陶瓷基复合材料火焰筒及其内壁环境屏障涂层制备工艺及工装的制作方法

1.本发明涉及陶瓷基复合材料火焰筒的防护涂层，具体涉及一种陶瓷基复合材料火焰筒及其内壁环境屏障涂层制备工艺及工装。


背景技术：

2.航空发动机燃烧室由进气装置、壳体、火焰筒、喷嘴和点火器等装置组成，其中，火焰筒是包容主燃气流的核心部件，受高热环境和气流作用侵蚀最为严重。目前，常用的高温合金材料火焰筒通常存在耐热温度不高于1100℃，自身重量大等问题。而陶瓷基复合材料具有密度低(2.2～3.0g/cm3)、耐腐蚀、强韧性高、耐热温度高(1150～1350℃)等优势，采用陶瓷基复合材料制备新一代航空发动机火焰筒已成为必然趋势。
3.在高温环境中，由陶瓷基复合材料自身氧化所生成的氧化物保护膜能够阻止外界氧气向材料内部扩散，在一定程度上可保证陶瓷基复合材料火焰筒的高温稳定性。为进一步提高陶瓷基复合材料火焰筒的隔热能力和抵御高温水蒸气的能力，亟待在薄壁回转体结构火焰筒的内壁制备工艺推广性好、厚度均匀、结合力强、制备流程简单的环境屏障涂层。
4.公开号为cn106498335a的中国发明中公开了一种金属材质火焰筒用高温涂层的制备工艺，该方法利用等离子喷涂在火焰筒表面制备镍钴铬铝钇为底层，20％氧化钇稳定氧化锆为面层的高温涂层。但该发明所述涂层仅适合金属材质的火焰筒，此外，该工艺采用60～80
°
喷涂角度制备涂层，未从实际生产制造方面解决非90
°
垂直喷涂造成涂层沉积率低的问题，也未解决喷涂气体在回转体火焰筒内部产生气体扰流而引发的涂层组织疏松问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有火焰筒高温涂层的制备工艺存在所用涂层仅适合金属材质的火焰筒，且未从实际生产制造方面解决非90
°
垂直喷涂导致的涂层沉积率低，也未解决喷涂气体在回转体火焰筒内部产生气体扰流而引发的涂层组织疏松的技术问题，提供一种陶瓷基复合材料火焰筒及其内壁环境屏障涂层制备工艺及工装。
6.为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
7.一种陶瓷基复合材料火焰筒，包括筒体本体，其特殊之处在于：
8.所述筒体本体为一体式回转体，由内至外包括三层，分别为内部纤维层、氮化硼界面层和外部碳化硅沉积层；
9.筒体本体的内壁上设有环境屏障涂层；
10.筒体本体的筒壁上设有呈阵列排布的气膜孔b，且一端筒壁上设有多个用于与发动机相应零件连接的装配孔a。
11.进一步地，所述筒体本体包括大端和小端，以及固连于二者之间的过渡段；
12.过渡段两端的直径分别等于大端直径和小端直径。
13.进一步地，所述筒体本体的壁厚为0.8～3.5mm；
14.所述环境屏障涂层的厚度为0.2～0.8mm；
15.所述气膜孔b的直径为0.5～1.2mm；
16.所述装配孔a的直径为5～20mm。
17.同时，本发明还提供一种陶瓷基复合材料火焰筒内壁环境屏障涂层制备工艺，其特殊之处在于，包括以下步骤：
18.1)利用有机溶剂清洁火焰筒的筒体本体表面；
19.2)采用粗糙处理工艺对筒体本体内壁进行粗糙处理；
20.3)采用封堵物将筒体本体的装配孔a和气膜孔b全部封堵；
21.4)利用喷枪，以90
°
的喷涂角度，通过检测工装组件获取喷涂内壁环境屏障材料至预定厚度所需的时间并记录，利用夹具组件固定筒体本体，将筒体本体内部空气引流成沿径向的气流或者径向加轴向的气流，利用喷枪，以90
°
的喷涂角度，在已记录的时间内，完成筒体本体环境屏障涂层喷涂。
22.进一步地，步骤1)中，所述有机溶剂为丙酮或汽油；
23.步骤2)中，所述粗糙处理为沙砾喷砂、砂纸打磨或机械加工，粗糙度控制在ra4～8μm范围内；
24.步骤3)中，所述封堵物为封堵胶泥或直径小于装配孔a和气膜孔b孔径的封堵针；
25.步骤4)中，所述环境屏障涂层包括底层、中间层和面层；
26.底层成分为硅或硅与氧化物的混合物；
