发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末及制备方法

摘要

本发明属于航空发动机制造领域，具体涉及一种发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末及制备方法。本发明的发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末，其化学成分按照质量百分比为：Cr25.5~26%，Ni10~11.5%，W7~8%，C0.45~0.55%，O＜400ppm，余量为Co；粉末的粒度≤325目，流动性为22~24s/50g，松比4.3~4.8g/cm3，其制备方法是首先按照化学成分进行真空熔炼得到合金液，合金液经中间包和导流管进入雾化罐中进行雾化，雾化压力为0.6~3MPa，得到CoCrW基高温合金粉末。本发明通过控制配料和加料顺序、合金液温度和雾化喷射条件获得形貌完整、粒度均匀、流动性好和松比合理的球形CoCrW基高温合金粉末。

说明书

技术领域

本发明属于航空发动机制造领域，具体涉及一种发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末及制备方法。

背景技术

发动机特别是航空发动机的涡轮外环涂层材料要求具有先进的抗高温、抗氧化、抗热冲蚀性及具有良好密封性能。CoCrW合金粉是一种可作为底层的涂层材料，它能与钛合金等高温合金有很好的粘性和结合强度，涂层组织分布均匀，没有裂纹、分层和涂层与基体界面分离现象，是一种优良的喷涂用底层材料。

但是CoCrW合金熔点高、粘度大、易氧化，雾化过程困难，所得合金粉末球形度差，流动性和松比较低，不能满足高质量喷涂涂层材料的要求。此外，CoCrW合金粉末易氧化元素控制不稳定，氧含量较高，会影响合金涂层的各项性能，涂层中氧化物夹杂增多，孔隙率变大，而且涂层与基体的结合强度也可能由于结合界面上夹杂的存在而降低。因此，为了获得综合性能优异的CoCrW合金涂层，制备低氧含量合金粉末已经成为必然的趋势。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末及制备方法，目的是通过控制合理的雾化工艺参数，制备出满足涂层使用要求的CoCrW基高温合金粉末。

本发明的发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末，其化学成分按照质量百分比为：Cr25.5~26%，Ni10~11.5%，W7~8%，C0.45~0.55%，O＜400ppm，余量为Co；粉末的粒度≤325目，流动性为22~24s/50g,松比4.3~4.8g/cm³。

本发明的发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末的制备方法，按照以下步骤进行：

（1）按照化学成分质量百分比Cr25.5~26%，Ni10~11.5%，W7~8%，C0.5~0.55%，余量为Co配料，采用中频感应炉进行真空熔炼，炉内真空度＜10Pa，投料时，将镍板和部分钴放在炉底，钨条和金属铬放入炉子中部，再将剩余的钴板放入顶部，在惰性气体保护下，熔炼得到合金液；

（2）合金液经中间包和导流管进入雾化罐中进行雾化，导流管直径为8mm，雾化罐中真空度≤2Pa，雾化温度为1500~1700℃，雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，设置喷射顶角为30°~60°，喷射惰性气体或氮气对合金液进行雾化，雾化压力为0.6~3MPa，雾化得到的粉末经雾化罐下方的收集器中，经旋风分离后进入旋风收尘器富集，得到CoCrW基高温合金粉末。

所述的收放型环缝喷嘴的内喷嘴缝沿与外喷嘴缝沿在合金液流动方向上的距离为1.5mm。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明的技术方案是通过控制配料和加料顺序、合金液温度和雾化喷射条件获得形貌完整、粒度均匀、流动性好和松比合理的球形CoCrW基高温合金粉末，具体是：

本发明中设计的金属元素熔点相差比较大，它们在炉内难以熔化成均一的合金液，容易产生成分偏析，感应炉内不同区域温度也存在不同，所以在进行炉内投料时，需要严格考虑投料顺序，本发明中在投料时，将镍板和部分钴放在炉底，钨条和金属铬放入炉子中部，再将剩余的钴板放入顶部；

蒸汽压较高的金属在熔炼时，合金元素容易挥发损失，因此熔炼需要在惰性气体保护下进行，以避免在熔炼时金属液面沸腾，引起喷溅；

合金液的雾化过程是控制气体对金属液流的作用过程，使气流的动能最大限度的转化为新生粉末表面能，其中喷射顶角为30°和60°是堵塞和不堵塞的两个临界状态，当大于60°时，雾化终止，当小于30°时，易于发生射流，粉末较粗，甚至不发生雾化；

