本發明涉及的是金屬材料的表面改性，具體地說是船用燃機壓氣機鼓筒耐磨性涂層及其制備方法。

背景技術：

隨著我國船用燃氣輪機的快速發展，現代化艦船對燃氣輪機的性能要求越來越高。高壓壓氣機轉子是燃氣輪機的主要部件之一，用來對進入燃氣輪機的空氣增壓，使空氣壓力達到預定值。對于高壓壓氣機轉子要求其效率高、工作可靠，剛性好、重量輕等。主要體現在以下諸方面：①結構緊湊，質量輕，結構機組單位功率質量低于1Kg/Kw。②體積小，使用時可以節省空間。③起動塊，從冷態起動至帶滿負荷，視機組功率的大小及結構型式的不同在數分鐘至半小時之間，在緊急情況下很多機組的起動時間可以縮短約一半左右。④運行平穩，可靠性高，大量機組可靠性達99％，即機組的事故停機率僅為1％。⑤效率高，現簡單循環燃氣輪機效率最高已達42.9％，而聯合循環機組效率最高己達58％，后者是目前各種熱力機械中所達到的最高效率值。為了達到以上諸項要求，要求高壓壓氣機轉子的鼓筒各級盤之間的鼓筒直徑相同，鼓簡與盤之間以圓柱面和端面配合定位，通過精密螺栓將它們拉緊，在端面產生摩擦力傳遞扭矩。在提高零件使用效率，節約材料的原則下，高壓鼓筒采用涂層覆蓋技術制備氧化物陶瓷涂層起隔熱、耐磨和抗腐蝕的作用，以達到延長零部件壽命、防止意外碰摩，提高燃氣輪機效率的目的。

等離子弧溫很高，特別適用于噴涂復合氧化物陶瓷，能夠噴涂具有復雜形狀的工件，沉積效率高，容易制備厚膜涂層和大面積涂層。因此，采用等離子噴涂技術在船用燃機壓氣機鼓筒表面制備耐磨的氧化物陶瓷涂層。

等離子噴涂涂層中經常出現的氣孔、裂紋以及分層等缺陷會給涂層性能帶來很多不利的影響。YSZ/Al₂O₃都屬于陶瓷相-脆硬相，具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等優點，但韌性不足。研究表明，在涂層失效過程中，纖維的存在可以有效地傳遞、承載外力，并在纖維拔出、脫粘過程中消耗能量，且可以延長裂紋的擴展路徑，從而提高材料的韌性，降低材料的脆性。

陶瓷纖維是一種纖維狀輕質耐火材料，使用溫度高、隔熱性能好、高溫化學性質穩定、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震性好、不揮發、無污染等優良特性，因而在機械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、電子等行業都得到了廣泛的應用。陶瓷纖維加入涂層中具有明顯增韌效果，纖維增韌的機制主要包括裂紋彎曲和偏轉、纖維脫粘、纖維拔出和纖維橋接，其中纖維拔出為纖維增韌的主要機制，可以描述為靠近裂紋尖端的纖維在外應力作用下沿著它和基體的界面滑出。在此過程中，外應力需要克服界面摩擦剪切力做功，使復合材料的斷裂功增大。纖維拔出會造成裂紋尖端應力松弛從而達到減緩裂紋擴展的目的。

傳統的船用燃機壓氣機鼓筒等離子噴涂氧化物陶瓷耐磨涂層，通常采用氧化鋁陶瓷涂層作為工作層，未考慮到陶瓷涂層在摩擦磨損中存在硬度大，脆性大，但韌性不足的特點，涂層容易在摩擦磨損過程中，涂層內部的微裂紋不斷在涂層缺陷處(如孔隙、微裂紋等)或扁平粒子界面處形成并沿著缺陷或界面不斷擴展，不同方向的微裂紋相互交錯并形成網狀，從而導致涂層的斷裂造成涂層脆性層狀剝落，造成其耐磨性能下降。

技術實現要素：

本發明的目的在于提高船用燃機壓氣機鼓筒耐磨性的涂層。本發明的目的還在于提供一種提高船用燃機壓氣機鼓筒耐磨性的涂層的制備方法。

本發明的提高船用燃機壓氣機鼓筒耐磨性的涂層包括采用等離子噴涂方法噴涂在燃機壓氣機鼓筒合金基體上的粘結層和采用等離子噴涂方法噴涂在粘結層上的工作層，所述工作層由工作層粉體材料與陶瓷纖維構成，工作層粉體材料由YSZ和Al₂O₃制成，工作層的質量比組成為18％～80％YSZ粉體、18～80％Al₂O₃粉體和2％～20％陶瓷纖維。

