提高船用燃机压气机鼓筒耐磨性的涂层及其制备方法与流程

本发明涉及的是金属材料的表面改性，具体地说是船用燃机压气机鼓筒耐磨性涂层及其制备方法。

背景技术：

随着我国船用燃气轮机的快速发展，现代化舰船对燃气轮机的性能要求越来越高。高压压气机转子是燃气轮机的主要部件之一，用来对进入燃气轮机的空气增压，使空气压力达到预定值。对于高压压气机转子要求其效率高、工作可靠，刚性好、重量轻等。主要体现在以下诸方面：①结构紧凑，质量轻，结构机组单位功率质量低于1Kg/Kw。②体积小，使用时可以节省空间。③起动块，从冷态起动至带满负荷，视机组功率的大小及结构型式的不同在数分钟至半小时之间，在紧急情况下很多机组的起动时间可以缩短约一半左右。④运行平稳，可靠性高，大量机组可靠性达99％，即机组的事故停机率仅为1％。⑤效率高，现简单循环燃气轮机效率最高已达42.9％，而联合循环机组效率最高己达58％，后者是目前各种热力机械中所达到的最高效率值。为了达到以上诸项要求，要求高压压气机转子的鼓筒各级盘之间的鼓筒直径相同，鼓简与盘之间以圆柱面和端面配合定位，通过精密螺栓将它们拉紧，在端面产生摩擦力传递扭矩。在提高零件使用效率，节约材料的原则下，高压鼓筒采用涂层覆盖技术制备氧化物陶瓷涂层起隔热、耐磨和抗腐蚀的作用，以达到延长零部件寿命、防止意外碰摩，提高燃气轮机效率的目的。

等离子弧温很高，特别适用于喷涂复合氧化物陶瓷，能够喷涂具有复杂形状的工件，沉积效率高，容易制备厚膜涂层和大面积涂层。因此，采用等离子喷涂技术在船用燃机压气机鼓筒表面制备耐磨的氧化物陶瓷涂层。

等离子喷涂涂层中经常出现的气孔、裂纹以及分层等缺陷会给涂层性能带来很多不利的影响。YSZ/Al₂O₃都属于陶瓷相-脆硬相，具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优点，但韧性不足。研究表明，在涂层失效过程中，纤维的存在可以有效地传递、承载外力，并在纤维拔出、脱粘过程中消耗能量，且可以延长裂纹的扩展路径，从而提高材料的韧性，降低材料的脆性。

陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，使用温度高、隔热性能好、高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、抗热震性好、不挥发、无污染等优良特性，因而在机械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、电子等行业都得到了广泛的应用。陶瓷纤维加入涂层中具有明显增韧效果，纤维增韧的机制主要包括裂纹弯曲和偏转、纤维脱粘、纤维拔出和纤维桥接，其中纤维拔出为纤维增韧的主要机制，可以描述为靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出。在此过程中，外应力需要克服界面摩擦剪切力做功，使复合材料的断裂功增大。纤维拔出会造成裂纹尖端应力松弛从而达到减缓裂纹扩展的目的。

传统的船用燃机压气机鼓筒等离子喷涂氧化物陶瓷耐磨涂层，通常采用氧化铝陶瓷涂层作为工作层，未考虑到陶瓷涂层在摩擦磨损中存在硬度大，脆性大，但韧性不足的特点，涂层容易在摩擦磨损过程中，涂层内部的微裂纹不断在涂层缺陷处(如孔隙、微裂纹等)或扁平粒子界面处形成并沿着缺陷或界面不断扩展，不同方向的微裂纹相互交错并形成网状，从而导致涂层的断裂造成涂层脆性层状剥落，造成其耐磨性能下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于提高船用燃机压气机鼓筒耐磨性的涂层。本发明的目的还在于提供一种提高船用燃机压气机鼓筒耐磨性的涂层的制备方法。

本发明的提高船用燃机压气机鼓筒耐磨性的涂层包括采用等离子喷涂方法喷涂在燃机压气机鼓筒合金基体上的粘结层和采用等离子喷涂方法喷涂在粘结层上的工作层，所述工作层由工作层粉体材料与陶瓷纤维构成，工作层粉体材料由YSZ和Al₂O₃制成，工作层的质量比组成为18％～80％YSZ粉体、18～80％Al₂O₃粉体和2％～20％陶瓷纤维。

