专利名称：一种表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用热喷涂技术，特别提供了一种使用利用新型柔性线材制备得到的表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒。
背景技术：
现有技术中，航空发动机火焰筒抗氧化涂层的技术效果有待提高，我们要求制备效果更好的高温抗热腐蚀涂层，尤其是在工况条件是长期平均工作温度850℃的条件下。
发明内容
本发明的目的是提供一种技术效果更好的表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒。
本发明提供了一种表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒，所述航空发动机火焰筒表面涂覆有抗氧化涂层，其特征在于所述涂层具体使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂；所述NiAlW合金柔性线材作为底层材料使用，所述Al2O3·NiAlW柔性线材作为面层材料；其中 所述Al2O3·NiAlW柔性线材的成份和质量百分比含量满足以下要求Ni29～34％，Al9～14％，Cr0.9～2.5％，W≤1.0％，Mo0.1～0.6％，Ti0.1～0.5％，Co0.1～0.6％，红宝石38～54％，成型剂余量； 所述NiAlW柔性线材的成分和含量满足下述要求Ni61.0～67.0％，Al18.0～22.5％，Cr2.0～4.0％，W≤2.0％，Mo0.2～1.2％，Ti0.2～1.0％，Co0.2～1.2％，成型剂余量； 所述Al2O3·NiAlW柔性线材的成份和质量百分比含量优选满足以下要求Ni30～31％，Al12.5～13％，Cr1.4～1.9％，W0.15～0.5％，Mo0.2～0.45％，Ti0.12～0.45％，Co0.2～0.4％，红宝石42～48，成型剂余量； 所述NiAlW柔性线材的成分和含量满足下述要求Ni62.0～64.0％，Al19.50～21.5％，Cr2.2～2.8％，W 0.5～1.2％，Mo0.45～0.95％，Ti0.25～0.6％，Co0.4～0.9％，成型剂余量 所述成型剂具体可以为硅橡胶。
本发明所述航空发动机火焰筒的外表面涂层制备过程中，其中Al2O3·NiAlW柔性线材作为面层材料，是一种复合型抗氧化涂层材料，Al2O3和NiAlW粉末加成型剂压散而成；NiAIW柔性线材作为底层材料，与基体的结合力较高。火焰喷涂掐氧气和乙炔通入线材火焰喷枪喷嘴内，经加热熔化后，形成锥形的高速气流，使熔化的材料从线材端部脱离，并雾化成细微的颗粒，在火焰及气流的推动下，在零件表面形成涂层。该工艺方法制备涂层的可以广泛应用于各型发动机长期工作温度不大于850℃的各类零件表面抗氧化涂层的制备。
本发明所述航空发动机火焰筒的抗氧化涂层制备方法中，所述NiAlW合金柔性线材作为底层材料使用，涂层的厚度为0.05mm～0.1mm；所述Al2O3·NiAlW柔性线材作为面层材料，涂层的厚度约为0.1mm～0.2mm； 涂层制备的喷涂工艺参数如下送丝控制电压9～12V，转盘控制电压220V～245V；喷涂距离80～100mm，氧气压力0.4～0.6MPa，乙炔压力0.05～0.1MPa，雾化空气压力0.2～0.3MPa，弯曲空气压力0.45～0.7Mpa。
在使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂的过程中，两种柔性线材的送丝量为4～12g/min。优选内容是所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材这两种柔性线材的送丝量要求分别为Al2O3·NiAlW柔性线材5～8g/min，NiAlW柔性线材6～11g/min。
所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材的沉积速率还分别满足以下要求Al2O3·NiAlW柔性线材沉积速率4.1～4.5g/min，NiAlW柔性线材的沉积速率4.3～4.7g/min；送丝量满足如下要求Al2O3·NiAlW柔性线材5.4～6.7g/min，NiAlW柔性线材6.5～7.5g/min。
所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材的规格要求直径为4.0mm～4.3mm；两种线材的沉积效率要求分别为Al2O3·NiAlW柔性线材65～80％，NiAlW柔性线材40～60％。
