航空发动机、及风扇叶片、及叶片表面防护层的制备方法
技术领域
本发明涉及航空发动机材料制备的技术领域，特别涉及航空发动机、及风扇叶片、及叶片表面防护层的制备方法。
背景技术
航空发动机风扇叶片的工作环境极为恶劣，既面临高空中液体、温度以及硫化物、二氧化碳等强腐蚀性介质的电化学和化学腐蚀，又面临各种飞鸟、石块等杂物卷入的磨蚀，因此损伤极为严重。
航空发动机风扇叶片在运转过程中，由于叶片与风沙的剧烈摩擦，外表面易于磨损，致使航空发动机风扇叶片在严苛的环境工作时的服役寿命均远远低于设计水平，很多航空发动机风扇叶片在未达设计寿命一半时即已降级使用。目前叶片防护层仅用做地面轮机的耐磨带，无法解决航空发动机叶片磨损、腐蚀等问题。
热喷防护层方法常用于金属材料的表面防护。例如在碳钢(合金钢)/铝涂层体系中，铝为阳极，可对钢基体提供牺牲阳极的电化学保护。同时，铝在腐蚀过程中形成的腐蚀产物可有效阻塞金属涂层表面的微孔隙，形成“自封闭”效应，进一步起到保护钢基体的作用。热喷防护层抗硫化物性能良好，但硬度较低，因此对于航空发动机叶片而言，在有风沙冲蚀的条件下，防护层消耗较快，服役寿命短，此外航空发动机叶片属于复合材料，传统的防护层制备方法并不适用于该叶片材料。
发明内容
本发明提供一种发动机风扇叶片表面防护层的制备方法，用于制备航空发动机风扇叶片表面防护层，解决了防护层在恶劣环境下腐蚀、损耗失效速率快的技术问题。
本发明的另一目的提供一种发动机风扇叶片，以解决现有技术的不足。
本发明的又一目的是提供一种航空发动机，以解决现有技术的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种航空发动机风扇叶片表面防护层的制备方法，包括：对基体表面进行喷砂预处理；利用高速电弧喷涂技术对预处理后的基体表面喷涂型材，形成Ga-Pd-CrC-TiO2防护层。其中型材由表皮和内芯组成，所述表皮为镓合金表皮，所述内芯由Pd粉、CrC粉、TiO2粉和Ga粉组成；按照质量百分比，所述型材中各组分组成为：Pd粉18％～22％、Ga粉8％～12％、CrC粉和TiO2粉共5％～8％、余量为镓合金；所述CrC粉占所述CrC粉和TiO2粉总质量的20％～25％；所述内芯的填充率为33％～35％；所述Pd粉、CrC粉、TiO2粉和Ga粉的筛分粒度为60～70目。
进一步地，所述基体材质为钛合金复合材料。
进一步地，在进行所述喷砂预处理时，控制压力为0.7～0.8MPa，喷砂角度为80～85°，喷砂距离为170～190mm。
进一步地，所述高速电弧喷涂的工艺参数为：压缩空气压力0.7～0.8MPa、喷涂电压30～31V、喷涂电流130～140A、喷涂距离190～195mm。
进一步地，所述Ga-Pd-CrC-TiO2防护层的厚度为0.5～1cm。
另一方面，本发明提供了一种航空发动机风扇叶片，包括基体和覆盖在所述基体表面的保护层，所述保护层使用本发明所述的方法制得。
本申请实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例制备的抗腐蚀、抗磨损的航空发动机风扇叶片防护层，具有结合强度高、防腐性能优异、表面硬度高等特点；所制备的防护层可应用于航空发动机风扇叶片防腐抗磨损，提高叶片的服役寿命。
附图说明
图1是本申请实施例中制备航空发动机风扇叶片防护层的方法流程图。
图2是本申请实施例1制备的Ga-Pd-CrC-TiO2防护层截面SEM照片。
图3是本申请实施例1制备的Ga-Pd-CrC-TiO2防护层在4000ppm酸性水中120h后的表面形貌图。
具体实施方式
本申请实施例提供一种航空发动机风扇叶片表面防护层的制备方法，解决了防护层在恶劣环境下腐蚀、损耗失效速率快的技术问题，可应用于航空发动机风扇叶片防腐抗磨损，提高叶片的服役寿命。
为解决上述技术问题，本申请实施例总体思路如下：
本申请提供了一种航空发动机风扇叶片表面防护层的制备方法，包括：对基体表面进行喷砂预处理；利用高速电弧喷涂技术对预处理后的基体表面喷涂型材，形成Ga-Pd-CrC-TiO2防护层。
其中型材由表皮和内芯组成，所述表皮为镓合金表皮，所述内芯由Pd粉、CrC粉、TiO2粉和Ga粉组成；按照质量百分比，所述型材中各组分组成为：Pd粉18％～22％、Ga粉8％～12％、CrC粉和TiO2粉共5％～8％、余量为镓合金。
所述CrC粉占所述CrC粉和TiO2粉总质量的20％～25％。
所述内芯的填充率为33％～35％。
所述Pd粉、CrC粉、TiO2粉和Ga粉的筛分粒度为60～70目。
由于本申请以镓作为耐蚀相基材，在镓基材中加入Pd、CrC、TiO2合金元素，有利于提高防护层的耐腐蚀性能和耐磨性能，从而有效解决防护层在恶劣环境下腐蚀失效速率快的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。