环缝喷嘴的内喷嘴缝沿与外喷嘴缝沿在合金液流动方向上的上的距离称为突出部位P，当P＜0时，经中间包流下来的合金液在雾化过程中有一部分将向雾化介质喷出相反的方向飞扬，而被冷凝在漏包嘴上，造成堵塞，使雾化过程中断，影响生产效率，P＞0时，随着P的增大，雾化喷射顶角减小，制得粉末较粗，气流利用率较低，同时容易造成射流，严重影响雾化效果，所以本发明中突出部位的高度设置为1.5mm；

在雾化制粉过程中，不同尺寸、不同状态的金属颗粒在飞行过程中受到气流和重力的作用，运行速度也不行同，它们可能相互碰撞或与雾化罐内壁碰撞发生变形，从而可能形成各种费球状的粉末颗粒，然而当过热度提高时，由于表面张力的作用，在下降过程中具有次年改成球体的趋势，从而得到更好球形度的粉末，这样必然会使合金粉末的流动性提高，进而提高粉末的宋庄密度，这是由于温度的提高，金属熔体的粘度和表面张力降低，同时由于温度高的液滴冷凝过程长，表面张力收缩液滴表面的时间长，故容易得到球形粉末，因此本发明中的雾化温度设定为1500~1700℃；

    气体压力是保证雾化介质具有一定动能的先决条件，随着气体压力的提高，粉末中细粉的比例增大，但是无限的提高压力来减小粉末粒也是不可取的，因此本发明中将雾化压力设定为0.6~3MPa；

熔炼炉内的真空度与CoCrW基高温合金的含氧量有关，只有当炉内真空度低于10Pa时，才能将合金中的氧含量控制在较低范围内。

本发明方法制备的得到的CoCrW基高温合金粉末具有光滑的球形微观形貌，流动性为22~24s/50g,松比4.3~4.8g/cm³，含氧量低于400ppm，将其采用超音速喷涂工艺制成涂层时，完全满足发动机涡轮外环耐磨涂层的使用要求。

附图说明

图1是本发明实施例1中制备得到的CoCrW基高温合金粉末的SEM图；

图2是本发明实施例2中制备得到的CoCrW基高温合金粉末的SEM图；

图3是本发明实施例2中制备得到的CoCrW基高温合金粉末制成涂层后与基体结合的金相组织图；

图4是本发明实施例3中制备得到的CoCrW基高温合金粉末的SEM图；

图5是本发明实施例3中制备得到的CoCrW基高温合金粉末的X射线衍射曲线；

图6是本发明实施例3中制备得到的CoCrW基高温合金粉末制成涂层后与基体结合的金相组织图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的原料中，Ni的规格牌号是Ni9996，购自北京金都物资经销公司；Cr的规格为99A，购自锦州市金属材料研究所；Co的规格为99，购自金川公司；W的规格为99A，购自株洲硬质材料厂。

本发明实施例中采用的中频感应炉功率为100kW，中频频率为2500Hz，额定装料量为50kg，由IGBTFA中频电源控制柜供电控制。

实施例1

本发明的发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末，其化学成分按照质量百分比为：Cr 25.5%，Ni 10%，W 8%，C 0.50%，O＜400ppm，余量为Co；粉末的粒度≤325目，流动性为22s/50g,松比4.8g/cm³。

本发明的发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末的制备方法，按照以下步骤进行：

（1）按照化学成分质量百分比Cr 25.5%，Ni 10%，W 8%，C 0.50%，余量为Co配料，采用中频感应炉进行真空熔炼，炉内真空度＜10Pa，投料时，将镍板和部分钴放在炉底，钨条和金属铬放入炉子中部，再将剩余的钴板放入顶部，在惰性气体保护下，熔炼得到合金液；

（2）合金液经中间包和导流管进入雾化罐中进行雾化，导流管直径为8mm，雾化罐中真空度≤2Pa，雾化温度为1500℃，雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，其内喷嘴缝沿与外喷嘴缝沿在合金液流动方向上的距离为1.5mm，设置喷射顶角为60°，喷射惰性气体或氮气对合金液进行雾化，雾化压力为3MPa，雾化得到的粉末经雾化罐下方的收集器中，经旋风分离后进入旋风收尘器富集，得到CoCrW基高温合金粉末，经检测，粉末的粒度≤325目，流动性为22s/50g,松比4.8g/cm³，其SEM图如图1所示，从图1中可以看出真空雾化得到的合金粉末为球形，显著提高了合金粉末的流动性及松装密度。

