一种超厚间隙控制涂层加工工艺的制作方法

本发明涉及涂层制造技术领域，特别涉及一种超厚间隙控制涂层加工工艺。

背景技术：

目前，航空发动机由于追求高的推重比，已大量使用重量轻、强度高的钛合金材料制造零部件，尤其在第三代以及后的先进发动机上已大量使用钛合金，并且除了使用钛合金制造零件外，还要控制发动机中钛合金压气机机匣和压气机转子叶尖的径向间隙，减少空气泄露，降低油耗，进一步提高发动机效率，然而众所周知，钛是一种易燃金属，机匣与转子叶尖距离过近容易引发“钛火”事故，因此，为同时达到间隙控制和控制“钛火”的目的，需要在机匣内壁上喷涂钛火抑制涂层，请参阅图1和图2，图1为现有技术中的压气机机匣的结构示意图，图2为现有技术中的压气机机匣的壁面剖视图，图1和图2中的标号a处为需要喷涂涂层的位置。

现有技术中，最为常用的钛火抑制涂层是铝硅及其混合物涂层，依靠等离子喷涂工艺进行喷涂，等离子喷涂是使用氩气、氮气作为主要气体，氢气、氦气作为次级气体，使用一种主要气体或一种主要气体和一种次要气体混合电离后加热粉末材料，并喷射到零件表面形成涂层的一种技术，已在航空航天领域广泛应用，其中以氮气或氮气与氢气的混合气体热焓最高，但氮气和氢气对钛合金零件有不利影响，应避免使用，而氩气或氩气与氦气的混合气体热焓值最低，低的热焓值难以熔化粉末材料，使涂层与基体结合强度降低且钛合金件与涂层的粘结强度本就不如钢制件，导致涂层容易剥落，更糟糕的是，为了达到抑制“钛火”的目的，涂层的厚度必须达到0.8mm以上，导致涂层应力急剧增大，进一步恶化了涂层与钛合金件的结合强度。

因此，如何提供一种超厚间隙控制涂层加工工艺，使其能够提高涂层与钛合金件的结合强度，避免涂层剥落，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种超厚间隙控制涂层加工工艺，以达到使其能够提高涂层与钛合金件的结合强度，避免涂层剥落的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超厚间隙控制涂层加工工艺，包括步骤：

1)分层喷涂，并在每层喷涂完成后对涂层进行降温处理；

2)每当涂层厚度累积达到预定厚度的n倍时，n为大于0的自然数，暂停喷涂并采用机械法消除应力，随后继续喷涂直到涂层厚度达到目标厚度；

3)对涂层表面进行车削处理。

优选地，所述步骤1)分层喷涂的过程中，始终保持零件的温度不超过150℃。

优选地，在所述步骤1)之前固定零件并使零件的内腔在零件的两端均与外界连通形成冷却风道，在所述步骤1)喷涂过程中，通过冷却风流经冷却风道将零件的温度控制在150℃以内。

优选地，所述步骤1)中喷涂方向与零件喷涂面的夹角小于90°且喷涂方向迎向冷却风吹来方向。

优选地，所述步骤1)分层喷涂每层的厚度为0.1mm～0.2mm。

优选地，所述步骤1)中将涂层温度降低至60℃后再进行下一涂层的喷涂。

优选地，所述预定厚度为0.4mm～0.8mm。

优选地，所述步骤2)中对涂层进行喷砂处理以消除应力。

优选地，在所述步骤3)中，使用碳化钨车刀通过干切削的方式对涂层表面进行车削处理。

优选地，所述步骤3)中车削加工的车削参数为进给速率0.1mm/r，转速80rpm～120rpm。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的超厚间隙控制涂层加工工艺，包括步骤：1)分层喷涂，并在每层喷涂完成后对涂层进行降温处理；2)每当涂层厚度累积达到预定厚度的n倍时，n为大于0的正整数，暂停喷涂并采用机械法消除应力，随后继续喷涂直到涂层厚度达到目标厚度；3)对涂层表面进行车削处理；

由此可见，本发明提供的涂层加工工艺，采用分层喷涂的方法，并且在每层喷涂完成后进行降温处理以对每层的应力进行释放，避免每层受到自身及其上一层的应力的双重影响，提高层与层之间的结合强度，同时，每当涂层厚度累积达到预定厚度的整数倍时，利用机械法再对涂层进行应力消除操作，这样，避免了涂层整体成型后，应力过大的问题，能够有效提高涂层与钛合金件的结合强度，避免涂层剥落。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的压气机机匣的结构示意图；

图2为现有技术中的压气机机匣的壁面剖视图。

具体实施方式

本发明提供了一种超厚间隙控制涂层加工工艺，以达到使其能够提高涂层与钛合金件的结合强度，避免涂层剥落的目的。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种超厚间隙控制涂层加工工艺，包括步骤：