27.中间层成分为氧化钡、氧化铝、氧化锶和二氧化硅的混合物；
28.面层成分为稀土硅酸盐。
29.进一步地，步骤4)中，所述底层、中间层和面层的厚度分别为0.05～0.15mm、0.05～0.25mm、0.1～0.4mm。
30.进一步地，步骤4)中，所述硅与氧化物的混合质量比为3:1；
31.所述氧化钡、氧化铝、氧化锶和二氧化硅的混合质量比为4:2:1:3。
32.进一步地，步骤4)中，所述底层、中间层、面层的喷涂均为：
33.总气150l/min～230l/min，氩气120～150l/min，氮气20～50l/min，氢气10～30l/min，送粉速率20～30g/min，喷涂距离100～200mm，转盘转速40～80转/分钟。
34.同时，本发明还提供一种陶瓷基复合材料火焰筒内壁环境屏障涂层制备工装，其特殊之处在于：
35.包括石墨圆盘、石墨检测工装、导气组件、三个石墨爪和多个试样检测圆片；
36.所述石墨圆盘设有中央通孔，从中央通孔出发沿径向向边缘设有三条矩形槽，相邻矩形槽的夹角为120
°
，在石墨圆盘表面分出三个扇形区域，每个扇形区域上设有沉头孔和设置于石墨圆盘边缘的u形孔，每个矩形槽的两侧各设有一个平行于矩形槽的条形通槽；所述中央通孔用于外部转台转轴的安装，所述沉头孔和u形孔用于石墨圆盘与转台转盘的定位和固定；
37.所述石墨圆盘、石墨检测工装和多个试样检测圆片构成检测工装组件；所述石墨检测工装的一个侧壁上沿上下方向设有多个用于安装试样检测圆片的凹槽，石墨检测工装可通过螺栓螺母固定于石墨圆盘的条形通槽处；所述试样检测圆片用于在喷涂火焰筒的筒
体本体前，获取将内壁环境屏障材料喷涂至预定厚度所需的时间；
38.所述石墨爪和石墨圆盘构成夹具组件；
39.所述石墨爪的一个侧壁面形状与火焰筒外壁形状相匹配，石墨爪可通过螺栓螺母固定于石墨圆盘的条形通槽处；
40.所述导气组件包括n根导气管，以及用于固定导气管的第一固定件和第二固定件；所述n≥2；
41.所述第一固定件用于套设在喷枪枪身中段，第一固定件上沿喷枪轴向设有n个第一过孔；
42.所述第二固定件用于设置于喷枪枪头，第二固定件上沿垂直于喷枪轴向设有多个第二过孔。
43.进一步地，所述第一过孔由第一固定半环和第二固定半环组合形成，第一固定半环和第二固定半环通过螺栓连接，n个第一固定半环固连在一起；
44.所述第二过孔由第三固定半环和第四固定半环组合形成，第三固定半环和第四固定半环通过螺栓连接；
45.还包括n个弧面簧片，每个弧面簧片的一端与一个第一固定件固连，另一端抵住喷枪枪身。
46.本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
47.1、本发明提供的陶瓷基复合材料火焰筒及其内壁环境屏障涂层制备工装及方法，为获得具备回转体形状、尺寸精密、性能优异的陶瓷基复合材料火焰筒用环境屏障涂层，采用夹具组件固定在陶瓷基复合材料火焰筒的筒体本体，并利用等离子喷涂工艺结合2～4组导气管引流火焰筒内部气流，以90
°
喷涂角度完成陶瓷基复合材料火焰筒内壁致密的环境屏障涂层的制备，生产流程简单，该涂层的组分具备优异的抗水氧腐蚀性能和隔热性能，可提高火焰筒耐热温度和抵御高温水蒸气的能力，将这种火焰筒应用到航空发动机工况环境时，该涂层可抵御高温水蒸气对陶瓷基复合材料火焰筒的侵蚀，提高航空发动机用陶瓷基复合材料火焰筒的服役寿命，应用前景广阔。
48.2、本发明提供的陶瓷基复合材料火焰筒及其内壁环境屏障涂层制备工装及方法，涂层孔隙率低、沉积率高，通过使用导气组件，抑制喷涂气体在回转体内部产生扰流，该涂层组织均匀致密，结合力好。
附图说明
49.图1为本发明陶瓷基复合材料火焰筒的结构示意图；
50.图2为本发明实施例中石墨圆盘的结构示意图；
51.图3为本发明实施例中石墨检测工装的结构示意图；
52.图4为本发明实施例中石墨爪的结构示意图；
53.图5为本发明实施例中喷枪枪头和导气管径向夹持时的示意图；