本发明所使用的面层材料Al2O3·NiAlW柔性线材和底层材料NiAIW柔性线材为喷涂材料与橡胶类粘合剂混合后压制成一种类似于橡皮条状的“软条”，其中底层材料为NiAlW合金粉，面层材料为NiAiW合金粉及Al2O3细粉的混合物，两种材料均用特殊的火焰软条喷涂设备喷涂。这种喷涂方法避免了常规粉末喷涂的粉尘大的缺点。且常规粉末喷涂时，为保证送粉可达性，必须用大颗粒的红宝石粉末，这就必须使用等离子喷涂这种高能量的喷涂方法才能使之熔化。而采用软条后，红宝石粉末的粒度非常细(5微米以下)，且由于预先与NiAlW合金粉混合，即保证了成分的均匀性，又使得仅用火焰喷涂就能制备出合格的涂层，它的特点是最大限度地开发最简单设备的能力。
本发明具体采用火焰喷涂工艺进行涂层制备，严格控制送粉气压力、流量、送粉速率及喷涂距离等工艺参数，使涂层性能满足零件使用要求。
本发明所使用的火焰条材喷涂设备可以是常规的火焰喷涂机， 根据喷涂工艺说明书给定的工艺参数，分别对现有技术中的软条和本发明中的Al2O3·NiAlW柔性线材、现有技术中软条的和本发明中的NiAlW柔性线材进行喷涂工艺适用性研究及涂层性能对比试验。
根据常规火焰喷涂以及抗氧化涂层需要考核的项目进行比较试验，如材料的理化指标，喷涂时送丝速度、沉积效率等工艺适用性，涂层金相结构、显微硬度、抗热震性、结合强度、弯曲性能、涂层抗氧化性、涂层的相组成、涂层的抗热盐腐蚀性能、涂层的膨胀系数、涂层组成为现有技术底层；现有技术材料底层+现有技术材料面层；本发明底层；本发明底层+本发明面层。
1)柔性线材(软条材料)性能评估 我们按照常规涂层材料的要求，分别对本发明、现有技术材料进行了外观检查，直径等的测量，以及化学成分分析，结果见表1。
表1软条材料理化性能
注*是用重量法测定的。结果表明两种本发明所述材料的理化指标均与现有技术材料相当。
两种柔性线材喷涂工艺适用性考察本发明与现有技术两类材料在不同送丝电压下的送丝速率及送丝量，见表2。材料的沉积速率和沉积效率见表3。考察进口和本发明所述的材料在不同喷涂角度对涂层质量的影响，见图1、2。
表2软条送丝情况
表3材料的沉积速率和沉积效率(电压＝9.5v) 两种本发明材料在规范规定的工艺条件下，都可以保证均匀送丝。NiAlW柔性线材送丝速率与现有技术材料相当，送丝量略大于现有技术材料；沉积速率和沉积效率也高于现有材料。Al2O3·NiAlW柔性线材在送丝速率和送丝量上略高于现有材料，但相差不大。沉积速率与现有材料相当，沉积效率略低于现有材料。
结果表明现有材料喷涂时的工艺参数适用于两种国产化材料，国产化材料送丝速度、沉积效率等工艺性均与现有材料相当。国产和进口材料不同喷涂角度制备涂层组织基本相当。
3)涂层性能对比分析涂层外观及化学成分分析两种国产涂层从外观上与现有涂层基本一致，本发明面层的颜色比现有技术中的材料面层略微暗一些，这可能与原材料中氧化铝比现有料略高有关，也可能与原材料中氧化铝粒度比现有料细有关。
表4涂层化学成分(％) 用ICP法测定了涂层中化学成分，见表4。本发明涂层与现有涂层相比除镍含量略高之外，其余基本接近。表中“余量”是指涂层中不溶解的物质含量，即氧化物。铝的含量从底层原材料中的19％降至涂层中的12％左右，从面层的12％左右降至5％左右，说明喷涂过程中铝会发生氧化现象。
涂层显微结构及显微硬度涂层的金相图片和显微硬度值分别见图1、2和表5。
表5显微硬度(HV200)测试结果 从金相图片看，本发明涂层与现有涂层无论是底层还是面层都没有区别，显微硬度也基本接近。
热震性能在规定温度下，保温10min，投入25℃冷水中，反复数次，考察涂层的抗热震性能。结果见表6。
表6热震结果
结合强度试验结果见表7。
表7结合强度试验结果
从试验结果看，本发明涂层底层与现有技术的涂层底层结合强度基本接近可以满足使用要求。
弯曲试验弯曲角度75°；试验结果本发明材料涂层无裂纹，现有技术材料涂层有轻微裂纹，见图3。
涂层高温抗氧化性能850℃抗氧化曲线见图5；两种涂层在850℃下增重不大，本发明涂层略好于现有技术涂层。
涂层相结构分析用X-衍射仪比较了两种本发明涂层与现有技术涂层的相组成，结果见图6、7、8、9。可以看出，本发明和现有技术涂层相组成完全一致，只是面层中β-NiAl和纯Ni峰略低一些，这与原材料中镍含量相对较高有关。底层中都含有少量γ-Al2O3，说明火焰喷涂过程中材料都有一定程度的氧化，这与化学分析结果一致。
燃气热腐蚀试验试验结果见表8。试验结果表明用本发明材料制备涂层耐燃气热腐蚀性能略好于用现有材料制备涂层。
表8燃气热腐蚀试验试验结果
膨胀系数测试测试结果见表9，结果表明用本发明材料制备涂层膨胀系数与现有技术材料制备涂层膨胀系数相当。
表9膨胀系数测试结果
本发明已经在某大修机火焰筒上采用火焰喷涂成功地制备出Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材涂层，并通过某修理机长期试车考核。该工艺方法制备涂层喷涂工艺简单可行，生产效率高，可以广泛应用于各型发动机长期工作温度不大于850℃的各类零件表面抗氧化涂层的制备。