本發明的提高船用燃機壓氣機鼓筒耐磨性的涂層還可以包括：

1、所述陶瓷纖維為SiC纖維、莫來石纖維、YSZ纖維或硅酸鋁纖維。

2、所述YSZ為氧化釔含量為6％～8％mol的氧化釔穩定二氧化鋯。

3、所述粘結層成分為NiCoCrAlY、NiAl或NiCrAlY。

本發明的提高船用燃機壓氣機鼓筒耐磨性的涂層的制備方法為：

(1)對燃機壓氣機鼓筒合金基體進行預處理；

(2)對陶瓷纖維進行預處理，再按照質量比組成為18％～80％YSZ粉體、18～80％Al₂O₃粉體和2％～20％陶瓷纖維的比例混合，對混合物進行球磨處理得到陶瓷復合粉體；

(3)采用等離子噴涂法在燃機壓氣機鼓筒合金基體表面噴涂一層粘結層；

(4)采用等離子噴涂在粘結層上繼續噴涂一層陶瓷復合工作層。

本發明的提高船用燃機壓氣機鼓筒耐磨性的涂層的制備方法還可以包括：

1、陶瓷纖維的預處理工藝參數為：(1)球磨處理，球料比為2：1、球磨速度為350r/min、球磨時間為10min，(2)超聲分散1h，(3)干燥處理；對混合物進行球磨處理的工藝參數為：球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時間為2h；陶瓷復合粉體的粒徑為20μm～120μm。

2、在進行等離子噴涂之前，對粘結層材料和陶瓷復合粉體進行干燥，干燥溫度200℃，保溫時間2h。

3、等離子噴涂粘結層工藝參數為：電流570～630A，電壓65～75V，噴涂距離130～150mm，噴涂角度90°，粘結層厚度為30μm～80μm。

4、等離子噴涂工作層工藝參數為：電流590～640A，電壓70～78V，噴涂距離100～120mm，噴涂角度90°，工作層的厚度為200μm～300μm。

為了提高等離子噴涂陶瓷涂層的耐磨性，本發明采用添加陶瓷短纖維解決陶瓷涂層的脆性大韌性不足的問題，在等離子陶瓷涂層中實現纖維增韌，增大摩擦磨損過程中復合涂層的斷裂功，減緩陶瓷涂層脆性層片狀剝落，實現提高耐磨性的目的。選用等離子噴涂技術制備YSZ/Al₂O₃摻雜陶瓷纖維的復合涂層，用以提高船用燃機壓氣機鼓筒耐磨性。

本發明中陶瓷纖維可以在復合涂層中實現纖維增韌，增大摩擦磨損過程中復合涂層的斷裂功，減緩陶瓷涂層脆性層片狀剝落，實現提高耐磨性的目的。其主要作用機理為：1.裂紋彎曲和偏轉，阻礙裂紋的拓展。2.纖維脫粘、纖維拔出和纖維橋接，使復合涂層的斷裂功增大，造成裂紋尖端應力松弛從而減緩裂紋擴展。

本發明包含以下有益效果：

(1)YSZ/Al₂O₃都屬于陶瓷相-脆硬相，韌性不足。摻雜陶瓷纖維后形成復合材料涂層，陶瓷纖維在復合涂層中具有一定的增韌效果，降低氧化物陶瓷涂層在摩擦磨損過程中脆性層片狀剝落，提高船用燃機壓氣機鼓筒耐磨性。

(2)等離子噴涂制備YSZ/Al₂O₃粉末中摻雜陶瓷纖維的復合涂層，是一種簡單實用性高的方法。

附圖說明

圖1摻雜陶瓷纖維后涂層截面形貌；

圖2摻雜陶瓷纖維后涂層摩擦磨損表面的掃描電鏡圖；

圖3未摻雜陶瓷纖維后涂層摩擦磨損表面的掃描電鏡圖；

圖4摻雜陶瓷纖維和未摻雜陶瓷纖維后涂層摩擦失重對比圖。

具體實施方式

本發明通過將陶瓷纖維的摻雜到YSZ/Al₂O₃粉末中形成復合粉末，制備YSZ/Al₂O₃摻雜陶瓷纖維的復合涂層。涂層中的陶瓷纖維可以解決在壓氣機鼓筒實際工況下，陶瓷涂層存在脆性大韌性不足的特點，容易造成脆性層片狀剝落的問題，改善涂層的耐磨性能。