54.图6为本发明实施例中第一固定件的结构示意图；
55.图7为本发明实施例中侧固定片(第二固定半环)的结构示意图；
56.图8为本发明实施例中弧面簧片的结构示意图；
57.图9为本发明实施例中喷枪中段导气管轴向夹持的示意图；
58.图10为本发明实施例中石墨检测工装使用时的示意图，图中还示出了喷枪；
59.图11为本发明实施例中夹具组件使用时的示意图，图中还示出了喷枪；
60.图12为本发明实施例中夹具组件使用时另一视角下的示意图；
61.附图标记说明：
62.1-大端、2-小端、3-矩形槽、4-第一条形通槽、5-第二条形通槽、6-u形孔、7-沉头孔、8-第一凸起、9-第一通孔、10-第二通孔、11-凹槽、12-第三通孔、13-第四通孔、14-第一卡槽、15-第二卡槽、16-第二凸起、17-后固定片、18-前固定片、19-喷枪枪头、20-上固定片、21-下固定片、22-上端半圆槽、23-下端半圆槽、24-固定环、25-固定环内圈、26-第五固定环销钉孔、27-固定环圆弧处、28-第一固定环销钉孔、29-第二固定环销钉孔、31-销钉孔、32-弧面簧片、33-侧固定片、34-侧固定片圆弧、35-第一侧固定片销钉孔、36-第二侧固定片销钉孔；
63.41-石墨圆盘、42-石墨检测工装、43-导气组件、44-石墨爪、45-火焰筒、46-喷枪、47-导气管。
具体实施方式
64.下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
65.一种陶瓷基复合材料火焰筒，如图1所示，包括筒体本体，所述筒体本体(碳化硅纤维增强的碳化硅陶瓷基体复合材料)为一体式回转体，由内至外包括三层，分别为内部纤维层、氮化硼界面层和外部碳化硅沉积层；筒体本体的内壁上设有环境屏障涂层；筒体本体的筒壁上设有呈阵列排布的气膜孔b，且一端筒壁上设有多个用于与发动机相应零件连接的装配孔a。所述筒体本体包括大端1和小端2，以及固连于二者之间的过渡段；过渡段两端的直径分别等于大端1直径和小端2直径。所述筒体本体的壁厚为0.8～3.5mm；所述环境屏障涂层的厚度为0.2～0.8mm；所述气膜孔b的直径为0.5～1.2mm；所述装配孔a的直径为5～20mm。
66.本发明的陶瓷基复合材料火焰筒内壁环境屏障涂层制备工艺，包括以下步骤：
67.1)利用有机溶剂(丙酮或汽油)清洁火焰筒45的筒体本体表面；
68.2)采用粗糙处理工艺对筒体本体内壁进行粗糙处理；所述粗糙处理为沙砾喷砂、砂纸打磨或机械加工，粗糙度控制在ra4～8μm范围内；
69.3)采用封堵物将筒体本体的装配孔a和气膜孔b全部封堵；所述封堵物为封堵胶泥或直径小于装配孔a和气膜孔b孔径的封堵针；
70.4)采用axialⅲ等离子喷涂系统，利用喷枪46，以90
°
的喷涂角度，通过检测工装组件获取喷涂内壁环境屏障材料至预定厚度所需的时间并记录，利用夹具组件固定筒体本体，将筒体本体内部空气引流成沿径向的气流或者径向加轴向的气流(利用导气管47)，利用喷枪46，以90
°
的喷涂角度，在已记录的时间内，完成筒体本体环境屏障涂层喷涂；所述环境屏障涂层包括底层、中间层和面层；底层成分为硅或硅与氧化物的混合物(硅与氧化物的混合质量比为3:1)；中间层成分为氧化钡、氧化铝、氧化锶和二氧化硅的混合物(氧化钡、氧化铝、氧化锶和二氧化硅的混合质量比为4:2:1:3)；面层成分为稀土硅酸盐；所述底层、中间层和面层的厚度分别为0.05～0.15mm、0.05～0.25mm、0.1～0.4mm。
71.所述底层、中间层、面层的喷涂均为：总气150l/min～230l/min，氩气120～150l/
min，氮气20～50l/min，氢气10～30l/min，送粉速率20～30g/min，喷涂距离100～200mm，转盘转速40～80转/分钟。
