗组分是石墨时,可磨耗组分在原料粉末中的含量为40~50wt%,例如43~48wt%。
在一些实施方案中,所述骨架组分选自金属和陶瓷中的一种或多种。
在一些实施方案中,所述骨架组分选自al、铝硅合金、铜合金、镍合金、铬合金中的一种或多种。
在一些实施方案中,铝硅合金中铝元素和硅元素的重量比为20~25:1~5,例如22:3。
在一些实施方案中,所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、醇酸清漆、丙烯酸酯中的一种或多种。
在一些实施方案中,所述原料粉末具有以下一项或多项特征:
原料粉末中最小颗粒的粒径不小于15微米;
原料粉末中最大颗粒的粒径不大于220微米;
原料粉末的d50粒径为40~80微米。
在一些实施方案中,在基底上喷涂可磨耗涂层之前,还包括对基底进行预处理的步骤,所述预处理选自表面清理、粗化、预喷涂高温合金层(例如镍铝合金层)中的一步或多步。
在一些方面,提供一种涂层,由上述任一项方法制备获得。
在一些方面,提供一种燃气轮机,所述燃气轮机的静子部件表面设置有上述涂层。
术语说明:
喷涂距离:喷嘴出口中心点与喷嘴轴线和基体表面交点之间的直线距离,单位一般为mm。
送粉速率:喷涂原料被输送入喷涂焰流的速率,单位一般为g/min。
电流:喷涂等离子体正、负极之间的直流电流强度,单位一般为a。
功率:喷涂等离子体正、负极之间电流和电压的乘积,单位一般为kw。
喷涂气体:用于产生等离子体的气体。
d50粒径:累积粒度分布百分数达到50%时对应的粒径值。
有益效果
本公开方法或产品具有以下一项或多项优点:
(1)可磨耗组分的损失少,沉积率高;
(2)涂层中可磨耗组分的含量高;
(3)涂层中可磨耗组分分布均匀;
(4)涂层的结合强度高。
附图说明
图1为原料粉末在等离子喷涂焰流中的颗粒结构变化的示意图;
图2为一个等离子喷涂过程的示意图;
图3为实施例1的涂层的截面的扫描电子显微镜照片;
图4为对比例1的涂层的截面的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
以下实施例使用的原料粉末(铝硅氮化硼复合粉末/铝硅石墨复合粉末)的成分和粒径参数如下:
*铝硅合金中铝元素和硅元素的重量比为22:3
*原料粉末的粒径范围为15~220微米。即原料粉末中最小颗粒的粒径不小于15微米,最大颗粒的粒径不大于220微米。
*粘结剂是丙烯酸酯。
实施例1
步骤一:将铝硅氮化硼复合粉末在80℃下烘干30min,用50目筛网对烘干后的粉末过筛,取筛下物备用;
步骤二:对待涂覆不锈钢基体进行表面清理和吹砂粗化,采用常规工艺大气等离子喷涂镍铝复合粉末制备底层,厚度120μm;
步骤三:以步骤一制取的粉末为喷涂材料,使用metco公司的f4mb喷枪进行喷涂,喷涂参数为:喷涂距离150mm、送粉速率50g/min、电流410a、功率28kw、氩气流量65l/min、氢气流量5l/min、喷涂过程中基体温度80℃~150℃。
实施例2
步骤一:将铝硅石墨复合粉末在80℃下烘干30min,用50目筛网对烘干后的粉末过筛,取筛下物备用;
步骤二:对待涂覆不锈钢基体进行表面清理和吹砂粗化,采用常规工艺大气等离子喷涂镍铝复合粉末制备底层,厚度120μm;
步骤三:以步骤一制取的粉末为喷涂材料,使用metco公司的f4mb喷枪进行喷涂,喷涂参数为:喷涂距离160mm、送粉速率60g/min、电流450a、功率30kw、氩气流量65l/min、氢气流量6l/min、喷涂过程中基体温度80℃~150℃。
实施例3
步骤一:将铝硅氮化硼复合粉末在80℃下烘干30min,用60目筛网对烘干后的粉末过筛,取筛下物备用;
