一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，所述方法以单晶高温合金涡轮叶片作为基材，以掺杂纳米陶瓷颗粒增强的抗氧化合金复合材料作为涂层材料，采用高能微弧火花沉积工艺制备与基材组织保持定向外延生长的纳米陶瓷颗粒增强耐磨涂层。本发明借助高能微弧火花沉积过程形成的高温度梯度、高冷却速度及接近一维单向快速凝固条件，使纳米陶瓷颗粒均匀分布于涂层中同时保持涂层组织的定向外延生长，获得良好的高温耐磨性，同时因极高的能量密度，涂层与单晶涡轮叶片界面处的热影响区宽度极窄，避免单晶基体的组织变化及热裂纹的产生。
1.一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述方法以单晶高温合金涡轮叶片作为基材，以掺杂纳米陶瓷颗粒增强的抗氧化合金复合材料作为涂层材料，采用高能微弧火花沉积工艺制备与基材组织保持定向外延生长的纳米陶瓷颗粒增强耐磨涂层；具体步骤如下：(1)制备纳米陶瓷颗粒增强的耐磨涂层复合材料电极：
a.将纳米级陶瓷颗粒以一定的比例加入到抗氧化合金粉末中，采用行星球磨机对混合粉末进行高能球磨，使纳米陶瓷颗粒与抗氧化合金均匀混合；
b.将混合后的粉末经过热等静压制备成致密性良好的复合材料合金块体；
c.在复合材料块体中采用线切割制备一定直径的棒料作为电极；
(2)采用高能微弧火花沉积设备在单晶高温合金涡轮叶片表面制备纳米陶瓷颗粒增强的耐磨涂层：a.对单晶高温合金涡轮叶片叶尖表面进行打磨、丙酮或酒精清洗后作为基材接入负极，将纳米陶瓷颗粒增强复合材料电极接入正极；
b.设置相应的工艺参数后，可在火花放电的作用下将纳米陶瓷颗粒增强的复合材料熔化后喷射到单晶高温合金涡轮叶片叶尖表面形成沉积斑，快速凝固后形成具有冶金结合的涂层，其组织与单晶高温合金基材保持定向外延生长，纳米陶瓷颗粒在涂层中均匀分布。
2.根据权利要求1所述一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述高能微弧火花沉积时工艺参数为电压40-120V，脉冲频率1-1000Hz，电容70-
420μf,电极与基材相对移动速度0.5-6mm/s，电极与基材之间保持30°-80°的倾斜角度。
3.根据权利要求1所述一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述纳米级陶瓷颗粒的粒径范围在30nm-100nm，陶瓷颗粒的重量比例为0.5％-
30％，陶瓷颗粒为氧化物、氮化物或碳化物高硬度材料。
4.根据权利要求1所述一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述行星球磨参数为转速100-600r/min，球磨时间为1-5小时。
5.根据权利要求1所述一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述热等静压参数为加热温度1100-1400℃，压力10-100MPa,保压时间1-3小时。
6.根据权利要求1所述一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述合金块体致密度为80％-99％，电极棒材直径为2-6mm。
7.根据权利要求1所述的一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，其特征在于，实现所述方法的装置包括行星球磨机、热等静压设备、线切割机、打磨机和高能微弧火花沉积设备；所述行星球磨机对混合合金粉末进行高能球磨；球磨好的混合合金粉末送热等静压设备进行高温热压成合金块体；合金块体经线切割机切割成所需要的电极；所述打磨机对需要处理的涡轮机叶片叶尖进行打磨清洗；以叶尖为负极，电极为正极，在高能微弧火花沉积设备上对叶尖进行火花沉积，在涡轮叶片叶尖表面形成纳米陶瓷颗粒增强的耐磨涂层。
一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，属金属表面涂层制备技术领域。
背景技术