72.本发明的陶瓷基复合材料火焰筒内壁环境屏障涂层制备工装，如图2至图12所示，包括石墨圆盘41、石墨检测工装42、导气组件43、三个石墨爪44和多个试样检测圆片；所述石墨圆盘41设有中央通孔，从中央通孔出发沿径向向边缘设有三条矩形槽3，相邻矩形槽3的夹角为120
°
，在石墨圆盘41表面分出三个扇形区域，每个扇形区域上设有沉头孔7和设置于石墨圆盘41边缘的u形孔6，每个矩形槽3的两侧各设有一个平行于矩形槽3的条形通槽；所述中央通孔用于外部转台转轴的安装，所述沉头孔7和u形孔6用于石墨圆盘41与转台转盘的定位和固定；所述石墨圆盘41、石墨检测工装42和多个试样检测圆片构成检测工装组件；所述石墨检测工装42的一个侧壁上沿上下方向设有多个用于安装试样检测圆片的凹槽11，石墨检测工装42可通过螺栓螺母固定于石墨圆盘41的条形通槽处；所述试样检测圆片用于在喷涂火焰筒45的筒体本体前，获取将内壁环境屏障材料喷涂至预定厚度所需的时间；所述石墨爪44和石墨圆盘41构成夹具组件；所述石墨爪44的一个侧壁面形状与火焰筒45外壁形状相匹配，石墨爪44可通过螺栓螺母固定于石墨圆盘41的条形通槽处；所述导气组件43包括4根导气管47，以及用于固定导气管47的第一固定件和第二固定件；所述第一固定件用于套设在喷枪46枪身中段，第一固定件上沿喷枪46轴向设有4个第一过孔，分别对应4根导气管47；所述第二固定件用于设置于喷枪枪头19，第二固定件上沿垂直于喷枪46轴向设有多个第二过孔，每个第二过孔对应2根导气管47；所述第一过孔由第一固定半环和第二固定半环组合形成，第一固定半环和第二固定半环通过螺栓连接，n个第一固定半环固连在一起；所述第二过孔由第三固定半环和第四固定半环组合形成，第三固定半环和第四固定半环通过螺栓连接；还包括4个弧面簧片32，每个弧面簧片32的一端与一个第一固定件固连，另一端抵住喷枪46枪身。
73.具体而言：
74.火焰筒45的筒体本体壁厚为2.8mm；火焰筒45内壁表面制备与核心燃气流的接触面有厚度为0.3mm的环境屏障涂层；火焰筒45沿发动机轴向具有回转体特征，沿回转轴径向方向的截面具有一段逐渐收口的特征；此外，火焰筒45筒体本体含有144个呈阵列排布，直径为0.7mm的气膜孔b；筒体本体一端包括8个直径为6mm的装配孔a，以实现火焰筒45与发动机其它零件的连接。
75.实施陶瓷基复合材料火焰筒内壁环境屏障涂层的制备还需要用到转台、等离子喷涂系统(带有喷枪46)、机械手。
76.本发明陶瓷基复合材料火焰筒内壁环境屏障涂层制备工艺，包括以下步骤：
77.1)清洁
78.利用有机溶剂对火焰筒45的筒体本体进行洁净处理；
79.具体为：利用丙酮清洁火焰筒45的筒体本体整体，确保筒体本体表面干燥、洁净，无其它污染物；
80.2)粗糙处理
81.采用粗糙处理工艺对筒体本体待喷涂区域(内壁)进行粗糙度控制；
82.具体为：采用机械加工将筒体本体待喷涂区域表面制备粗糙度，将粗糙度控制为ra6.4μm；
83.3)封堵处理
84.采用封堵物对火焰筒45筒体本体表面的装配孔a和气膜孔b进行封堵；
85.具体为：采用封堵胶泥对图1中陶瓷基复合材料火焰筒45的筒体本体表面的装配孔a和气膜孔b进行封堵，避免制备涂层时各类孔被涂层材料填充；
86.4)喷涂
87.采用检测工装组件记录环境屏障涂层材料喷涂至预定厚度所需时间，再利用夹具组件固定火焰筒45的筒体本体，并将筒体本体内部空气引流，以记录的时间喷涂完成筒体本体的环境屏障涂层制备。
88.利用检测工装组件记录时间的步骤为：
89.通过六角螺钉将图2中的石墨圆盘41固定在转台上，u形槽6(相同的四个)与沉头孔7(相同的三个)分别作为石墨圆盘41与转台转盘的固定点和定位点；将试样检测圆片放置于图3中石墨检测试样工装的圆槽(凹槽11)处，石墨检测工装42的第一凸起8、第一通孔9和第二通孔10分别对应图2石墨圆盘41中的方形槽3、第一条形通槽4和第二条形通槽5，调整好喷涂距离后，采用螺钉和螺母分别将第一通孔9连接第一条形通槽4，第二通孔10连接第二条形通槽5，组装为图10所示的检测工装组件；在试样检测圆片表面以喷涂角度90
