專利名稱：一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫表面防護(hù)技術(shù)，具體涉及一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著航空工業(yè)的日益發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提出了越來越高的要求。減小壓氣機(jī)，渦輪機(jī)葉尖與機(jī)匣之間間隙的氣路封嚴(yán)技術(shù)就成為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和功率輸出的關(guān)鍵技術(shù)之一。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前國內(nèi)外已經(jīng)形成了較完備的封嚴(yán)涂層材料體系，在350 650°C的低溫可磨耗封嚴(yán)涂層材料以AISi-聚苯脂、AISi-石墨、Ni-石墨為代表；在650 900°C的中溫可磨耗封嚴(yán)涂層材料以NiCrAH-BN/聚酯、NiCr-硅藻土、Ni-硅藻土為代表；在1000°C以上的高溫可磨耗封嚴(yán)涂層材料較少，目前以YSZ-hBN-PE、HfO2-(Y, Nb, Yb)203-hBN-PE等為代表。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度的提高，具有更高使用溫度的高·溫可磨耗封嚴(yán)涂層體系成為研究的熱點(diǎn)。目前，國外已經(jīng)公開了多種高溫可磨耗涂層材料，有些如SM2395、SM2460、Durabrade 2192等已實(shí)現(xiàn)商品化?？赡ズ耐繉拥膲勖涂赡ズ男允强赡ズ耐繉芋w系的關(guān)鍵，粘結(jié)層的氧化與組分熱物性能的差異是造成可磨耗層壽命降低的關(guān)鍵，而涂層與基體的結(jié)合力、面層材料的高溫穩(wěn)定性及可磨耗面的層孔隙率是影響涂層可磨耗性的關(guān)鍵。目前使用的可磨耗封嚴(yán)涂層體系一般由粘結(jié)底層和可磨耗面層組成。長(zhǎng)期高溫服役過程中，由于粘結(jié)層金屬氧化及涂層性能的不連續(xù)變化引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致涂層沿著熱生長(zhǎng)氧化物層(TGO)層內(nèi)部或TGO與粘結(jié)層或可磨耗層的界面斷裂而失效。另外使用過程中，涂層表面易于發(fā)生被動(dòng)刮削，這就要求涂層與基體有較高的結(jié)合強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種能夠降低粘結(jié)層的氧化速率、緩和各組分的性能差異、具有較高結(jié)合強(qiáng)度的高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，高溫可磨耗封嚴(yán)涂層包含粘結(jié)底層、阻氧層、隔熱層及可磨耗面層，可磨耗面層由ZrO2、聚酯、hBN組成，其中重量百分比為Zr02 80% 95%，聚酯5% 15%，hBNO. 5% 5%，采用高能球磨法制備噴涂粉末待用；在對(duì)零件表面噴涂前，對(duì)工件表面進(jìn)行吹砂預(yù)處理，然后，采用熱噴涂工藝分別制備各涂層，(I)制備粘結(jié)底層，采用MCrAlY粉末或NiAl粉末，粉末粒徑為15 μ m 89 μ m，(2)制備阻氧層，采用氧化鋁粉末，粒徑為10 μ m 89 μ m，噴涂厚度為5 50 μ m, (3)制備隔熱層，采用空心球形YSZ粉末，粒徑為10 μ m 89 μ m，(4)制備可磨耗面層，可磨耗面層的粉末的粒徑為5μπι 74 μ m，噴涂厚度為200 3000 μ m，孔隙率不低于30%。所述的粘結(jié)底層和阻氧層采用爆炸噴涂制備，其中粘結(jié)底層MCrAH粉末或NiAl粉末，粒徑為15μπι 89μπι，燃料充槍量為10% 40%，氧燃比為I. O I. 60 ;阻氧層采用氧化鋁粉末，粒徑為10 μ m 89 μ m，燃料充槍量為50% 76%，氧燃比為I. 60 2. 50。