[0002] 为了提高航空发动机工作效率、降低油耗与成本，在高速旋转的转子叶片与静子部件之间建立封严涂层体系成为至关重要的一环。封严涂层体系一般由两个部分组成，即涂覆于静子部件上的可磨耗封严涂层和涂覆于压气机与涡轮叶片等转子部件上的耐磨涂层。随着航空发动机性能的逐步提升，进口温度越来越高，单晶高温合金涡轮叶片的使用量也日益增多，叶片叶尖承受很高的工作应力与工作温度且变化频繁、剧烈，同时存在氧化、腐蚀等问题，而与之对磨的ZrO2基、MCrAlY基可磨耗涂层硬度又较高，发动机工作过程中往往发生叶片叶尖的磨短或叶片材料与可磨耗涂层材料的相互转移，影响发动机的使用性能。这些问题使得叶片叶尖的高温耐磨涂层的需求越来越迫切。
[0003] 叶尖耐磨涂层一般采用金属基陶瓷复合材料，合金基体作为粘结相并提供抗氧化性和耐腐蚀性，陶瓷颗粒则提供高硬度和高耐磨性。对于单晶高温合金这类具有强烈组织取向的材料而言，枝晶的<001>取向平行于主应力方向，该方向的涂层必须保持与基体的定向外延生长才能避免因热应力不匹配造成的热疲劳和热机械疲劳性能的降低。目前，对于制备单晶涡轮叶片在<001>方向上的耐磨涂层主要是激光熔覆技术，然而该技术由于激光熔覆层厚度尺度较大，熔覆层中会出现柱状晶向等轴晶转变，而陶瓷颗粒则起到了促进这种转化进行的作用。高能微弧火花沉积过程的沉积斑厚度范围一般小于60μm，温度梯度107-109K/m，冷却速度105-106K/s,能够保证沉积层全厚度范围内的定向柱晶生长，而纳米陶瓷颗粒则因为超快的凝固前沿速度而被“包裹”进枝晶中，形成均匀分布的纳米陶瓷颗粒增强的具有定向外延生长特征的耐磨涂层。
发明内容
[0004] 本发明的目的是，为了解决单晶高温合金涡轮叶片叶尖的耐磨涂层制备难题，提出一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法。
[0005] 实现本发明的技术方案是，一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，所述方法以单晶高温合金涡轮叶片作为基材，以掺杂纳米陶瓷颗粒增强的抗氧化合金复合材料作为涂层材料，采用高能微弧火花沉积工艺制备与基材组织保持定向外延生长的纳米陶瓷颗粒增强耐磨涂层；具体步骤如下：
[0006] （1）制备纳米陶瓷颗粒增强的耐磨涂层复合材料电极；
[0007] （2）采用高能微弧火花沉积设备在单晶高温合金涡轮叶片表面制备纳米陶瓷颗粒增强的耐磨涂层。
[0008] 所述耐磨涂层复合材料电极制备步骤如下：
[0009] （1）将纳米级陶瓷颗粒以一定的比例加入到抗氧化合金粉末中，采用行星球磨机对混合粉末进行高能球磨，使纳米陶瓷颗粒与抗氧化合金均匀混合；
[0010] （2）将混合后的粉末经过热等静压制备成致密性良好的复合材料合金块体；
[0011] （3）在复合材料块体中采用线切割制备一定直径的棒料作为电极。
[0012] 所述纳米陶瓷颗粒增强的耐磨涂层制备步骤如下：
[0013] （1）对单晶高温合金涡轮叶片叶尖表面进行打磨、丙酮或酒精清洗后作为基材接入负极，将纳米陶瓷颗粒增强复合材料电极接入正极；
[0014] （2）设置相应的工艺参数后，可在火花放电的作用下将纳米陶瓷颗粒增强的复合材料熔化后喷射到单晶高温合金涡轮叶片叶尖表面形成沉积斑，快速凝固后形成具有冶金结合的涂层，其组织与单晶高温合金基材保持定向外延生长，纳米陶瓷颗粒在涂层中均匀分布。
[0015] 所述高能微弧火花沉积时工艺参数为电压40-120V，脉冲频率1-1000Hz，电容70-420μf,电极与基材相对移动速度0.5-6mm/s，电极与基材之间保持30°-80°的倾斜角度。
[0016] 所述纳米级陶瓷颗粒的粒径范围在30nm-100nm，陶瓷颗粒的重量比例为0.5%-30%，陶瓷颗粒为氧化物、氮化物或碳化物高硬度材料。
[0017] 所述行星球磨参数为转速100-600r/min，球磨时间为1-5小时。
[0018] 所述合金块体致密度为80%-99%，电极棒材直径为2-6mm。
[0019] 实现所述方法的装置包括行星球磨机、热等静压设备、线切割机、打磨机和高能微弧火花沉积设备。
[0020] 所述行星球磨机对混合合金粉末进行高能球磨；球磨好的混合合金粉末送热等静压设备进行高温热压成合金块体；合金块体经线切割机切割成所需要的电极；所述打磨机对需要处理的涡轮机叶片叶尖进行打磨清洗；以叶尖为负极，电极为正极，在高能微弧火花沉积设备上对叶尖进行火花沉积，在涡轮叶片叶尖表面形成纳米陶瓷颗粒增强的耐磨涂层。