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明 图1为现有技术涂层放大倍数200倍的涂层金相图片； 图2为本发明涂层放大倍数200倍的涂层金相图片； 图3为结合强度试样断面； 图4为弯曲试片外观图，其中左面的1-3为本发明材料涂层的试件，右边的4-6为现有技术材料涂层的试件； 图5为涂层850℃氧化增重曲线； 图6为现有技术底层的X-衍射图； 图7为本发明所述底层的X-衍射图； 图8为现有技术面层的X-衍射图； 图9为本发明所述面层的X-衍射图。
具体实施例方式 实施例1 一种航空发动机火焰筒，所述航空发动机火焰筒表面涂覆有抗氧化涂层，所述涂层具体使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂；其中所述Al2O3·NiAlW柔性线材的成份和质量百分比含量满足以下要求Ni30.57％，Al12.62％，Cr1.52％，W0.35％，Mo0.36％，Ti0.29％，Co0.39％，红宝石46.5％，成型剂余量； 所述NiAlW柔性线材的成分和含量满足下述要求Ni63.80％，Al21.3％，Cr2.60％，W1.0％，Mo0.80％，Ti0.50％，Co0.80％，成型剂余量； 上述的成型剂是硅橡胶。
所述航空发动机火焰筒表面抗氧化涂层的制备过程中，所述NiAlW合金柔性线材作为底层材料使用，涂层的厚度为0.07mm；所述Al2O3·NiAlW柔性线材作为面层材料，涂层的厚度约为0.14mm； 涂层制备的喷涂工艺参数如下送丝控制电压10V，转盘控制电压220V～245V；喷涂距离90mm，氧气压力0.5MPa，乙炔压力0.08MPa，雾化空气压力0.25MPa，弯曲空气压力0.61Mpa。
在使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂的过程中，所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材这两种柔性线材的送丝量要求分别为Al2O3·NiAlW柔性线材6.8g/min，NiAlW柔性线材8.6g/min。
所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材的沉积速率还分别满足以下要求Al2O3·NiAlW柔性线材沉积速率4.3g/min，NiAlW柔性线材的沉积速率4.5g/min；送丝量满足如下要求Al2O3·NiAlW柔性线材6.0g/min，NiAlW柔性线材7.0g/min。
所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材的规格要求直径为4.1mm；两种线材的沉积效率要求分别为Al2O3·NiAlW柔性线材73％，NiAlW柔性线材48％。
实施例2 本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于 1)一种航空发动机火焰筒，所述航空发动机火焰筒表面涂覆有抗氧化涂层，所述涂层具体使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂；其中所述Al2O3·NiAlW柔性线材的成份和质量百分比含量满足以下要求Ni30％，Al12.5％，Cr1.4％，W0.15％，Mo0.45％，Ti0.45％，Co0.4％，红宝石40％，成型剂余量；成型剂是？ 所述NiAlW柔性线材的成分和质量百分比含量满足下述要求Ni62.0％，Al19.50％，Cr2.2％，W0.5％，Mo0.95％，Ti0.6％，Co0.9％，成型剂余量； 上述的成型剂是硅橡胶。
2)所述NiAlW合金柔性线材作为底层材料使用，涂层的厚度为0.05mm；所述Al2O3·NiAlW柔性线材作为面层材料，涂层的厚度约为0.1mmmm； 涂层制备的喷涂工艺参数如下送丝控制电压9V，转盘控制电压220V喷涂距离100mm，氧气压力0.4MPa，乙炔压力0.05MPa，雾化空气压力0.2MPa，弯曲空气压力0.45Mpa。
3)在使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂的过程中，两种柔性线材的送丝量要求分别为Al2O3·NiAlW柔性线材5g/min，NiAlW柔性线材6g/min。
4)所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材的沉积速率还分别满足以下要求Al2O3·NiAlW柔性线材沉积速率4.1g/min，NiAlW柔性线材的沉积速率4.3g/min；送丝量满足如下要求Al2O3·NiAlW柔性线材5.4g/min，NiAlW柔性线材6.5g/min。