步骤二:对待涂覆基体进行表面清理和吹砂粗化,采用常规工艺大气等离子喷涂镍铝复合粉末制备底层,厚度110μm;
步骤三:以步骤一制取的粉末为喷涂材料,使用metco公司的f4喷枪进行喷涂,喷涂参数为:喷涂距离180mm、送粉速率55g/min、电流410a、功率28kw、氩气流量65l/min、氢气流量5l/min、喷涂过程中基体温度80℃~150℃。
实施例4
步骤一:将铝氮化硼复合粉末在100℃下烘干30min,用50目筛网对烘干后的粉末过筛,取筛下物备用;
步骤二:对待涂覆基体进行表面清理和吹砂粗化,采用常规工艺大气等离子喷涂镍铝复合粉末制备底层,厚度120μm;
步骤三:以步骤一制取的粉末为喷涂材料,使用metco公司的f4喷枪进行喷涂,喷涂参数为:喷涂距离160mm、送粉速率60g/min、电流450a、功率30kw、氩气流量65l/min、氢气流量6l/min、喷涂过程中基体温度80℃~150℃。
对比例1
对比例1与实施例1步骤一、二相同,区别在于步骤三:喷涂参数不同。
步骤三的喷涂参数如下:以步骤一制取的粉末为喷涂材料,使用metco公司的f4喷枪进行喷涂,喷涂参数为:喷涂距离110mm、送粉速率35g/min、电流480a、功率35kw、氩气流量75l/min、氢气流量7l/min、喷涂过程中基体温度200℃。
对比例2
对比例2与实施例2步骤一、二相同,区别在于步骤三:喷涂参数不同。
步骤三的喷涂参数如下:以步骤一制取的粉末为喷涂材料,使用metco公司的f4喷枪进行喷涂,喷涂参数为:喷涂距离190mm、送粉速率65g/min、电流400a、功率27kw、氩气流量65l/min、氢气流量4l/min、喷涂过程中基体温度150℃。
实施例1~4和对比例1~2的喷涂参数和涂层沉积率如下表所示:
表1
分析检测:
(1)涂层中可磨耗组分(氮化硼/石墨)含量检测方法如下
氮化硼含量测试方法:采用机械方式将铝硅氮化硼涂层从基体上剥离,并研磨成粉末,然后采用icp-aes法测定粉末中b的含量,最后根据分子量计算bn的含量,b含量检测标准为nacis/ch121:2013。
石墨含量测试方法:采用机械方式将铝硅石墨涂层从基体上剥离,并研磨成粉末,然后采用高频燃烧红外吸收法测定涂层中c含量,参考标准:astmc1494-2013。
(2)涂层结合强度检测方法如下
涂层结合强度测试方法参照《hb5476-1991热喷涂涂层结合强度试验方法》进行。
(3)涂层沉积率检测:
涂层沉积率检测参照《gb/t31564-2015热喷涂热喷涂沉积效率的测定》进行。
实施例1~4和对比例1~2的涂层中可磨耗组分(氮化硼/石墨)的含量、涂层与基体的结合强度以及涂层的沉积率如下表所示:
表2
(4)涂层形貌
图3和图4分别为实施例1和对比例1的涂层截面的扫描电子显微镜照片。图中的神色区域代表为氮化硼,浅色区域代表为铝硅合金。如图3和4的对比可知,相较于对比例1的涂层,实施例1的涂层中氮化硼的含量更高,而且氮化硼在涂层中的分布更为均匀。
基于上述实施例1~4和对比例1~2的实验数据对比可知,本申请方法确实获得了以下一项或多项优点:
(1)涂层制备过程中可磨耗组分的损失少,沉积率高;
(2)涂层中可磨耗组分的含量高;
(3)涂层中可磨耗组分分布均匀;
(4)涂层的结合强度高。
尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述,但本领域技术人员将理解:根据已经公开的所有教导,可以对细节进行各种修改变动,并且这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。