[0021] 本发明的有益效果是，本发明由于采用高能微弧火花沉积工艺，其超高温度梯度和超快冷却速度，使得枝晶能够在整个断面上保持定向外延生长，而不会出现激光熔覆时产生的柱状晶向等轴晶转变的现象。由于枝晶凝固前沿速度很快，能够将纳米陶瓷颗粒“包裹”在枝晶内，从而使纳米陶瓷颗粒均匀分布于涂层内而不会出现“偏聚”现象。本发明由于纳米陶瓷颗粒的加入，能够使抗氧化合金在保持耐高温氧化腐蚀的同时显著提高涂层的高温硬度而提高耐磨性。同时，微弧火花沉积所形成的微纳米枝晶组织也能进一步提高涂层的使用性能。
附图说明
[0022] 图1为本发明装置及工艺流程图；
[0023] 图2为本发明实施例1制备耐磨涂层的扫描电镜图；
[0024] 图2（a）为纳米Y2O3颗粒增强的NiCoCrAlY耐磨封严涂层的低倍组织图；
[0025] 图2（b）为纳米Y2O3颗粒增强的NiCoCrAlY耐磨封严涂层内部微观组织图；
[0026] 图2（c）为纳米Y2O3颗粒增强的NiCoCrAlY耐磨封严涂层局部放大组织图；
[0027] 图3为本发明实施例1制备耐磨涂层的扫描电镜图；
[0028] 图3（a）为纳米TaC颗粒增强的NiCoCrAlTaY耐磨封严涂层低倍组织图；
[0029] 图3（b）为纳米TaC颗粒增强的NiCoCrAlTaY耐磨封严涂层微观组织图；
[0030] 图3（c）为纳米TaC颗粒增强的NiCoCrAlTaY耐磨封严涂层低倍组织图。
具体实施方式
[0031] 实施例1
[0032] 将标称粒径为50nm的纳米Y2O3粉末按重量比3%加入到NiCoCrAlY抗氧化粉末中，在行星球磨机中以400r/min的转速球磨4小时后，放入热等静压设备中，加热温度1250 oC，压力100MPa，保压1小时后形成致密度为90%的合金复合材料块体，然后采用线切割制备直径4mm的合金电极棒料。采用高能微弧火花沉积设备，将DD26单晶高温合金涡轮叶片，在叶尖<
001>晶面上用1000#砂纸打磨，然后采用丙酮清洗干燥后作为基材接入负极，纳米Y2O3颗粒增强的NiCoCrAlY合金棒材接入正极，在电压100V，电容420μf，脉冲频率300Hz，倾斜角度
60°，相对移动速度3mm/s的工艺参数下，制备纳米Y2O3颗粒增强的NiCoCrAlY耐磨封严涂层，涂层内部组织在整个断面上保持定向外延生长，纳米Y2O3颗粒均匀分布与涂层内。其扫描电镜图如图2所示。图2（a）为纳米Y2O3颗粒增强的NiCoCrAlY耐磨封严涂层的低倍组织图，涂层致密。图2（b）为纳米Y2O3颗粒增强的NiCoCrAlY耐磨封严涂层内部微观组织图，可见定向外延生长的枝晶。图2（c）为纳米Y2O3颗粒增强的NiCoCrAlY耐磨封严涂层局部放大组织图，可见纳米级Y2O3颗粒均匀分布在枝晶轴与枝晶间。
[0033] 实施例2
[0034] 将标称粒径为100nm的纳米TaC粉末按重量比4%加入到NiCoCrAlTaY抗氧化粉末中，在行星球磨机中以500r/min的转速球磨2小时后，放入热等静压设备中，加热温度1300oC，压力150MPa，保压1.5小时后形成致密度为95%的合金复合材料块体，然后采用线切割制备直径6mm的合金电极棒料。采用高能微弧火花沉积设备，将PWA1484涡轮叶片，在叶尖<001>晶面上用1500#砂纸打磨，然后采用丙酮清洗干燥后作为基材接入负极，纳米TaC颗粒增强的NiCoCrAlTaY合金棒材接入正极，在电压80V，电容350μf，脉冲频率400Hz，倾斜角度
60°，相对移动速度4mm/s的工艺参数下，制备纳米TaC颗粒增强的NiCoCrAlTaY耐磨封严涂层，涂层内部组织在整个断面上保持定向外延生长，纳米TaC颗粒均匀分布于涂层内。其扫描电镜图如图3所示。图3（a）为纳米TaC颗粒增强的NiCoCrAlTaY耐磨封严涂层低倍组织图，可见涂层致密。图3（b）为纳米TaC颗粒增强的NiCoCrAlTaY耐磨封严涂层微观组织图，可见枝晶定向外延生长。图3（c）为纳米TaC颗粒增强的NiCoCrAlTaY耐磨封严涂层低倍组织图，可见纳米级TaC颗粒均匀分布于涂层内。