基體優選自：奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼，鐵素體不銹鋼。

粘結層原始成分為NiCoCrAlY或NiAl或NiCrAlY。

工作層原始材料為YSZ/Al₂O₃。其中YSZ(即：Yttria-Stabilized Zirconia，氧化釔穩定二氧化鋯)，氧化釔含量為6％～8％mol。

陶瓷纖維為摻雜的陶瓷纖維為SiC纖維或莫來石纖維或YSZ纖維或硅酸鋁纖維等。

本發明的用于提高船用燃機壓氣機鼓筒耐磨性的涂層的制備方法，它涉及一種基于等離子噴涂技術制備YSZ/Al₂O₃摻雜陶瓷纖維復合涂層的方法，包括以下步驟：

(1)合金基體預處理：使用砂紙將基體的表面打磨光滑，然后使用無水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基體；等離子噴涂前，進行噴砂處理；

(2)復合粘結層噴涂材料的制備：將陶瓷纖維經球磨處理至合適粒徑，超聲分散，干燥處理；將工作層粉體材料與陶瓷纖維按照一定比例混合后球磨處理，得到復合粉體；

(3)噴涂粉末預處理：對預噴涂粉末進行干燥，保溫溫度200℃，保溫時間2h；

(4)噴涂粘結層：采用等離子噴涂法在預處理過的合金基體表面噴涂一層粘結層；

(5)噴涂工作層：采用等離子噴涂在噴涂后的粘結層上繼續噴涂一層陶瓷復合涂層即得到完整的涂層體系。

所述步驟2)中球磨制備陶瓷纖維工藝參數為：球料比為2：1，球磨速度為350r/min，球磨時間為10min。超聲分散1h，干燥處理。制備摻雜陶瓷纖維的YSZ/Al₂O₃復合粉末工藝參數為：球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時間為2h；陶瓷復合粉體的粒徑為20μm～120μm。

所述步驟4)中，等離子噴涂制備粘結層，等離子噴涂工藝參數為：電流為570～630A，電壓為65～75V，噴涂距離為130～150mm，噴涂角度為90°。

所述步驟5)中，等離子噴涂制備陶瓷工作層，等離子噴涂工藝參數為：電流為590～640A，電壓為70～78V，噴涂距離為100～120mm，噴涂角度為90°。

所述耐磨陶瓷涂層體系中，耐磨陶瓷涂層總厚度為230μm～380μm，其中粘結層厚度為30μm～80μm，陶瓷工作層的厚度為200μm～300μm。

為了證明本發明的效果，下面舉例對本發明做更詳細的描述。

實施例1

步驟一：使用砂紙將1Cr18Ni9Ti基體的表面打磨光滑，然后使用無水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基體；等離子噴涂前，進行噴砂處理；

步驟二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末和莫來石纖維，使用球磨機按質量分數比例(0.20:0.76:0.04)混合，制備復合粉末。莫來石纖維球磨條件為：球料比為2：1，球磨速度為350r/min，球磨時間為10min。超聲分散1h，干燥處理。制備摻雜質量分數4％莫來石纖維的YSZ/Al₂O₃復合粉末，球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時間為2h；

步驟三：將粘結層NiCrAlY粉末及步驟二制備復合粉末分別放入干燥箱進行干燥，干燥溫度為200℃，干燥時間為2h；

步驟四：將步驟三干燥后的粘結層NiCrAlY粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進行等離子噴涂制備粘結層，等離子噴涂條件為：電流為590～610A，電壓為65～75V，噴涂距離為130～150mm，噴涂角度為90°；

步驟五：將步驟三干燥后的復合粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進行等離子噴涂制備陶瓷工作層，等離子噴涂條件為：電流為620～640A，電壓為75～78V，噴涂距離為100～120mm，噴涂角度為90°。

圖1為摻雜陶瓷纖維的復合涂層的截面形貌，陶瓷復合涂層體系由基體、粘結層、工作層組成。如圖2所示，得到摻雜了莫來石纖維之后的陶瓷層耐磨性能優異，未出現大面積層狀剝落，僅表面出現少量剝落坑，存在輕微的磨粒磨損。

對比例

在1Cr18Ni9Ti基體上采用與實施例1同樣的等離子噴涂工藝制備未摻雜莫來石纖維的YSZ/Al₂O₃復合涂層。包括以下步驟：

步驟一：使用砂紙將1Cr18Ni9Ti基體的表面打磨光滑，然后使用無水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基體；等離子噴涂前，進行噴砂處理；

