金属叶片及处理方法与流程

本发明涉及工业设备制造领域，特别是涉及一种金属叶片及处理方法。

背景技术：

与不锈钢相比，钛合金，例如tc4和ti-6al-4v，具有优异的耐腐蚀性和强度重量比。因此，钛合金已被广泛用于汽轮机和压缩机叶片，特别是用于限制离心应力的大尺寸的叶片。

尽管钛合金具有优异的化学和物理机械性能，但是其通常硬度低，耐磨性较差。尤其是，如图1所示为金属叶片和微动系统之间的微动磨损的示意图，当钛合金应用在涡轮叶片上时，在金属叶片101和轮盘102之间存在接触运动。负载下的接触表面103的磨损和材料转移以及相对运动，将导致所谓的微动磨损。该微动磨损会影响叶片接触表面103的疲劳强度并会导致小疲劳裂纹，即微动裂纹。这种微动裂纹的扩散最终将导致叶片故障。

微动磨损导致的微动疲劳损伤是涡轮叶片的一种常见故障，钛合金制成的叶片(简称为钛叶片)更是如此。目前业界已经提出了多种解决方案，以保护钛合金叶片远离微动磨损导致的故障。

一种典型的现有技术是：通过电镀或热喷涂的方式，在所述接触表面103上增加硬质陶瓷的涂层。然而，所述硬质陶瓷通常非常易碎的，而且与钛叶片具有相对低的粘合力，这会导致硬质陶瓷涂层容易产生裂纹，甚至从钛叶片剥离。

另一种现有技术是：通过热喷涂方式在所述接触表面上喷涂上较软和粗糙的铜镍铟(cuniin)材料，作为滑动润滑剂薄层固定。但是这种保护涂层的局限是较低的最高工作温度和使用寿命。另外，cuniin材料的主要成分铟是一种稀土元素，供应量少、成本高，这也是一个主要问题。目前研究人员正在寻找替代cuniin涂层的微动磨损的解决方案。

再有，钛金属表面氧化可以生成一层硬质的钛氧化层，这种钛氧化层已用于对钛叶片的防腐蚀保护。然而，传统的阳极氧化产生的氧化层通常很薄(几个或几十微米)很脆，与基体金属结合力比较弱，不适用于微动磨损的长时间保护。

技术实现要素：

本发明实施方式提出一种金属叶片的处理方法，从而以较低的成本实现金属叶片的较高的抗微动磨损性能。

本发明实施方式提出一种金属叶片，可以具有较高的抗微动磨损的性能，且制备成本较低。

本发明的技术方案如下所述：

一种金属叶片的处理方法，包括：

对金属叶片进行微弧氧化；

对所述金属叶片施加固体润滑剂，其中所述金属叶片上的微弧氧化层的微孔作为所述固体润滑剂的承载体。

在本发明所述处理方法的一种优选实施例中，对所述金属叶片施加固体润滑剂的步骤包括：在所述对金属叶片的微弧氧化的过程中，在微弧氧化的电解液中直接添加固体润滑剂。

在本发明所述处理方法的一种优选实施例中，对所述金属叶片施加固体润滑剂的步骤包括：对所述金属叶片进行微弧氧化后，向所述金属叶片的微弧氧化层喷涂固体润滑剂。

在本发明所述处理方法的一种优选实施例中，对金属叶片进行微弧氧化的步骤包括：对所述金属叶片与轮盘接触的叶根部分进行微弧氧化。

在本发明所述处理方法的一种优选实施例中，所述金属叶片包括：钛合金叶片、或铝合金叶片、或镁合金叶片。

在本发明所述处理方法的一种优选实施例中，所述固体润滑剂包括：石墨、或氮化硼、或二硫化钼、或氟化钙。

一种金属叶片，所述金属叶片具有微弧氧化层；所述微弧氧化层具有固体润滑剂，其中所述微弧氧化层的微孔作为所述固体润滑剂的承载体。

在本发明所述金属叶片的一种优选实施例中，所述金属叶片的与轮盘接触的叶根部分具有所述微弧氧化层。

在本发明所述金属叶片的一种优选实施例中，所述金属叶片包括：钛合金叶片、或铝合金叶片、或镁合金。

在本发明所述金属叶片的一种优选实施例中，所述固体润滑剂包括：石墨、或氮化硼、或二硫化钼、或氟化钙。

从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，采用了微弧氧化工艺对金属叶片进行了微弧氧化，将微弧氧化成作为抗微动磨损的保护层，相比现有技术cuniin材料层，本发明可以用简单的设备制备，生产成本更加低廉；而且，由于微弧氧化层与金属叶片之间的结合属于冶金结合，从而具有很高的粘附力，对金属叶片具有良好的粘结性能，相比现有技术的硬质陶瓷涂层更加牢固且韧性好，抗微动磨损的性能更强；同时，所述微弧氧化层具有多孔结构，其中的微孔可用于承载附加的固体润滑剂，从而可以提高磨损寿命，因为所述固体润滑剂可以不断地从微弧氧化层的微孔中出来，不断起到润滑作用。

