[发明专利]一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明属于材料表面改性和涂层技术领域，具体涉及一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层及其制备方法和应用。涂层的组成元素及原子比如下：Ni_xAl_yTa_z，其中x＝43～48.5％，y＝43～48.5％，z＝3～14％。采用电弧熔炼和电火花沉积制备了Ni_45.3Al_44.7Ta₁₀涂层，其由纳米相NiAl和半连续分布的laves相NiTaAl组成。本发明利用电火花涂层的粗糙表面代替陶瓷颗粒作为切割单元，解决了陶瓷颗粒与金属基质结合力差、陶瓷颗粒脱出等问题，同时防止了叶尖的剧烈温升。本发明叶尖涂层可以在1200℃以下保持优良的高温强度、耐磨性和切削性，对于高温段叶尖涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。

技术领域

本发明属于材料表面改性和涂层技术领域，具体涉及一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层及其制备方法和应用。

背景技术

随着燃气涡轮发动机推重比的提高，涡轮进气口温度和压力不断提升，极端苛刻的工作环境使高温合金叶片尖端面临着氧化、腐蚀、磨损及开裂等问题，严重影响着燃气涡轮发动机的气路密封性能甚至安全。众所周知，燃气涡轮发动机的效率高度依赖于旋转叶片与静止机匣之间的间隙。一般来说，希望转子叶片尖端与静子部件机匣之间拥有最小的径向间隙，以减少工作空气的泄漏。具有叶冠叶片的出现成功提高了气路密封性，但其也增加了叶身及涡轮盘的负荷，降低了涡轮叶片的蠕变寿命。而采取切割涂覆于静子部件上的可磨耗封严涂层形成特定轨道以实现密封的方式逐渐获得了应用。随着叶片工作环境的改变，可磨耗封严涂层由低硬度的封严涂层(如：NiCrAl/hBN、NiCrAl/Bentonite等)逐渐发展到高硬度的陶瓷封严涂层(如：5％Y₂O₃稳定ZrO₂)，加剧了转动叶片叶尖磨损等问题的发生，严重影响了涡轮发动机的气路密封性能、叶片的使用寿命和安全。因此，针对叶片尖端的磨损问题，基于机匣上的可磨耗涂层和叶片尖端的耐磨切削涂层的密封系统是解决此类问题的最有效的解决方案之一。

对于静子部件的可磨耗封严涂层的研究已较为成熟，而转子叶片叶尖耐磨涂层的研究稍晚于可磨耗封严涂层。对于叶片尖端，由于其超高的线速度(大于400m/s)和瞬间的超高温(大于1000℃)以及其与环境等因素的复杂交互作用，使其研究相对困难，而诸如苛刻工况试验机的设计也是一项巨大的挑战。因此，关于叶尖耐磨切削涂层的研究报道较少。与三体磨粒磨损相比，二体磨粒磨损通常会导致更高的磨损率。因此，叶尖耐磨切削涂层最有兴趣的是两体磨粒磨损。目前，已被报道的叶尖耐磨切削涂层主要是由韧性金属基体和硬质陶瓷颗粒组成，如：典型的由复合电沉积(Tribomet工艺)、直接激光沉积(DLD)等技术制备的NiCoCrAlY/cBN。但目前已被证明，该体系涂层已无法满足高压涡轮的工作环境，存在金属基体高温强度低、硬质陶瓷颗粒与金属基质润湿性差(结合力差)、硬质陶瓷颗粒氧化(或反应)及脱出、可磨耗材料的粘附等问题，无法在涡轮发动机的整个生命周期中实现反复切割和防止磨损的作用。此外，据报道叶尖与可磨耗封严涂层的碰摩过程中产生的瞬间温升可达1100～1200℃，这无疑对叶尖耐磨切削涂层提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层及其制备方法和应用，以提高涡轮叶片使用寿命，改善涡轮发动机的气路密封性能。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层，该涂层的组成元素及原子百分比如下：Ni43～48.5％，Al 43～48.5％、Ta 3～14％。

所述的高温涡轮叶片叶尖耐磨切削涂层，该涂层由NiAl相和laves相NiTaAl组成；其中，主相为NiAl，强化相NiTaAl呈半连续网状结构包围NiAl相。