°
进行检测试样喷涂，记录喷涂底层厚度至0.1mm，中间层厚度至0.15mm，面层厚度至0.15mm分别需要的时间；喷涂底层成分为硅 氧化铪的混合物，混合质量比为3:1；中间层成分为氧化钡、氧化铝、氧化锶、二氧化硅的混合物，混合质量比为4:2:1:3；面层成分为镥系稀土硅酸盐。
90.喷涂底层的工艺为：总气160l/min，氩气130l/min，氮气25/min，氢气5l/min，送粉速率28g/min，喷涂距离160mm，转盘转速65转/分钟；
91.喷涂中间层的工艺为：总气180l/min，氩气120l/min，氮气35l/min，氢气25l/min，送粉速率22g/min，喷涂距离180mm，转盘转速55转/分钟；
92.喷涂面层的工艺为：总气205l/min，氩气140l/min，氮气45l/min，氢气20l/min，送粉速率20g/min，喷涂距离120mm，转盘转速45转/分钟。
93.所述火焰筒45内部空气引流具体方式为：
94.1)径向导气
95.将图5中前固定片18挂入喷枪枪头19处，通过四个销钉和销钉孔连接前固定片18和后固定片17，导气管47分别放置于前固定片18的上端半圆槽22和下端半圆槽23处，再结合销钉、上固定片20、下固定片21将导气管47固定，通过导气管47引入压缩空气，使火焰筒45的筒体本体内部形成沿径向旋转的气流；
96.2)轴向导气
97.将图6中固定环24穿过喷枪46枪身，将固定环内圈25贴合喷枪46中段，选取弧面簧片32，通过销钉将弧面簧片32、销钉孔31和第五固定环销钉孔26连接，使弧面簧片32贴合喷枪46固定，将导气管47分别放置于固定环24的固定环圆弧处27和侧固定片33的侧固定片圆弧34处，结合销钉将固定环24的第一固定环销钉孔28、第二固定环销钉孔29和第一侧固定片销钉孔35和第二侧固定片销钉孔36连接进而固定导气管47，形成图9所示的轴向导气管47夹持并在导气管47中引入压缩空气。
98.上述导气组件43使火焰筒45的筒体本体产生沿径向流动的气流，确保制备火焰筒
45筒体本体内壁涂层时，抑制喷涂气体在回转体内部形成扰流。
99.当然，也可以只采用两根导气管47，或者如图11和12所示，还可以取四根导气管47中的两根利用第二过孔形成沿径向流动的气流，其余两根不穿过第二过孔，仍沿轴向。
100.所述环境屏障涂层制备步骤为：
101.选取图4中的石墨爪44，将石墨爪44的第二凸起16、第三通孔12和第四通孔13分别与图2石墨圆盘41中的方形槽3、第一条形通槽4和第二条形通槽5对应并采用螺钉和螺母连接，再选取两个石墨爪44采用此类连接方式连接石墨圆盘41形成三爪结构(彼此形成120
°
夹角)；将图1陶瓷基复合材料火焰筒45上边缘(大端1)和下边缘(小端2)与三个石墨爪44的第一卡槽14和第二卡槽15贴合，完成火焰筒45筒体本体的固定；
102.如图11为最终装夹喷涂示意图，按照利用检测工装组件记录的喷涂时间和与检测喷涂相同的工艺参数，相同的材料成分分别喷涂火焰筒45的筒体本体内壁，喷涂上述材料时喷枪46做上下运动，并根据陶瓷基复合材料火焰筒45竖直-倾斜-竖直的内壁型面，机械臂夹持喷枪46在上下运动过程中作竖直-倾斜-竖直的协同变化，使喷枪46与火焰筒45内壁始终以90
°
喷涂角度喷涂，完成陶瓷基复合材料火焰筒45内壁环境屏障涂层的制备。
103.本实施例所制得的陶瓷基复合材料火焰筒内壁环境屏障涂层可将火焰筒45隔热温度提高至1400℃，同时具备抵御高温水蒸气的能力。
104.本发明描述的仅仅是本发明的基本原理，并非用以限定本发明的保护范围。对于不同形状的陶瓷基复合材料火焰筒45，只需改变石墨爪44的局部形状、导气组件43夹持方式、导气管47数量及空间布局，即可制备不同截面形状的回转体陶瓷基复合材料。与本发明相关的各种非创造性的变化与改进，均属于本发明的保护范围。