一種燃機熱端部件導向葉片表面長壽命類柱狀晶結構熱障塗層自動化製備方法

2023-05-27 07:14:51

一種燃機熱端部件導向葉片表面長壽命類柱狀晶結構熱障塗層自動化製備方法
【專利摘要】本發明是一種燃機熱端部件導向葉片表面長壽命類柱狀晶結構熱障塗層自動化製備方法。本發明通過機械手分別夾持超音速火焰噴槍和等離子噴槍，編制自動化噴塗程序，超音速火焰噴塗粘結層用主程序設置TCP點距噴槍口距離為330～350mm，噴槍移動速度為500～600m/s，噴塗軌跡間距為20～30mm。等離子噴塗陶瓷層用主程序設置TCP點距噴槍口距離為60～70mm，噴槍移動速度為200～250/s，噴塗軌跡間距為3～7mm，等離子噴塗程序編制時噴塗軌跡呈「弓」字形走向。本發明依次包括基體準備與前處理，粘結層製備，熱端部件預熱和陶瓷層製備，採用掃描電鏡觀察，製備的陶瓷層具有類柱狀晶結構，顯著提高了塗層的應變容限與抗熱衝擊壽命，塗層服役壽命較常規結構熱障塗層顯著提高。
【專利說明】一種燃機熱端部件導向葉片表面長壽命類柱狀晶結構熱障塗層自動化製備方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種長壽命熱障塗層製備方法，特別是涉及一種針對燃氣輪機熱端部件表面長壽命類柱狀晶結構熱障塗層製備用自動化噴塗方法。

【背景技術】
[0002]燃氣輪機由於具有高效、節能、低汙染的優點，在航空、艦船動力、發電等領域獲得了廣泛應用。為了獲得更高的能源使用效率以及更大的推力，近年來，燃氣輪機渦輪進口溫度逐步提高，僅靠材料性能的提高和結構設計的改進已經無法滿足飛速發展的燃氣輪機應用需求。熱障塗層由於能夠有效降低構件表面溫度、提高抗高溫氧化腐蝕能力、減少燃油消耗、延長服役壽命等特點，已成功應用於航空發動機及重型燃氣輪機熱端部件防護中。
[0003]燃氣輪機的熱端部件是決定其壽命的關鍵部件，分為工作葉片及導向葉片，服役環境非常惡劣，不僅工作溫度高，而且還承受燃氣輪機在起動和停機時因溫度劇烈變化引起的熱衝擊。燃氣輪機工作葉片一般採用電子束物理氣相沉積工藝製備，塗層呈柱狀晶結構，應變容限高，服役壽命長，缺點是製備工藝複雜，設備昂貴，製備成本高、效率低、塗層較薄、隔熱性能差，且受限於設備真空沉積室體積，無法對大型、複雜型面構件製備塗層；燃氣輪機導向葉片及其他靜子部件一般採用等離子噴塗工藝製備，塗層結構為層狀結構，隔熱性能好，設備簡單，製備成本低，噴塗效率高，缺點是塗層層間結合力差，服役壽命短，且塗層製備方式也為手工噴塗方式，塗層質量批次穩定性差，因此，常規結構熱障塗層已難以滿足地面燃氣輪機上萬小時長壽命使用需求。
[0004]借鑑柱狀晶結構塗層高應變容限的優點與層狀結構塗層高隔熱優點，採用等離子噴塗工藝製備具有類柱狀晶結構塗層可大幅提高塗層服役壽命，德國JUlich實驗室曾在平板試樣上開展過類柱狀晶結構塗層製備工藝研究，國內北京航空航天大學也曾開展過類似研究，但實驗室研究發現，類柱狀晶結構熱障塗層對製備工藝要求較苛刻，試樣基體溫度、噴塗軌跡、噴塗功率、送粉率與噴塗功率匹配性等工藝參數均對類柱狀晶結構塗層的形成有顯著影響，在平板試樣上可成功製備出類柱狀晶結構塗層的噴塗工藝並不適用於具有複雜型面的燃氣輪機熱端部件，尤其是針對導向葉片，由於其為多聯複合異型結構，而現有噴塗方式均為手工噴塗，很難保證噴塗軌跡的精確控制。因此，到目前為止，類柱狀晶結構熱障塗層製備還局限於實驗室較小平板試樣表面研究，尚未在燃氣輪機熱端部件表面得到應用。本發明專利借鑑前人研究經驗，優化塗層製備工藝，根據葉片型面走勢設計噴塗軌跡，提出一種採用機械手自動化噴塗方式在燃氣輪機導向葉片表面製備長壽命類柱狀晶結構熱障塗層方法。