本申请实施例提供了一种航空发动机风扇叶片表面防护层的制备方法，包括：对基体表面进行喷砂预处理；利用高速电弧喷涂技术对预处理后的基体表面喷涂型材，形成Ga-Pd-CrC-TiO2防护层。其中型材由表皮和内芯组成，所述表皮为镓合金表皮，所述内芯由Pd粉、CrC粉、TiO2粉和Ga粉组成；按照质量百分比，所述型材中各组分组成为：Pd粉18％～22％、Ga粉8％～12％、CrC粉和TiO2粉共5％～8％、余量为镓合金。
本申请实施例中，所述CrC粉占所述CrC粉和TiO2粉总质量的20％～25％。
本申请实施例中，所述内芯的填充率为33％～35％。内芯填充率过大会造成型材制备过程中成型困难，过小则容易造成型材空芯。内芯中添加适量Ga粉可保证内芯与镓合金表皮充分反应。
本申请实施例中，所述Pd粉、CrC粉、TiO2粉和Ga粉的筛分粒度为60～70目，所述筛分粒度是指颗粒可以通过筛网的筛孔尺寸。Pd粉、CrC粉、TiO2粉和Ga粉的粒度过大或过小会造成喷涂过程中焰流不稳定，具体实施过程中过60～70目筛以保证合适的粒度。Pd粉、CrC粉、TiO2粉和Ga粉作为内芯填充物，须充分混合，且粒度不能相差过大，以免在混粉过程中出现偏聚。
本申请实施例利用Pd粉和(CrC+TiO2)粉来提高防护层耐硫化物腐蚀性能和耐石沙磨损性能，考虑各粉末的熔点与粒度等因素，采用该型材设计，可以最大限度的提高材料的利用率，且在一定程度上降低了各材料熔点不同的影响。
本申请实施例中的型材采用现有的常规方法来制备：
先将Pd粉、CrC粉、TiO2粉和Ga粉按设计配比混合均匀，并准备好一定规格的镓合金，通过成型装置经过裁带、轧带、填粉、封口、拔丝等过程，制得成品型材，型材生产过程中的工艺参数，以能连续生产和不出现翻带、断带、断丝等现象为要求。
本申请实施例提供了一种航空发动机风扇叶片表面防护层的制备方法，请参考图1，包括：
步骤S110：对基体表面进行喷砂预处理；
所述基体材质为钛合金复合材料。
喷涂前的基体表面必须进行喷砂处理，以达到清洁和粗化要求。
喷砂时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.7～0.8MPa，采用刚玉砂或符合有关规定的其它磨料，喷砂角度为80～85°，喷砂距离为170～190mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，但喷砂时间不宜过长。喷砂后基体的表面粗糙度要达到Sa2.5级水平。
步骤S120：利用高速电弧喷涂技术对预处理后的基体表面喷涂所述型材，形成Ga-Pd-CrC-TiO2防护层，即所述航空发动机风扇叶片表面防护层。
利用现有的高速电弧喷涂设备进行高速电弧喷涂，高速电弧喷涂的工艺参数为：压缩空气压力0.7～0.8MPa、喷涂电压30～31V、喷涂电流130～140A、喷涂距离190～195mm。压缩空气压力过大会引起焰流不集中，出现飞溅现象；过小则不能使焰流达到所要求的喷涂速度。喷涂电压过大会引起型材过度蒸发，型材还未到达基体就已大量损失；过小型材则不能起弧。喷涂电流过大会引起型材过烧，影响喷涂稳定性；过小型材不能充分熔化，影响防护层性能。喷涂距离过大会引起型材熔滴不能充分与基体结合，形成的防护层结合强度较低；过小则会引起熔滴飞溅，影响防护层沉积率。综合考虑各工艺因素间的相互作用和相互影响，最终确定了上述工艺参数，该工艺参数能够使焰流最为稳定，且防护层致密性较好，可保证防护层具有高的结合强度和低的孔隙率。
形成的Ga-Pd-CrC-TiO2防护层的厚度为0.5～1cm。喷涂的防护层应具有合适的厚度，防护层太薄不能很好地起到防腐耐磨损效果，太厚则容易引起应力集中，造成防护层结合强度下降。
另一方面，基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种航空发动机风扇叶片，包括基体和覆盖在所述基体表面的保护层，所述保护层使用本发明所述的方法制得。
为了使本领域所属技术人员能够进一步的了解本发明实施例的方案，下面将基于本申请实施例所介绍的方案对其进行详细介绍。
实施例1
取Pd粉、Ga粉、CrC粉和TiO2粉过60目筛后按比例混合均匀，采用Ga合金为表皮材料，制得成品型材，型材的内芯填充率为33％，型材直径为2mm。表皮采用厚度为0.4mm的Ga合金表皮，可保证表皮在拉伸后仍可保持足够的强度和韧性，以便于喷涂时更加顺畅。
型材各组分组成如下：
该Ga合金的合金组成如下：
喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.8MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为80°，喷砂距离为170mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，同时要求在表面处理完成四小时内完成型材喷涂；
采用常规电弧喷涂设备在基体表面喷涂Ga-Pd-CrC-TiO2防护层，工艺参数为：压缩空气压力0.8MPa、喷涂电压30V、喷涂电流130A、喷涂距离190mm，防护层厚度0.5cm。
实施例2