本发明的提高船用燃机压气机鼓筒耐磨性的涂层还可以包括：

1、所述陶瓷纤维为SiC纤维、莫来石纤维、YSZ纤维或硅酸铝纤维。

2、所述YSZ为氧化钇含量为6％～8％mol的氧化钇稳定二氧化锆。

3、所述粘结层成分为NiCoCrAlY、NiAl或NiCrAlY。

本发明的提高船用燃机压气机鼓筒耐磨性的涂层的制备方法为：

(1)对燃机压气机鼓筒合金基体进行预处理；

(2)对陶瓷纤维进行预处理，再按照质量比组成为18％～80％YSZ粉体、18～80％Al₂O₃粉体和2％～20％陶瓷纤维的比例混合，对混合物进行球磨处理得到陶瓷复合粉体；

(3)采用等离子喷涂法在燃机压气机鼓筒合金基体表面喷涂一层粘结层；

(4)采用等离子喷涂在粘结层上继续喷涂一层陶瓷复合工作层。

本发明的提高船用燃机压气机鼓筒耐磨性的涂层的制备方法还可以包括：

1、陶瓷纤维的预处理工艺参数为：(1)球磨处理，球料比为2：1、球磨速度为350r/min、球磨时间为10min，(2)超声分散1h，(3)干燥处理；对混合物进行球磨处理的工艺参数为：球料比为1：1，球磨速度为200r/min，球磨时间为2h；陶瓷复合粉体的粒径为20μm～120μm。

2、在进行等离子喷涂之前，对粘结层材料和陶瓷复合粉体进行干燥，干燥温度200℃，保温时间2h。

3、等离子喷涂粘结层工艺参数为：电流570～630A，电压65～75V，喷涂距离130～150mm，喷涂角度90°，粘结层厚度为30μm～80μm。

4、等离子喷涂工作层工艺参数为：电流590～640A，电压70～78V，喷涂距离100～120mm，喷涂角度90°，工作层的厚度为200μm～300μm。

为了提高等离子喷涂陶瓷涂层的耐磨性，本发明采用添加陶瓷短纤维解决陶瓷涂层的脆性大韧性不足的问题，在等离子陶瓷涂层中实现纤维增韧，增大摩擦磨损过程中复合涂层的断裂功，减缓陶瓷涂层脆性层片状剥落，实现提高耐磨性的目的。选用等离子喷涂技术制备YSZ/Al₂O₃掺杂陶瓷纤维的复合涂层，用以提高船用燃机压气机鼓筒耐磨性。

本发明中陶瓷纤维可以在复合涂层中实现纤维增韧，增大摩擦磨损过程中复合涂层的断裂功，减缓陶瓷涂层脆性层片状剥落，实现提高耐磨性的目的。其主要作用机理为：1.裂纹弯曲和偏转，阻碍裂纹的拓展。2.纤维脱粘、纤维拔出和纤维桥接，使复合涂层的断裂功增大，造成裂纹尖端应力松弛从而减缓裂纹扩展。

本发明包含以下有益效果：

(1)YSZ/Al₂O₃都属于陶瓷相-脆硬相，韧性不足。掺杂陶瓷纤维后形成复合材料涂层，陶瓷纤维在复合涂层中具有一定的增韧效果，降低氧化物陶瓷涂层在摩擦磨损过程中脆性层片状剥落，提高船用燃机压气机鼓筒耐磨性。

(2)等离子喷涂制备YSZ/Al₂O₃粉末中掺杂陶瓷纤维的复合涂层，是一种简单实用性高的方法。

附图说明

图1掺杂陶瓷纤维后涂层截面形貌；

图2掺杂陶瓷纤维后涂层摩擦磨损表面的扫描电镜图；

图3未掺杂陶瓷纤维后涂层摩擦磨损表面的扫描电镜图；

图4掺杂陶瓷纤维和未掺杂陶瓷纤维后涂层摩擦失重对比图。

具体实施方式

本发明通过将陶瓷纤维的掺杂到YSZ/Al₂O₃粉末中形成复合粉末，制备YSZ/Al₂O₃掺杂陶瓷纤维的复合涂层。涂层中的陶瓷纤维可以解决在压气机鼓筒实际工况下，陶瓷涂层存在脆性大韧性不足的特点，容易造成脆性层片状剥落的问题，改善涂层的耐磨性能。