【發明內容】

[0005]本發明的目的是提出一種針對燃氣輪機熱端部件導向葉片表面長壽命類柱狀晶結構熱障塗層的全自動噴塗工藝，通過機械手分別夾持超音速火焰噴槍和等離子噴槍，編制自動化噴塗程序，調節噴塗工藝參數，從而在燃氣輪機熱端部件導向葉片表面製備具有高應變容限，長壽命的類柱狀晶結構熱障塗層。
[0006]實現本發明目的的技術方案關鍵在於採用自動化噴塗工藝在具有複雜型面的燃氣輪機熱端部件導向葉片表面製備長壽命類柱狀晶結構熱障塗層，其製備方法如下:
[0007]第一步:根據熱端部件形狀編制自動化噴塗程序，可以採用機械手自帶示教器現場編制，也可以採用離線編程軟體編制。自動化噴塗程序分為兩個主程序，其一為超音速火焰噴塗粘結層用主程序，其二為等離子噴塗陶瓷層用主程序。超音速火焰噴塗粘結層用主程序設置TCP點距噴槍口距離為330?350mm，噴槍移動速度為500?600m/s，噴塗軌跡間距為20?30mm。等離子噴塗陶瓷層用主程序設置TCP點距噴槍口距離為60?70mm，噴槍移動速度為200?250/s，噴塗軌跡間距為3?7mm，等離子噴塗程序編制時噴塗軌跡呈「弓」子形走向。
[0008]第二步:基體準備與前處理，採用丙酮或無水乙醇清洗熱端部件表面油汙，採用射吸式噴砂機對熱端部件表面進行毛化，砂型種類選用棕剛玉或白剛玉，首先採用60?100目剛玉砂將熱端部件表面氧化皮去除，露出金屬光澤基體，然後採用16?26目剛玉砂對基體進行毛化，當表面粗糙度達到Ra4.5?Ra6.0時停止毛化工藝。
[0009]第三步:粘結層製備，在機械手示教器中調取編制好的超音速火焰噴塗粘結層用主程序對熱端部件進行粘結層製備，粘結層材料選用NiCoCrAlYSi，組分:N1:45?50%、Co:20 ?25%、Cr:20 ?25%、A1:10 ?15%、y:0.5 ?1.5%,Si:0.5 ?1.5% ;超音速火焰噴塗時氧氣流量為35?40m3/h，煤油流量為15?20L/h，送粉率為55?60g/min，基體預熱溫度100?150°C。
[0010]第四步:熱端部件預熱，採用氧丙烷火焰加熱槍對熱端部件進行整體預熱，氧氣流量:10L/min，丙烷流量4L/min，預熱溫度控制在500?700°C之間。採用紅外測溫儀進行測溫，當熱端部件溫度達到設定溫度時，氧丙烷火焰槍自動停止加熱。
[0011]第五步:陶瓷層製備，在機械手示教器中調取編制好的等離子噴塗陶瓷層主程序對熱端部件進行陶瓷層製備，陶瓷層材料選用YSZ，組分:7?8% Y2O3穩定ZrO2 ;噴塗電壓為75?80V，噴塗電流為600?650A，送粉率為30?40g/min，為成功製備出類柱狀晶結構塗層，陶瓷層製備過程中噴塗軌跡必須為「弓」字形，不可往復噴塗與十字交叉噴塗，塗層噴塗過程中熱端部件溫度控制在600?800°C。
[0012]經過上述工藝製備的熱障塗層，採用掃描電鏡觀察，製備的陶瓷層具有類柱狀晶結構，顯著提高了塗層的應變容限與抗熱衝擊壽命，塗層服役壽命較常規結構熱障塗層顯著提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
[0014]圖1是一種燃氣輪機熱端部件(導向葉片)示意圖
[0015]圖2是高應變容限熱障塗層自動化噴塗軌跡示意圖