取Pd粉、Ga粉、CrC粉和TiO2粉过70目筛后按比例混合均匀，采用Ga合金为表皮材料，制得成品型材，型材的内芯填充率为35％，型材直径为2mm，表皮采用厚度为0.4mm的Ga合金表皮。
型材各组分组成如下：
Ga合金的合金组成同实施例1。
喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.75MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为80°，喷砂距离为170mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，同时要求在表面处理完成四小时内完成型材喷涂；
采用常规电弧喷涂设备在基体表面喷涂Ga-Pd-CrC-TiO2防护层，工艺参数为：压缩空气压力0.75MPa、喷涂电压30V、喷涂电流140A、喷涂距离190mm，防护层厚度0.5cm。
实施例3
取Pd粉、Ga粉、CrC粉和TiO2粉过70目筛后按比例混合均匀，采用Ga合金为表皮材料，制得成品型材，型材的内芯填充率为33％，型材直径为2mm，表皮采用厚度为0.4mm的Ga合金表皮。型材各组分组成如下：
Ga合金的合金组成同实施例1。
喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.7MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为85°，喷砂距离为190mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，同时要求在表面处理完成四小时内完成型材喷涂；
采用常规电弧喷涂设备在基体表面喷涂Ga-Pd-CrC-TiO2防护层，工艺参数为：压缩空气压力0.7MPa、喷涂电压31V、喷涂电流140A、喷涂距离190mm，防护层厚度0.7cm。
实施例4
取Pd粉、Ga粉、CrC粉和TiO2粉过60目筛后按比例混合均匀，采用Ga合金为表皮材料，制得成品型材，型材的内芯填充率为34％，型材直径为2mm，表皮采用厚度为0.4mm的Ga合金表皮。
型材各组分组成如下：
Ga合金的合金组成同实施例1。
喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.8MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为80°，喷砂距离为180mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，同时要求在表面处理完成四小时内完成型材喷涂；
采用常规电弧喷涂设备在基体表面喷涂Ga-Pd-CrC-TiO2防护层，工艺参数为：压缩空气压力0.8MPa、喷涂电压31V、喷涂电流130A、喷涂距离190mm，防护层厚度0.7cm。
实施例5
取Pd粉、Ga粉、CrC粉和TiO2粉过70目筛后按比例混合均匀，采用Ga合金为表皮材料，制得成品型材，型材的内芯填充率为34％，型材直径为2mm，表皮采用厚度为0.4mm的Ga合金表皮。
型材各组分组成如下：
Ga合金的合金组成同实施例1。
喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.7MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为80°，喷砂距离为170mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，同时要求在表面处理完成四小时内完成型材喷涂；
采用常规电弧喷涂设备在基体表面喷涂Ga-Pd-CrC-TiO2防护层，工艺参数为：压缩空气压力0.7MPa、喷涂电压31V、喷涂电流130A、喷涂距离195mm，防护层厚度1cm。
图2显示了制备的Ga-Pd-CrC-TiO2防护层截面的SEM照片，从微观形貌来看，熔滴搭叠良好，没有明显的孔隙出现，表明在既定成分及工艺条件下，Ga-Pd-CrC-TiO2防护层表观较好。
图3显示了制备的Ga-Pd-CrC-TiO2防护层在4000ppm酸性水中120h后的表面形貌图。Ga-Pd-CrC-TiO2防护层在酸性液体腐蚀后，表面没有出现开裂、脱落等失效现象，说明防护层可以对叶片基体形成有效保护。
将本申请实施例喷涂得到的Ga-Pd-CrC-TiO2防护层与纯Ga防护层进行石沙冲蚀对比分析。测试防护层表面积为100mm×50mm。采用失重法对两种防护层进行评价，以考察防护层的耐石沙冲蚀性能。试验条件：介质为3.5％NaCl溶液，含沙量为2％～3％，冲蚀角度为90°，冲蚀速度为10m/s，冲蚀时间为24h。防护层的腐蚀速率情况见表1：
表1防护层耐石沙冲蚀性能测试结果
由表1看出，采用本申请实施例制备的Ga-Pd-CrC-TiO2防护层与纯Ga防护层相比，在石沙冲蚀环境下腐蚀速率大幅下降。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