将得到的CoCrW基高温合金粉末采用超音速喷涂工艺制备成涂层，经检测涂层硬度平均值为85，与金属基体的结合强度为69MPa，于700℃进行20次热震试验，震后表面状态完好，涂层无变化，涂层与基体表面结合良好。

实施例2

本发明的发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末，其化学成分按照质量百分比为：Cr 26%，Ni 10.5%，W 7.5%，C 0.45%，O＜400ppm，余量为Co；粉末的粒度≤325目，流动性为23s/50g,松比4.5g/cm³。

本发明的发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末的制备方法，按照以下步骤进行：

（1）按照化学成分质量百分比Cr 26%，Ni 10.5%，W 7.5%，C 0.45%，余量为Co配料，采用中频感应炉进行真空熔炼，炉内真空度＜10Pa，投料时，将镍板和部分钴放在炉底，钨条和金属铬放入炉子中部，再将剩余的钴板放入顶部，在惰性气体保护下，熔炼得到合金液；

（2）合金液经中间包和导流管进入雾化罐中进行雾化，导流管直径为8mm，雾化罐中真空度≤2Pa，雾化温度为1600℃，雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，其内喷嘴缝沿与外喷嘴缝沿在合金液流动方向上的距离为1.5mm，设置喷射顶角为45°，喷射惰性气体或氮气对合金液进行雾化，雾化压力为1.5MPa，雾化得到的粉末经雾化罐下方的收集器中，经旋风分离后进入旋风收尘器富集，得到CoCrW基高温合金粉末，经检测，粉末粒度≤325目，流动性为23s/50g,松比4.5g/cm³，其SEM图如图2所示，从图2中可以看出真空雾化得到的合金粉末为球形，显著提高了合金粉末的流动性及松装密度。

将得到的CoCrW基高温合金粉末采用超音速喷涂工艺制备成涂层，经检测涂层硬度平均值为87，与金属基体的结合强度为72MPa，于700℃进行20次热震试验，震后表面状态完好，涂层无变化，涂层与基体表面结合良好，如图3所示。

实施例3

本发明的发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末，其化学成分按照质量百分比为：Cr 25.8%，Ni 11.5%，W 7%，C 0.55%，O＜400ppm，余量为Co；粉末的粒度≤325目，流动性为24s/50g,松比4.3g/cm³。

本发明的发动机涡轮外环耐磨涂层的CoCrW基高温合金粉末的制备方法，按照以下步骤进行：

（1）按照化学成分质量百分比Cr 25.8%，Ni 11.5%，W 7%，C 0.55%，余量为Co配料，采用中频感应炉进行真空熔炼，炉内真空度＜10Pa，投料时，将镍板和部分钴放在炉底，钨条和金属铬放入炉子中部，再将剩余的钴板放入顶部，在惰性气体保护下，熔炼得到合金液；

（2）合金液经中间包和导流管进入雾化罐中进行雾化，导流管直径为8mm，雾化罐中真空度≤2Pa，雾化温度为1700℃，雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，其内喷嘴缝沿与外喷嘴缝沿在合金液流动方向上的距离为1.5mm，设置喷射顶角为30°，喷射惰性气体或氮气对合金液进行雾化，雾化压力为0.6MPa，雾化得到的粉末经雾化罐下方的收集器中，经旋风分离后进入旋风收尘器富集，得到CoCrW基高温合金粉末，经检测，粉末粒度≤325目，流动性为24s/50g,松比4.3g/cm³，其SEM图如图4所示，从图4中可以看出真空雾化得到的合金粉末为球形，显著提高了合金粉末的流动性及松装密度，其X射线衍射曲线如图5所示，从图5中可以看出合金组元Cr和Ni主要以Cr₃Ni₂形式存在。

将得到的CoCrW基高温合金粉末采用超音速喷涂工艺制备成涂层，经检测涂层硬度平均值为84，与金属基体的结合强度为55MPa，于700℃进行20次热震试验，震后表面状态完好，涂层无变化，其金相组织图如图6所示，从图6中可以看出，涂层与基体结合良好。