所述的粘結(jié)底層和阻氧層利用爆炸噴涂技術(shù)制備，采用雙路送粉系統(tǒng)、其中第一路送粉系統(tǒng)預(yù)裝粘結(jié)底層MCrAH粉末或NiAl粉末，粒徑為15 μ m 89 μ m，燃料充槍量為燃料充槍量為10% 40%，氧燃比為I. O I. 60 ;第二路送粉系統(tǒng)預(yù)裝阻氧層采用氧化鋁粉末，粒徑為10 μ m 89 μ m，燃料充槍量為50% 76%，氧燃比為I. 20 2. 50，調(diào)整第一路送粉系統(tǒng)與第二路送粉系統(tǒng)的噴槍點(diǎn)數(shù)的比例，第一路送粉系統(tǒng)與第二路送粉系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)
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行噴涂，其中第一路送粉系統(tǒng)的噴槍點(diǎn)數(shù)為第二路送粉系統(tǒng)的噴槍點(diǎn)數(shù)為
式中N為總噴涂層數(shù)，η為當(dāng)前噴涂層數(shù)，P為單層噴槍點(diǎn)數(shù)，斑點(diǎn)搭接率不低于30%，噴槍速度4 10次/秒。

所述的隔熱層及可磨耗面層采用等離子噴涂，工藝參數(shù)為電流500Α 800Α，電壓60V 80V，送粉速度30g/min 60g/min，其中可磨耗面層的孔隙率不低于30%。所述MCrAH粉末和NiAl粉末中添加Pt或稀土元素。所述可磨耗面層中的Zr02中添加稀土氧化物，Zr02的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不低于50%。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，該涂層具有粘結(jié)層/阻氧層/隔熱層/可磨耗層的結(jié)構(gòu)，采用熱噴涂技術(shù)制備該涂層，涂層沉積效率高、成本低。同時(shí)涂層具有較高的隔熱性能、抗氧化性能及可磨耗性能，涂層1150°C熱循環(huán)壽命達(dá)到150次以上，1150°C熱沖擊壽命達(dá)到1000次以上，可被未經(jīng)特殊處理的葉片磨出間隙，該結(jié)構(gòu)可磨耗封嚴(yán)涂層的使用溫度可達(dá)1200°C。采用爆炸噴涂制備粘結(jié)底層和阻氧層，獲得的梯度組織致密、均勻，各組分成梯度分布，緩解了各組分的熱應(yīng)力，涂層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到40MPa以上；爆炸噴涂阻氧層獲得氧化鋁涂層結(jié)構(gòu)致密，有效降低了金屬粘結(jié)層的氧化速率，顯著提高了涂層結(jié)合強(qiáng)度和熱沖擊壽命O本發(fā)明提供了一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層面層材料的制備方法，該材料由ZrO2或稀土氧化物摻雜ZrO2、聚酯、hBN組成。采用高能球磨法制備該噴涂粉末，易于實(shí)現(xiàn)涂層成分和孔隙率控制，降低涂層制備成本。
具體實(shí)施例方式以下敘述并不限制本發(fā)明。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，高溫可磨耗封嚴(yán)涂層包含粘結(jié)底層2、阻氧層3、隔熱層4及可磨耗面層5，采用爆炸噴涂制備粘結(jié)底層2、阻氧層3的具體步驟為在對(duì)基體I表面噴涂前，對(duì)工件表面進(jìn)行吹砂預(yù)處理采用40目 100目的石英砂或剛玉砂，在
O.4MPa O. 6MPa的壓力下進(jìn)行吹砂，再用丙酮清洗或壓縮氣體將工件表面殘余砂粒清除后，進(jìn)行熱噴涂制備涂層。采用爆炸噴涂制備粘結(jié)底層和阻氧層，其中粘結(jié)底層M (MNi,Co或Ni+Co)CrAH粉末或Ni (Pt，稀土元素)Al粉末，粒徑為15 μ m 89 μ m，燃料充槍量為10% 40%，氧燃比為I. O I. 60，其中燃料充槍量是指氧氣和燃?xì)膺M(jìn)氣量與槍膛的體積百分比，當(dāng)然也可采用氧氣和燃?xì)獾倪M(jìn)氣時(shí)間或進(jìn)氣量來表示；阻氧層采用氧化鋁粉末，粒徑為10 μ m 89 μ m，燃料充槍量為50% 76%，氧燃比為I. 20 2. 50，噴涂厚度為5 50 μ m ；
