為了在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械(壓氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等)的葉片與殼體之間形成理想的密封狀態(tài),以獲得最大的流體動(dòng)力壓差,可采用可磨耗涂層技術(shù)來(lái)提高整機(jī)效率,降低能耗,延長(zhǎng)整機(jī)使用壽命。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中,采用可磨耗涂層能成功減小轉(zhuǎn)子與機(jī)匣的間隙。針對(duì)壓氣機(jī)渦輪與外環(huán)之間的間隙控制,其理想結(jié)果是:摩擦不會(huì)引起渦輪或其它壓氣機(jī)部件的損傷,如軸承或齒輪;摩擦后,可磨耗涂層的表面要極其光滑,并且無(wú)涂層材料轉(zhuǎn)移至渦輪,如果殘留表面不光滑,將會(huì)對(duì)氣流導(dǎo)向產(chǎn)生負(fù)面影響,從而影響機(jī)器效率,如果可磨耗材料轉(zhuǎn)移到渦輪上,可能引起不平衡,同樣會(huì)影響壓氣機(jī)的性能。直至目前,針對(duì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封問(wèn)題,已經(jīng)發(fā)展了一系列的可磨耗涂層材料,采用可磨耗涂層不僅可用于表面空氣密封部位來(lái)減小間隙,而且可用于迷宮式密封來(lái)疏導(dǎo)冷卻空氣,減少發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣損失,并保持轉(zhuǎn)子軸的壓力平衡。
除了在早期曾經(jīng)采用火焰噴涂純鋁涂層來(lái)用作可磨耗涂層外,目前所用的可磨耗涂層多數(shù)是由兩種材料組成的,分別是金屬本體和非金屬填料,填料的作用是減弱金屬本體的整體性,增強(qiáng)涂層的可磨耗性能??赡ズ耐繉铀脟娡糠勰閮煞N材料組成的混合粉或團(tuán)聚粉。
采用等離子噴涂或粉末火焰噴涂技術(shù),在壓氣機(jī)殼體上噴涂質(zhì)軟的可磨耗涂層,在壓氣機(jī)葉片端部噴涂硬質(zhì)耐磨鈷包碳化鎢涂層,可在兩者之間形成理想的控制密封間隙,是20世紀(jì)70年代航空航天部門迅速發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)制造技術(shù),是現(xiàn)代熱噴涂技術(shù)的重要應(yīng)用之一。
1.可磨耗涂層的選擇
在實(shí)際應(yīng)用中,選擇可磨耗涂層的依據(jù)主要有兩點(diǎn),一是環(huán)境工作溫度;二是涂層硬度要求。常用可磨耗涂層的硬度、最高使用溫度及其所用噴涂工藝如表所示。
可磨耗涂層噴涂工藝與性能
AlSi/聚苯脂 | AlSi/石墨 | Ni/石墨 | NiCuSi/石墨 | Ni/硅藻土 | 金屬/BN | NiCr/硅藻土 | 金屬/ZrO2 | |
噴涂工藝 | 等離子 | 等離子 | 等離子 | 等離子 | 等離子 | 等離子 | 等離子 | 等離子 |
涂層硬度 | 50-80 | 40-50 | 40-70 | 40-70 | 60-85 | 60 | 30-70 | 40-70 |
最高使用溫度/℃ | 350 | 450 | 480 | 650 | 750-800 | 800 | 850 | 1600 |
2.可磨耗涂層的制備
制備可磨耗涂層的方法主要包括火焰噴涂和等離子噴涂?jī)煞N,在實(shí)際應(yīng)用中選擇何種方法應(yīng)以粉末供應(yīng)商推薦的方法或通過(guò)試驗(yàn)確定。采用Praxair公司FP-73火焰粉末噴槍噴涂鎳包石墨可磨耗涂層參數(shù)設(shè)置如表所示。
FP-73火焰粉末噴槍噴涂鎳包石墨參數(shù)設(shè)置
噴涂粉末 | 氧氣 | 乙炔 | 載氣 | 送粉量 | 噴涂距離 | 噴嘴配置 | 冷卻 空氣 | ||
PSI | 流量 | PSI | 流量 | ||||||
AI-1052-1 | 36 | 26 | 7 | 42 | 15-20 | 10 | 8 | USJ-N | 17 |
AI-1052-2 | 8 |
可磨耗涂層的性質(zhì)不僅與粉末成分密切相關(guān),而且隨噴涂參數(shù)變化較大,噴涂工藝一經(jīng)確定,就應(yīng)嚴(yán)格控制,這對(duì)保證涂層質(zhì)量是非常重要的。對(duì)可磨耗涂層來(lái)講,硬度是影響涂層性能的重要參數(shù)之一,必須嚴(yán)格控制。