[0016]圖3是高應變容限、類柱狀晶結構熱障塗層微觀組織形貌
[0017]圖4是不同結構熱障塗層抗熱衝擊性能對比
[0018]其中，附圖1標記:
[0019]11-導向葉片下櫞板12-導向葉片上櫞板
[0020]13-冷卻氣膜孔 14-葉身
[0021]其中，附圖2標記:
[0022]21-待噴塗面22-自動化噴塗軌跡
[0023]其中，附圖3標記:
[0024]31-導向葉片葉身截面32-葉片表面塗層局部放大圖33-類柱狀晶結構【具體實施方式】:
[0025]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的技術方案作進一步詳細的描述，但不作為對本發明的限定
[0026](I)根據機械手夾持的超音速火焰噴槍重量、重心、轉動慣量等設置工具坐標tool-HVOF，設定TCP點距噴槍口距離為330mm，噴槍移動速度為500m/s，噴塗軌跡間距為20mm。根據熱端部件待噴塗表面形貌編制超音速火焰噴塗粘結層主程序，噴塗主程序包括粘結層製備預熱程序、粘結層製備程序，程序循環次數設定為2次，設置程序運行時間計數命令。
[0027](2)根據熱端部件待噴塗表面形貌編制等離子噴塗陶瓷層主程序，根據機械手夾持的等離子噴槍重量、重心、轉動慣量等設置工具坐標tool-APS，設定TCP點距噴槍口距離為70mm，噴槍移動速度為250/s，噴塗軌跡間距為3mm，噴塗軌跡設置為「弓」字形，噴塗程序循環次數設定為3次，設置程序運行時間計數命令。
[0028](3)使用乾淨的天然鬃刷蘸工業丙酮刷洗熱端部件待噴塗表面，清除熱端部件表面油脂及汙染物，清晰乾淨後將熱端部件待安裝到保護工裝上後再用丙酮刷洗部件噴塗面，對不需噴塗的部位外表面用適當的保護工裝、高溫膠帶保護。
[0029](4)採用射吸式噴砂機對噴塗部位進行噴砂毛化，砂料使用60目白剛玉，噴砂距離為50mm，噴砂角度約90°，噴砂壓力為0.6MPa，噴砂嘴直徑為8mm。當待噴塗表面氧化皮去除乾淨，露出具有金屬光澤基體時，採用24目白剛玉對待噴塗表面進行毛化，噴砂距離為噴砂距離為50mm，噴砂角度約90°，噴砂壓力為0.4MPa，當待噴塗部位表面粗糙度達到Ra4.5?Ra6.0時停止毛化。
[0030](5)將表面毛化後熱端部件安裝在自動化噴塗用轉臺上，採用IRB2400機械手夾持超音速火焰噴槍，調取機械手示教器中編制好的超音速火焰噴塗粘結層主程序，採用T1-1I3200CY型超音速火焰噴塗設備進行噴塗，噴塗工藝參數如下:02流量:38m3/h，煤油流量:19L/h，送粉量:55g/min，噴塗距離:330mm，預熱溫度:100?150°C，塗層厚度為
0.05-0.1Omm,噴塗遍數為2遍,噴塗時間共3min。
[0031](6)採用氧丙烷火焰加熱槍對製備有粘結層的熱端部件進行整體預熱，氧氣流量:10L/min,丙烷流量4L/min，預熱溫度控制在500?700°C之間。採用紅外測溫儀進行測溫，當熱端部件溫度達到設定溫度時，氧丙烷火焰槍自動停止加熱。
[0032](7)採用IRB2400機械手夾持等離子噴槍，調取機械手示教器中編制好的等離子噴塗陶瓷層主程序，採用DH-80大氣等離子噴塗設備製備陶瓷層，噴塗工藝參數如下:噴塗電流:600A，噴塗電壓:80V，Ar氣流量:27L/min，H2流量:100L/h，送粉量:35g/min，噴塗距離:70mm,控溫:600?800°C,塗層厚度為0.25-0.30mm,噴塗遍數為3遍,噴塗時間共9min。