基体优选自：奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢，铁素体不锈钢。

粘结层原始成分为NiCoCrAlY或NiAl或NiCrAlY。

工作层原始材料为YSZ/Al₂O₃。其中YSZ(即：Yttria-Stabilized Zirconia，氧化钇稳定二氧化锆)，氧化钇含量为6％～8％mol。

陶瓷纤维为掺杂的陶瓷纤维为SiC纤维或莫来石纤维或YSZ纤维或硅酸铝纤维等。

本发明的用于提高船用燃机压气机鼓筒耐磨性的涂层的制备方法，它涉及一种基于等离子喷涂技术制备YSZ/Al₂O₃掺杂陶瓷纤维复合涂层的方法，包括以下步骤：

(1)合金基体预处理：使用砂纸将基体的表面打磨光滑，然后使用无水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基体；等离子喷涂前，进行喷砂处理；

(2)复合粘结层喷涂材料的制备：将陶瓷纤维经球磨处理至合适粒径，超声分散，干燥处理；将工作层粉体材料与陶瓷纤维按照一定比例混合后球磨处理，得到复合粉体；

(3)喷涂粉末预处理：对预喷涂粉末进行干燥，保温温度200℃，保温时间2h；

(4)喷涂粘结层：采用等离子喷涂法在预处理过的合金基体表面喷涂一层粘结层；

(5)喷涂工作层：采用等离子喷涂在喷涂后的粘结层上继续喷涂一层陶瓷复合涂层即得到完整的涂层体系。

所述步骤2)中球磨制备陶瓷纤维工艺参数为：球料比为2：1，球磨速度为350r/min，球磨时间为10min。超声分散1h，干燥处理。制备掺杂陶瓷纤维的YSZ/Al₂O₃复合粉末工艺参数为：球料比为1：1，球磨速度为200r/min，球磨时间为2h；陶瓷复合粉体的粒径为20μm～120μm。

所述步骤4)中，等离子喷涂制备粘结层，等离子喷涂工艺参数为：电流为570～630A，电压为65～75V，喷涂距离为130～150mm，喷涂角度为90°。

所述步骤5)中，等离子喷涂制备陶瓷工作层，等离子喷涂工艺参数为：电流为590～640A，电压为70～78V，喷涂距离为100～120mm，喷涂角度为90°。

所述耐磨陶瓷涂层体系中，耐磨陶瓷涂层总厚度为230μm～380μm，其中粘结层厚度为30μm～80μm，陶瓷工作层的厚度为200μm～300μm。

为了证明本发明的效果，下面举例对本发明做更详细的描述。

实施例1

步骤一：使用砂纸将1Cr18Ni9Ti基体的表面打磨光滑，然后使用无水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基体；等离子喷涂前，进行喷砂处理；

步骤二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末和莫来石纤维，使用球磨机按质量分数比例(0.20:0.76:0.04)混合，制备复合粉末。莫来石纤维球磨条件为：球料比为2：1，球磨速度为350r/min，球磨时间为10min。超声分散1h，干燥处理。制备掺杂质量分数4％莫来石纤维的YSZ/Al₂O₃复合粉末，球料比为1：1，球磨速度为200r/min，球磨时间为2h；

步骤三：将粘结层NiCrAlY粉末及步骤二制备复合粉末分别放入干燥箱进行干燥，干燥温度为200℃，干燥时间为2h；

步骤四：将步骤三干燥后的粘结层NiCrAlY粉末放入等离子喷涂送粉装置，进行等离子喷涂制备粘结层，等离子喷涂条件为：电流为590～610A，电压为65～75V，喷涂距离为130～150mm，喷涂角度为90°；

步骤五：将步骤三干燥后的复合粉末放入等离子喷涂送粉装置，进行等离子喷涂制备陶瓷工作层，等离子喷涂条件为：电流为620～640A，电压为75～78V，喷涂距离为100～120mm，喷涂角度为90°。

图1为掺杂陶瓷纤维的复合涂层的截面形貌，陶瓷复合涂层体系由基体、粘结层、工作层组成。如图2所示，得到掺杂了莫来石纤维之后的陶瓷层耐磨性能优异，未出现大面积层状剥落，仅表面出现少量剥落坑，存在轻微的磨粒磨损。

对比例

在1Cr18Ni9Ti基体上采用与实施例1同样的等离子喷涂工艺制备未掺杂莫来石纤维的YSZ/Al₂O₃复合涂层。包括以下步骤：

步骤一：使用砂纸将1Cr18Ni9Ti基体的表面打磨光滑，然后使用无水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基体；等离子喷涂前，进行喷砂处理；