用于硬度檢測(cè)的可磨耗涂層的試樣需要特別制備。首先,要求涂層厚度必須滿足一定要求,若涂層小于2毫米時(shí),會(huì)導(dǎo)致硬度測(cè)量值不準(zhǔn)確;其次,測(cè)量表面必須平整,最好用60#碳化硅干砂紙輕輕研磨,太重的研磨壓力會(huì)導(dǎo)致硬度測(cè)量不準(zhǔn)確,測(cè)量表面粗糙度要控制在Ra6-9;第三,硬度測(cè)量要采用標(biāo)準(zhǔn)的表面硬度計(jì),選擇12.7毫米鋼球和15公斤載荷,硬度讀數(shù)為HR15Y。
在針對(duì)一種全齒輪傳動(dòng)的壓氣機(jī)渦輪與外環(huán)的可磨耗涂層研究中發(fā)現(xiàn),所采用的五種可磨耗涂層均沒(méi)有出現(xiàn)由于摩擦而使機(jī)器負(fù)荷過(guò)高的現(xiàn)象。但是,采用火焰噴涂的Ni包石墨(85-15)可磨耗涂層會(huì)使渦輪葉輪邊緣受到損壞,局部區(qū)域出現(xiàn)變色現(xiàn)象,渦輪損害嚴(yán)重;采用等離子噴涂的AlSi/40wt%聚脂、AlSi/50wt%聚脂和AlSi-BN/聚脂可磨耗涂層,發(fā)生涂層材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,涂層材料被轉(zhuǎn)移至渦輪葉輪邊緣,并形成結(jié)疤;而采用等離子噴涂的AlSi-BN可磨耗涂層,當(dāng)涂層硬度超過(guò)60HR15Y時(shí),也會(huì)發(fā)生可磨耗涂層材料向渦輪葉輪邊緣轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象,而當(dāng)硬度低于60HR15Y時(shí),轉(zhuǎn)移現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生,而且摩擦后的外環(huán)涂層表面光滑無(wú)暇疵,有利于壓縮氣流的流動(dòng)導(dǎo)向,也不會(huì)影響整機(jī)的動(dòng)平衡,完全能夠滿足壓氣機(jī)渦輪葉輪與外環(huán)之間的間隙控制要求。
在制備可磨耗涂層時(shí)要特別注意,在每一次噴涂零件之前,均應(yīng)進(jìn)行試噴,并對(duì)試片進(jìn)行硬度檢驗(yàn),若涂層硬度滿足要求,則說(shuō)明涂層的可磨耗性能也能夠滿足,然后,才能夠?qū)α慵M(jìn)行噴涂。若涂層硬度不滿足需要,須對(duì)噴涂工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。對(duì)火焰噴涂來(lái)講,調(diào)整硬度方法之一是在保持氣體流速、噴涂距離和移槍速度不變的條件下改變粉末流速,降低粉末流速會(huì)增加涂層硬度,反之,會(huì)降低涂層硬度,逐次改變粉末流速并檢驗(yàn)涂層硬度,直至硬度合格;方法之二是在保持粉末流速、噴涂距離和移槍速度不變時(shí)調(diào)整氧氣和燃燒氣體流速,同時(shí)降低氧氣和燃燒氣體的流速會(huì)導(dǎo)致涂層硬度降低,反之,會(huì)增加涂層硬度,逐次改變并檢驗(yàn)涂層硬度,直至硬度合格。
在制備可磨耗涂層時(shí)還要注意嚴(yán)格控制基體溫度,這對(duì)獲得正確的涂層硬度非常重要,正式噴涂前應(yīng)將基體預(yù)熱至90-120℃,而在噴涂過(guò)程中則要控制基體溫度不超過(guò)180℃,基體過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致涂層硬度增加。
此外,在噴涂可磨耗涂層時(shí),最好將噴涂速率控制在每遍0.1毫米左右。
3.可磨耗涂層的加工
對(duì)于可磨耗涂層來(lái)講,它是由金屬或耐熱合金包覆芯核材料形成的復(fù)合材料,由于芯核材料屬松軟、輕質(zhì)、易碎、易刮削的非金屬顆粒,如石墨、硅藻土、膨潤(rùn)土、六方氮化硼、ZrO2等,磨削產(chǎn)生的壓力和熱量會(huì)改變涂層的性質(zhì),因此,可磨耗涂層的加工不采用磨削方法,而推薦采用車削方法。在車削加工時(shí),要嚴(yán)格控制加工參數(shù),它與控制噴涂參數(shù)一樣重要。
在車削可磨耗涂層時(shí),一般采用較小的進(jìn)刀量、較慢的旋轉(zhuǎn)速度和較慢的走刀速度。例如,采用Metco 6P火焰噴槍噴涂的Metco 310NS鋁包石墨可磨耗涂層,推薦采用尖的碳化鎢車刀進(jìn)行干式車削加工,車床線速度控制在2m/s,走刀量控制在0.06mm/pr,進(jìn)刀量控制在0.25mm/次。車削時(shí)要保證不會(huì)刮出涂層中的顆粒,并且,在使用前必須對(duì)車削加工表面進(jìn)行徹底清理。
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