5)所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材的规格要求直径为4.0mmmm；两种线材的沉积效率要求分别为Al2O3·NiAlW柔性线材65％，NiAlW柔性线材40％。
实施例3 本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于 1)一种航空发动机火焰筒，所述航空发动机火焰筒表面涂覆有抗氧化涂层，所述涂层具体使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂；其中所述Al2O3·NiAlW柔性线材的成份和质量百分比含量满足以下要求Ni31％，Al13％，Cr1.9％，W0.5％，Mo0.2％，Ti0.12％，Co0.2％，红宝石42％，成型剂余量； 所述NiAlW柔性线材的成分和质量百分比含量满足下述要求Ni64.0％，Al21.50％，Cr2.8％，W1.2％，Mo0.45％，Ti0.25％，Co0.4％，成型剂余量； 上述的成型剂是硅橡胶。
2)所述NiAlW合金柔性线材作为底层材料使用，涂层的厚度为0.05mm；所述Al2O3·NiAlW柔性线材作为面层材料，涂层的厚度约为0.1mmmm； 涂层制备的喷涂工艺参数如下送丝控制电压12V，转盘控制电压245V喷涂距离80mm，氧气压力0.6MPa，乙炔压力0.1MPa，雾化空气压力0.3MPa，弯曲空气压力0.7Mpa。
3)在使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂的过程中，两种柔性线材的送丝量要求分别为Al2O3·NiAlW柔性线材8g/min，NiAlW柔性线材11g/min。
4)所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材的沉积速率还分别满足以下要求Al2O3·NiAlW柔性线材沉积速率4.5g/min，NiAlW柔性线材的沉积速率4.7g/min；送丝量满足如下要求Al2O3·NiAlW柔性线材6.7g/min，NiAlW柔性线材7.5g/min。
5)所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材的规格要求直径为4.3mmmm；两种线材的沉积效率要求分别为Al2O3·NiAlW柔性线材80％，NiAlW柔性线材60％。
实施例4 本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于 所述航空发动机火焰筒抗氧化涂层使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂；其中所述Al2O3·NiAlW柔性线材的成份和质量百分比含量满足以下要求Ni29％，Al9％，Cr2.5％，W1.0％，Mo0.6％，Ti0.1％，Co0.1％，红宝石54％，成型剂余量； 所述NiAlW柔性线材的成分和质量百分比含量满足下述要求Ni61.0％，Al18.0％，Cr4.0％，W2.0％，Mo0.2％，Ti0.2％，Co1.2％，成型剂余量。上述的成型剂是硅橡胶。
实施例5 本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于 所述航空发动机火焰筒抗氧化涂层使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂；其中所述Al2O3·NiAlW柔性线材的成份和质量百分比含量满足以下要求Ni34％，Al14％，Cr0.9％，W0.05％，Mo0.1％，Ti0.5％，Co0.6％，红宝石38％，成型剂余量； 所述NiAlW柔性线材的成分和质量百分比含量满足下述要求Ni67.0％，Al22.5％，Cr2.0％，W0.05％，Mo1.2％，Ti1.0％，Co0.2％，成型剂余量。上述的成型剂是硅橡胶。
权利要求
1.一种表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒，其特征在于所述航空发动机火焰筒表面涂覆有抗氧化涂层，所述涂层具体使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂；所述NiAlW合金柔性线材作为底层材料使用，所述Al2O3·NiAlW柔性线材作为面层材料；其中
所述Al2O3·NiAlW柔性线材的成份和质量百分比含量满足以下要求Ni29～34％，Al9～14％，Cr0.9～2.5％，W≤1.0％，Mo0.1～0.6％，Ti0.1～0.5％，Co0.1～0.6％，红宝石38～54％，成型剂余量；