步骤二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末，使用球磨机按质量分数比例(0.20:0.80)混合，制备未掺杂莫来石纤维的YSZ/Al₂O₃复合粉末末。球料比为1：1，球磨速度为200r/min，球磨时间为2h；

步骤三：将粘结层NiCrAlY粉末及步骤二制备复合粉末分别放入干燥箱进行干燥，干燥温度为200℃，干燥时间为2h；

步骤四：将步骤三干燥后的粘结层NiCrAlY粉末放入等离子喷涂送粉装置，进行等离子喷涂制备粘结层，等离子喷涂条件为：电流为570～630A，电压为65～75V，喷涂距离为130～150mm，喷涂角度为90°；

步骤五：将步骤三干燥后的复合粉末放入等离子喷涂送粉装置，进行等离子喷涂制备陶瓷工作层，等离子喷涂条件为：电流为620～640A，电压为75～78V，喷涂距离为100～120mm，喷涂角度为90°。

得到耐磨涂层体系性能一般，由于陶瓷工作层没有掺杂莫来石纤维，如图3所示，使得涂层在进行同样摩擦磨损试验之后，发生了大面积脆性层状剥落。图4为掺杂质量分数4％陶瓷纤维复合涂层和未掺杂陶瓷纤维复合涂层的摩擦失重对比图，由图中可知摩擦失重由未掺杂纤维复合涂层的72.5mg降为掺杂纤维复合涂层的52mg，磨损失重明显降低。因此，可见在陶瓷工作层YSZ/Al₂O₃加入陶瓷纤维能够提升其耐磨性能。

实施例2

步骤一：使用砂纸将1Cr18Ni9Ti基体的表面打磨光滑，然后使用无水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基体；等离子喷涂前，进行喷砂处理；

步骤二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末和SiC纤维，使用球磨机按质量分数比例(0.30:0.66:0.04)混合，制备复合粉末。SiC纤维球磨条件为：球料比为2：1，球磨速度为350r/min，球磨时间为10min。超声分散1h，干燥处理。制备掺杂质量分数4％的SiC纤维的YSZ/Al₂O₃复合粉末，球料比为1：1，球磨速度为200r/min，球磨时间为2h；

步骤三：将粘结层NiCrAlY粉末及步骤二制备复合粉末分别放入干燥箱进行干燥，干燥温度为200℃，干燥时间为2h；

步骤四：将步骤三干燥后的粘结层NiCrAlY粉末放入等离子喷涂送粉装置，进行等离子喷涂制备粘结层，等离子喷涂条件为：电流为570～630A，电压为65～75V，喷涂距离为130～150mm，喷涂角度为90°；

步骤五：将步骤三干燥后的复合粉末放入等离子喷涂送粉装置，进行等离子喷涂制备陶瓷工作层，等离子喷涂条件为：电流为590～610A，电压为70～74V，喷涂距离为100～120mm，喷涂角度为90°。

实施例3

在1Cr18Ni9Ti基体上采用与实施例2同样的等离子喷涂工艺制备掺杂质量分数8％的SiC纤维的YSZ/Al₂O₃复合涂层。其步骤为：

步骤一：使用砂纸将1Cr18Ni9Ti基体的表面打磨光滑，然后使用无水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基体；等离子喷涂前，进行喷砂处理；

步骤二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末和SiC纤维，使用球磨机按质量分数比例(0.28:0.64:0.08)混合，制备复合粉末。SiC纤维球磨条件为：球料比为2：1，球磨速度为350r/min，球磨时间为10min。超声分散1h，干燥处理。制备掺杂质量分数8％的SiC纤维的YSZ/Al₂O₃复合粉末，球料比为1：1，球磨速度为200r/min，球磨时间为2h；

步骤三：将粘结层NiCrAlY粉末及步骤二制备复合粉末分别放入干燥箱进行干燥，干燥温度为200℃，干燥时间为2h；

步骤四：将步骤三干燥后的粘结层NiCrAlY粉末放入等离子喷涂送粉装置，进行等离子喷涂制备粘结层，等离子喷涂条件为：电流为570～630A，电压为65～75V，喷涂距离为130～150mm，喷涂角度为90°；

步骤五：将步骤三干燥后的复合粉末放入等离子喷涂送粉装置，进行等离子喷涂制备陶瓷工作层，等离子喷涂条件为：电流为590～610A，电压为70～74V，喷涂距离为100～120mm，喷涂角度为90°。