本发明所述的金属叶片，不但可以适用于钛合金叶片，也可以适用于铝合金叶片，所述金属叶片尤其可应用于汽轮机、压缩机、燃气轮机的叶片中。

附图说明

图1所示为金属叶片和微动系统之间的微动磨损的示意图；

图2为本发明所述金属叶片的处理方法的一种实施流程图；

图3为微弧氧化生产设备的示意图；

图4为传统的阳极氧化和微弧氧化生成的氧化层的表面和横截面的对比示意图。

其中，附图标记如下：

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以阐述性说明本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

在本发明实施方式中，提出了一种金属叶片的处理方法。图2为本发明所述金属叶片的处理方法的一种实施流程图，参见图2，该金属叶片的处理方法的一种实施例主要包括：

201、对金属叶片进行微弧氧化。

202、对所述金属叶片施加固体润滑剂，其中所述金属叶片上的微弧氧化层的微孔作为所述固体润滑剂的承载体。

经过本发明的处理，所述金属叶片具备了如下特征：所述金属叶片具有微弧氧化层；所述微弧氧化层具有固体润滑剂，其中所述微弧氧化层的微孔作为所述固体润滑剂的承载体。

所述微弧氧化(mao)是一种等离子体电解沉积技术，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。微弧氧化技术突破了传统的阳极氧化的电压限制，可以快速生成较厚的氧化层。

图3为微弧氧化生产设备的示意图。参见图3，微弧氧化的生产过程相对简单，不会涉及昂贵和复杂的设备，相比现有技术cuniin材料层，本发明可以用简单的设备制备，生产成本更加低廉。其中涉及的设备包括多功能电源301、不锈钢槽302、搅拌器303、温度计304、冷却系统305，所述不锈钢槽302中具有电解液，金属叶片306放置在电解液中，由多功能电源301供电对所述金属叶片306进行微弧氧化。

所述微弧氧化生成的氧化层的厚度可以通过微弧氧化的时间、电解液的浓度、以及对选定的电解液施加电压(高达2kv)的方式进行调整，在本发明的较佳实施例中，所述金属叶片的微弧氧化层的较佳厚度可以是100到500微米。

所述微弧氧化生成的氧化层的硬度可以通过电解液的浓度、以及对选定的电解液施加电压的方式进行调整，所述微弧氧化层的硬度可以高达1000-4000维氏硬度(hv)。

由于所述金属叶片的微弧氧化层具有较佳的厚度和硬度，因此具备优秀的耐磨性，尤其是具备优秀的抗微动磨损性能。

而且，不像其它现有的热喷涂陶瓷涂层，微弧氧化层由于微弧溶解，会与金属叶片的表面进行冶金结合，从而具有很高的粘附力，不易破损。如图4为传统的阳极氧化和微弧氧化生成的氧化层的表面和横截面的对比示意图。图4中左侧401为传统的阳极氧化生成的氧化层，上半部分411为该氧化层的表面，下半部分412为该氧化层的横截面。图4中右侧402为微弧氧化所生成的微弧氧化层，上半部分421为该微弧氧化层的表面，下半部分422为该微弧氧化层的横截面。对比传统的阳极氧化和微弧氧化生成的氧化层横截面可以明显看出微弧氧化的氧化层与基体金属结合更加紧密。

此外，微弧氧化层也表现出较少的缺陷和良好的韧性。所述韧性是指：可以根据需求调整微弧氧化的功率以及电解液的成分，从而可以使得微弧氧化层产生相应的结构上的改变，以适用于不同的场景需求。以铝合金为例，不同于阳极氧化形成的无定形结构，微弧氧化所形成的陶瓷结构主要由γ-al2o3相和α-al2o3相组成，其中α-al2o3相使膜层硬度高、耐磨性好，而γ-al2o3相使膜层具有好的韧性，通过调节 微弧氧化参数，可以相应调节两相的比例，从而优化氧化膜的综合性能。微弧氧化的这些特点使得微弧氧化层适合于金属叶片微动磨损的保护。

同时，所述微弧氧化所用到的电解液是中性或弱碱性溶液，其中不添加重金属，因此对环境造成的污染小，相对传统阳极氧化或者铬化表面处理环境友好。并且微弧氧化永夜温度以室温为主，变化范围较宽，易于操作。另外，因为不涉及对基体金属的高温热处理过程，所以不会对叶片的形状和机械性能造成不利影响。