所述NiAlW柔性线材的成分和含量满足下述要求Ni61.0～67.0％，Al18.0～22.5％，Cr2.0～4.0％，W≤2.0％，Mo0.2～1.2％，Ti0.2～1.0％，Co0.2～1.2％，成型剂余量；
2.按照权利要求1所述表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒，其特征在于
所述航空发动机火焰筒表面涂覆的抗氧化涂层所使用的原料中
所述Al2O3·NiAlW柔性线材的成份和质量百分比含量满足以下要求Ni30～31％，Al12.5～13％，Cr1.4～1.9％，W0.15～0.5％，Mo0.2～0.45％，Ti0.12～0.45％，Co0.2～0.4％，红宝石42～48％，成型剂余量；
所述NiAlW柔性线材的成分和含量满足下述要求Ni62.0～64.0％，Al19.50～21.5％，Cr2.2～2.8％，W 0.5～1.2％，Mo0.45～0.95％，Ti0.25～0.6％，Co0.4～0.9％，成型剂余量；
所述成型剂为硅橡胶。
3.按照权利要求1或2所述表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒，其特征在于
所述航空发动机火焰筒表面抗氧化涂层制备的喷涂工艺参数如下送丝控制电压9～12V，转盘控制电压220V～245V；喷涂距离80～100mm，氧气压力0.4～0.6MPa，乙炔压力0.05～0.1MPa，雾化空气压力0.2～0.3MPa，弯曲空气压力0.45～0.7Mpa
所述NiAlW合金柔性线材作为底层材料使用，涂层的厚度为0.05mm～0.1mm；所述Al2O3·NiAlW柔性线材作为面层材料，涂层的厚度约为0.1mm～0.2mm。
4.按照权利要求3所述表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒，其特征在于使用Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材作为原料进行火焰喷涂以便得到抗氧化涂层的过程中，两种柔性线材的送丝量为4～12g/min。
5.按照权利要求4所述表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒，其特征在于所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材这两种柔性线材的送丝量要求分别为Al2O3·NiAlW柔性线材5～8g/min，NiAlW柔性线材6～11g/min。
6.按照权利要求5所述表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒，其特征在于所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材的沉积速率还分别满足以下要求Al2O3·NiAlW柔性线材沉积速率4.1～4.5g/min，NiAlW柔性线材的沉积速率4.3～4.7g/min；
送丝量满足如下要求Al2O3·NiAlW柔性线材5.4～6.7g/min，NiAlW柔性线材6.5～7.5g/min。
7.按照权利要求6所述表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒，其特征在于所使用的Al2O3·NiAlW柔性线材和NiAlW柔性线材的规格要求直径为4.0mm～4.3mm；两种线材的沉积效率要求分别为Al2O3·NiAlW柔性线材65～80％，NiAlW柔性线材40～60％。
全文摘要
一种表面涂覆有抗氧化涂层的航空发动机火焰筒，所述涂层具体使用Al2O3·NiAlW柔性线材作为面层材料和NiAlW柔性线材作为作为底层材料原料进行火焰喷涂；所述Al2O3·NiAlW柔性线材的成份和质量百分比含量Ni29～34，Al9～14，Cr0.9～2.5，W≤1.0，Mo0.1～0.6，Ti0.1～0.5，Co0.1～0.6，红宝石38～54，成型剂余量；所述NiAlW柔性线材的成分和百分比含量Ni61.0～67.0，Al18.0～22.5，Cr2.0～4.0，W≤2.0，Mo0.2～1.2，Ti0.2～1.0，Co0.2～1.2，成型剂余量；本发明所述制备涂层喷涂工艺简单可行，生产效率高，可以广泛应用于各型发动机长期工作温度不大于850℃的各类零件表面抗氧化涂层的制备。
文档编号F02K9/60GK101768716SQ20081024690
公开日2010年7月7日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者方波, 王璐, 肇阳, 李汉运, 魏明霞, 杨树林 申请人:沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司