步驟二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末，使用球磨機按質量分數比例(0.20:0.80)混合，制備未摻雜莫來石纖維的YSZ/Al₂O₃復合粉末末。球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時間為2h；

步驟三：將粘結層NiCrAlY粉末及步驟二制備復合粉末分別放入干燥箱進行干燥，干燥溫度為200℃，干燥時間為2h；

步驟四：將步驟三干燥后的粘結層NiCrAlY粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進行等離子噴涂制備粘結層，等離子噴涂條件為：電流為570～630A，電壓為65～75V，噴涂距離為130～150mm，噴涂角度為90°；

步驟五：將步驟三干燥后的復合粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進行等離子噴涂制備陶瓷工作層，等離子噴涂條件為：電流為620～640A，電壓為75～78V，噴涂距離為100～120mm，噴涂角度為90°。

得到耐磨涂層體系性能一般，由于陶瓷工作層沒有摻雜莫來石纖維，如圖3所示，使得涂層在進行同樣摩擦磨損試驗之后，發生了大面積脆性層狀剝落。圖4為摻雜質量分數4％陶瓷纖維復合涂層和未摻雜陶瓷纖維復合涂層的摩擦失重對比圖，由圖中可知摩擦失重由未摻雜纖維復合涂層的72.5mg降為摻雜纖維復合涂層的52mg，磨損失重明顯降低。因此，可見在陶瓷工作層YSZ/Al₂O₃加入陶瓷纖維能夠提升其耐磨性能。

實施例2

步驟一：使用砂紙將1Cr18Ni9Ti基體的表面打磨光滑，然后使用無水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基體；等離子噴涂前，進行噴砂處理；

步驟二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末和SiC纖維，使用球磨機按質量分數比例(0.30:0.66:0.04)混合，制備復合粉末。SiC纖維球磨條件為：球料比為2：1，球磨速度為350r/min，球磨時間為10min。超聲分散1h，干燥處理。制備摻雜質量分數4％的SiC纖維的YSZ/Al₂O₃復合粉末，球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時間為2h；

步驟三：將粘結層NiCrAlY粉末及步驟二制備復合粉末分別放入干燥箱進行干燥，干燥溫度為200℃，干燥時間為2h；

步驟四：將步驟三干燥后的粘結層NiCrAlY粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進行等離子噴涂制備粘結層，等離子噴涂條件為：電流為570～630A，電壓為65～75V，噴涂距離為130～150mm，噴涂角度為90°；

步驟五：將步驟三干燥后的復合粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進行等離子噴涂制備陶瓷工作層，等離子噴涂條件為：電流為590～610A，電壓為70～74V，噴涂距離為100～120mm，噴涂角度為90°。

實施例3

在1Cr18Ni9Ti基體上采用與實施例2同樣的等離子噴涂工藝制備摻雜質量分數8％的SiC纖維的YSZ/Al₂O₃復合涂層。其步驟為：

步驟一：使用砂紙將1Cr18Ni9Ti基體的表面打磨光滑，然后使用無水乙醇和丙酮依次清洗打磨后的基體；等離子噴涂前，進行噴砂處理；

步驟二：量取YSZ粉末、Al₂O₃粉末和SiC纖維，使用球磨機按質量分數比例(0.28:0.64:0.08)混合，制備復合粉末。SiC纖維球磨條件為：球料比為2：1，球磨速度為350r/min，球磨時間為10min。超聲分散1h，干燥處理。制備摻雜質量分數8％的SiC纖維的YSZ/Al₂O₃復合粉末，球料比為1：1，球磨速度為200r/min，球磨時間為2h；

步驟三：將粘結層NiCrAlY粉末及步驟二制備復合粉末分別放入干燥箱進行干燥，干燥溫度為200℃，干燥時間為2h；

步驟四：將步驟三干燥后的粘結層NiCrAlY粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進行等離子噴涂制備粘結層，等離子噴涂條件為：電流為570～630A，電壓為65～75V，噴涂距離為130～150mm，噴涂角度為90°；

步驟五：將步驟三干燥后的復合粉末放入等離子噴涂送粉裝置，進行等離子噴涂制備陶瓷工作層，等離子噴涂條件為：電流為590～610A，電壓為70～74V，噴涂距離為100～120mm，噴涂角度為90°。