微弧氧化层的一个特点是氧化层较厚且具有多孔性，从图4中可以清楚地看到，微弧氧化层421的表面上有许多微孔，在某些方面这些微孔可能是微弧氧化层的某种缺陷，例如这些微孔可能会影响到微弧氧化层的耐腐蚀性。然而，本发明却巧妙地利用了微弧氧化层上的这些微孔。即本发明对所述金属叶片施加固体润滑剂，其中所述金属叶片上的微弧氧化层的微孔作为所述固体润滑剂的承载体。也就是说，对于金属叶片的微动磨损的保护来说，所述微弧氧化层上的微孔反而是一种优势，这些微孔可以作为额外的固体润滑剂的承载体。

所述微弧氧化层上的微孔可以作为所述固体润滑剂的完全的承载体，所述微弧氧化层上的微孔也可以作为所述固体润滑剂的部分承载体。

所谓完全的承载体，是指所述固体润滑剂不施加在所述微弧氧化层的表面上，而是施加在所述微弧氧化层的微孔内，在磨损时，所述固体润滑剂可以不断地从微弧氧化层的微孔中释放出来，不断起到润滑作用，从而提高了磨损寿命。

所谓部分承载体，是指所述固体润滑剂的一部分可以施加在所述微弧氧化层的表面上，一部分可以施加在所述微弧氧化层的所述微孔内。由于金属叶片的微弧氧化层施加了固体润滑剂，因此本发明可以进一步降低微动损伤，所述微弧氧化层具有多孔结构，其中的微孔可用于承载附加的部分固体润滑剂，微弧氧化层表面上的固体润滑剂可以先磨损，待微弧氧化层表面上的固体润滑剂磨损完之后，所述固体润滑剂可以不断地从微弧氧化层的微孔中释放出来，不断起到润滑作用，从而提高了磨损寿命。

本发明中，所述固体润滑剂具体可以包括：石墨、或氮化硼、或二硫化钼、或氟化钙等润滑剂，可根据工作温度等具体条件选取。

在本发明的一种优选实施例中，所述对所述金属叶片施加固体润滑剂，具体的实施方式可以至少包括两种：

第一种施加固体润滑剂的方式为：在所述对金属叶片的微弧氧化的过程中，在微弧氧化的电解液中直接添加固体润滑剂。如图3所示，向所述不锈钢槽302中的电解液中直接添加固体润滑剂，然后在微弧氧化的过程中，电解液中所添加的固体润滑剂会自动粘附在所形成的微弧氧化层的表面上和/或微孔内。

第二种施加固体润滑剂的方式为：先对所述金属叶片进行微弧氧化，在金属叶片生成微弧氧化层后，向所述金属叶片的微弧氧化层喷涂固体润滑剂，所述固体润滑剂被喷涂到微弧氧化层的表面上和/或微孔内。

可选的，本发明所述金属叶片进行微弧氧化，可以是对所述金属叶片的整体进行所述微弧氧化，所述金属叶片整体上具有所述微弧氧化层，且所述微弧氧化层具有固体润滑剂，其中所述微弧氧化层的微孔作为所述固体润滑剂的承载体。

另一种实施方式中，为了节约成本，如图1所示，也可以只对所述金属叶片101与轮盘102接触的叶根部分进行所述微弧氧化，即所述金属叶片的叶根部分具有所述微弧氧化层，而叶片部分不具有所述微弧氧化层，所述叶根部分的微弧氧化层具有固体润滑剂，其中所述微弧氧化层的微孔作为所述固体润滑剂的承载体。

本发明所述的对金属叶片的处理，其中的金属叶片可以是钛合金叶片，也可以是铝合金或镁合金叶片，当然如果有特殊需求，也可以是其它某一种指定的金属叶片。所述金属叶片尤其可应用于汽轮机、压缩机、燃气轮机的叶片中。采用了本发明所述的金属叶片，可以提高叶片的质量和寿命，降低制造、维护和修理费用，而且还可以允许较高的工作温度以提高系统效率。

另外，本发明还可以将特定的功能性成分直接加入到微弧氧化的电解液中，从而可以进一步提高微弧氧化层的性能。

综上所述，在本发明采用了微弧氧化工艺对金属叶片进行了微弧氧化，将微弧氧化层作为抗微动磨损的保护层，相比现有技术cuniin材料层，本发明可以用简单的设备制备，生产成本更加低廉；而且，由于维护氧化层与金属叶片之间的结合属于冶金结合，从而具有很高的粘附力，对金属叶片具有良好的粘结性能，相比现有技术的硬质陶瓷涂层更加牢固，抗微动磨损的性能更强；同时，所述微弧氧化层具有多孔结构，其中的微孔可用于承载附加的固体润滑剂，从而可以提高磨损寿命，因为所述固体润滑剂可以不断地从微弧氧化层的微孔中出来，不断起到润滑作用。本发明所述的金属叶片，不但可以适用于钛合金叶片，也可以适用于铝合金叶片，所述金属叶片尤其可应用于汽轮机、压缩机、燃气轮机的叶片中。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。