S1：分层喷涂，并在每层喷涂完成后对涂层进行降温处理；

S2：每当涂层厚度累积达到预定厚度的n倍时，n为大于0的自然数，暂停喷涂并采用机械法消除应力，随后继续喷涂直到涂层厚度达到目标厚度；

S3：对涂层表面进行车削处理。

与现有技术相比，本发明提供的超厚间隙控制涂层加工工艺，采用分层多次喷涂的方法，并且在每层喷涂完成后进行降温处理以对每层的应力进行释放，提高层与层之间的结合强度，同时，每当涂层厚度累积达到预定厚度的整数倍时，利用机械法再对涂层进行应力消除操作，这样，避免了涂层整体成型后，应力过大的问题，能够有效提高涂层与钛合金件的结合强度，避免涂层剥落。

从图1和图2中可以看出，发动机压气机机匣为薄壁零件，若喷涂时零件温度过高，将由于喷涂结束后冷却时零件和涂层收缩不一致而产生应力，影响涂层与零件的结合，因此，在本发明实施例中，为了进一步提高涂层与零件之间的结合强度，步骤S1的分层喷涂过程中，始终保持零件的温度不超过150℃，可减小喷涂后冷却时由于零件和涂层的收缩不一致而造成的应力,从而有利于涂层与零件的结合。

优选地，在本发明实施例中，采用风冷的方式对零件进行降温，同时，为保证零件内外温度的一致性，通过四路冷却气路对零件内外同时进行降温，而现有的喷涂工艺中，在装夹零件时往往会造成零件一端封闭，若在这种情况下在零件内壁设置冷却气路，将导致零件内腔气流紊乱，未熔化的粉末在零件内腔中无法排出，最终夹杂在涂层中，导致涂层质量下降，因此，在本发明实施例中，在步骤S1之前首先要固定零件并使零件的内腔在零件的两端均与外界连通形成冷却风道，这样，在步骤S1喷涂过程中，一方面通过冷却风流经冷却风道将零件的温度控制在150℃以内，另一方面可以消除紊乱气流，尽快将未熔化的粉末排出，从而保证涂层质量。

要防止“钛火”事故的发生，就要求涂层的厚度达到0.8mm以上，比较保险的是使涂层厚度达到1.2mm，由于涂层较厚，必须要在零件内壁上开设一个深度与涂层厚度一致的槽，并且由于在喷涂完成后还需要对涂层表面进行车削处理，因此，涂层的目标厚度应当达到1.6mm～1.8mm较为合适，而在深度为1.2mm的槽中喷涂涂层，由于反射效应，上、下槽边缘沉积大量未熔化粉末颗粒，容易形成疏松条带，为解决这一问题，在本发明实施例中，步骤S1中喷涂方向与零件喷涂面的夹角小于90°且喷涂方向迎向冷却风吹来方向，通过多次试验，喷涂方向与喷涂面的夹角最好为30°。

本发明主要思路是将整体涂层分层，利用薄涂层应力小的特点在单层喷涂完成后尽快将其释放，因此，在步骤S1分层喷涂每层的厚度最好为0.1mm～0.2mm，在本发明实施例中，优选为0.15mm。

单层涂层喷涂完成后对其进行降温处理，有助于减小应力，避免其受到自身应力及其上的另一单层涂层应力的双重作用，从而有效地提高涂层与基体的结合强度，为达到这一目的，在本发明实施例中，步骤S1中将涂层温度降低至60℃后再进行下一涂层的喷涂。

虽然在每层喷涂完成后都进行降温处理以减小应力，但是由于涂层较厚，仅仅通过控温，并不能保证将应力减小到可控的范围内，因此，为进一步提高涂层的结合强度，还需要在涂层累计到一定厚度后，采用机械的方式消除应力，比如振动、喷砂等等，在本发明实施例中，预定厚度为0.4mm～0.8mm，优选地，虽然在本发明实施例中涂层的目标厚度为1.6mm～1.8mm，但是最终厚度为1.2mm，多余的需要车削掉，因此，将预定厚度设为0.6mm，这样能够充分保证最终涂层的结合强度。

进一步优化上述技术方案，在本发明实施例中，步骤S2中采用喷砂处理以消除涂层的应力，喷砂处理不仅能够消除应力，还能够增加涂层表面的粗糙度，从而进一步提高涂层之间的结合强度，优选地，本发明实施例中，选用刚玉砂来进行喷砂处理。

在涂层喷涂完成后，还需要进行车削处理以使涂层达到最终厚度，而车削质量的好坏直接影响涂层的质量，若车削工艺不合适，极易在涂层表面出现花斑、剥落等现象，因此，通过多次尝试，等到了一种较为合适的车削处理方式，即在步骤S3中，使用碳化钨车刀通过干切削的方式对涂层表面进行车削处理。

进一步优化上述技术方案，在本发明实施例中，步骤S3中车削加工的车削参数为进给速率0.1mm/r，转速80rpm～120rpm，经过实验验证，通过上述车削工艺，能够使涂层表面致密，光滑，均匀一致。

通过上述方案的采用，涂层结合强度大大提高，经五次426°热循环后仍结合良好，涂层喷涂到1.6～1.8mm厚时仍可保持结合强度，突破了在内孔面上喷涂铝硅类涂层不能超过1mm的工程应用极限，涂层孔洞，凹槽上、下边缘的疏松带现象都得到了完美解决。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。