[0033](8)噴塗完成後去除保護，使用丙酮擦洗緣板上多餘殘留膠，清理非噴塗麵粉末及汙物。
[0034]經過上述工藝製備的類柱狀晶結構熱障塗層在熱端溫度為1200°C，冷端溫度為950°C的條件下保溫5min，然後2min內用壓縮空氣冷卻至室溫作為一次循環進行熱衝擊試驗，採用同等厚度下常規結構熱障塗層作為對比試樣，試驗結果顯示，具有高應變容限、類柱狀晶結構熱障塗層抗熱衝擊壽命為4263次，常規結構熱障塗層抗熱衝擊壽命為847次。
[0035]本發明的有益技術效果在於:
[0036]本發明研製的針對燃氣輪機熱端部件表面高應變容限、長壽命熱障塗層製備用自動化噴塗工藝，可用於不同型號的燃氣輪機渦輪導向葉片、燃燒筒、過渡段等熱端部件表面熱障塗層製備。
[0037]本發明不僅可用於燃氣輪機熱端部件表面高應變容限、長壽命熱障塗層製備，還可用於現役航空發動機熱端部件表面熱障塗層製備，甚至可以推廣應用到在研高性能航空發動機導向葉片表面新型高隔熱、長壽命熱障塗層製備應用。
【權利要求】
1.一種燃機熱端部件導向葉片表面長壽命類柱狀晶結構熱障塗層自動化製備方法，其特徵在於步驟如下: 第一步:根據熱端部件形狀編制自動化噴塗程序；:自動化噴塗程序分為兩個主程序，其一為超音速火焰噴塗粘結層用主程序，其二為等離子噴塗陶瓷層用主程序；超音速火焰噴塗粘結層用主程序設置TCP點距噴槍口距離為330?350mm，噴槍移動速度為500?.600m/s,噴塗軌跡間距為20?30mm ;等離子噴塗陶瓷層用主程序設置TCP點距噴槍口距離為60?70mm，噴槍移動速度為200?250/s，噴塗軌跡間距為3?7mm，等離子噴塗程序編制時噴塗軌跡呈「弓」字形走向； 第二步:基體準備與前處理，採用丙酮或無水乙醇清洗熱端部件表面油汙，採用射吸式噴砂機對熱端部件表面進行毛化，砂型種類選用棕剛玉或白剛玉，首先採用60?100目剛玉砂將熱端部件表面氧化皮去除，露出金屬光澤基體，然後採用16?26目剛玉砂對基體進行毛化，當表面粗糙度達到Ra4.5?Ra6.0時停止毛化工藝； 第三步:粘結層製備:粘結層材料選用NiCoCrAlYSi，組分:N1:45?50%、Co:20?.25%,Cr:20 ?25%、A1:10 ?15%、y:0.5 ?1.5%,Si:0.5 ?1.5% ;超音速火焰噴塗時氧氣流量為35?40m3/h，煤油流量為15?20L/h，送粉率為55?60g/min，基體預熱溫度.100 ?150。。； 第四步:熱端部件預熱:採用氧丙烷火焰加熱槍對熱端部件進行整體預熱，氧氣流量:.10L/min，丙烷流量4L/min，預熱溫度控制在500?700°C之間；採用紅外測溫儀進行測溫，當熱端部件溫度達到設定溫度時，氧丙烷火焰槍自動停止加熱； 第五步:陶瓷層製備:陶瓷層材料選用YSZ，組分:7?8% Y2O3穩定ZrO2 ;噴塗電壓為.75?80V，噴塗電流為600?650A，送粉率為30?40g/min，為成功製備出類柱狀晶結構塗層，陶瓷層製備過程中噴塗軌跡必須為「弓」字形，不可往復噴塗與十字交叉噴塗，塗層噴塗過程中熱端部件溫度控制在600?800°C。
【文檔編號】C23C4/02GK104233178SQ201410484502
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月21日 優先權日:2014年9月21日
【發明者】汪瑞軍, 傅斌友, 冉健, 袁濤 申請人:北京金輪坤天科技發展有限公司