所述的粘結(jié)底層和阻氧層利用爆炸噴涂技術(shù)制備，采用雙路送粉系統(tǒng)、其中第一路送粉系統(tǒng)預(yù)裝粘結(jié)底層MCrAH粉末或NiAl粉末，粒徑為15 μ m 89 μ m，燃料充槍量為10% 40% ;第二路送粉系統(tǒng)預(yù)裝阻氧層采用氧化鋁粉末，粒徑為10 μ m 89 μ m，燃料充槍量為50% 76%，調(diào)整第一路送粉系統(tǒng)與第二路送粉系統(tǒng)的噴槍點(diǎn)數(shù)的比例，第一路送粉系統(tǒng)與第二路送粉系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行噴涂，其中第一路送粉系統(tǒng)的噴槍點(diǎn)數(shù)為z (1 — ’第
二路送粉系統(tǒng)的噴槍點(diǎn)數(shù)為式中N為總噴涂層數(shù)，η為當(dāng)前噴涂層數(shù),P為單層噴槍點(diǎn)數(shù)，斑點(diǎn)搭接率不低于30%，噴槍速度4 10次/秒。采用等離子噴涂工藝制備隔熱層和可磨耗面層，其中隔熱層采用空心球形YSZ粉末，粒徑為10 μ m 89 μ m ;可磨耗面層材料由ZrO2、聚酯、hBN組成，其中重量百分比為ZrO2 80% 95%，聚酯5% 15%，hBN O. 5% 5%，采用高能球磨法制備噴涂粉末，球磨參數(shù)為球磨時(shí)間ia 24h,研磨介質(zhì)為Φ8陶瓷球,磨耗面層的粉末的粒徑為5μηι 74μηι ;采用等離子噴涂工藝制備可磨耗面層，噴涂工藝參數(shù)為電流500Α 800Α，電壓60V 80V，送粉速度30g/min 60g/min，噴涂厚度為200 3000 μ m,孔隙率不低于30%?！け景l(fā)明一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的結(jié)構(gòu)和制備方法中，噴涂前需對(duì)工件表面進(jìn)行吹砂預(yù)處理；采用市售M (M :Ni，Co或Ni+Co) CrAlY粉末或β -Ni (Pt，稀土元素)Al粉末作為粘結(jié)層材料，市售氧化鋁粉末作為阻氧層材料，采用空心球形YSZ粉末作為隔熱層材料，市售或自制可磨耗噴涂粉末作為可磨耗面層材料。采用OB爆炸噴涂設(shè)備(俄羅斯)噴涂梯度結(jié)構(gòu)粘結(jié)層和阻氧層，采用Sulzer Metco 9Μ等離子噴涂設(shè)備(美國)制備隔熱層和可磨耗面層。實(shí)施例I基體采用Ni基單晶高溫合金，噴涂前對(duì)基體表面進(jìn)行吹砂預(yù)處理采用60目的剛玉砂，在O. 4MPa的壓力下進(jìn)行吹砂，再用丙酮清洗或壓縮氣體將工件表面殘余砂粒清除后，再進(jìn)行表面涂層制備。采用市售的球形NiCoCrAHTa粉末(A組分)和氧化鋁粉末(B組分)，粒徑分別為
30 μ m 60 μ m，15 μ m 45 μ m ;將NiCoCrAH粉末和氧化鋁粉末分別裝入兩個(gè)送粉器，以
乙炔和氧氣為燃?xì)?，通過調(diào)整噴槍程序A組分燃料充槍率為20%，氧燃比為1.06，B組分燃
料充槍率為70%，氧燃比為I. 60，斑點(diǎn)搭接率40%，噴槍速度4次/秒，通過調(diào)整兩程序噴槍
點(diǎn)數(shù)的比例，總噴涂層數(shù)為20層，η為當(dāng)前噴涂層數(shù)，單層噴槍點(diǎn)數(shù)為15點(diǎn)，A組分各層噴 η
涂點(diǎn)數(shù)為I 00(1 —U)，Β組分各層噴涂點(diǎn)數(shù)為5η，實(shí)現(xiàn)兩組分涂層在涂層中的梯度分布，粘結(jié)層厚度100 u m,阻氧層厚度10 u rrio隔熱層采用市售的空心球形YSZ粉末，粒徑為15μπι 45μπι;可磨耗面層采用市售Sulzer-Metco公司生產(chǎn)的Durabrade 2192噴涂粉末,利用等離子噴涂工藝制備隔熱層和可磨耗面層，噴涂工藝參數(shù)為電流550Α，電壓70V，送粉速度48g/min。面層孔隙率為32%，面層厚度為300 μ m。采用該方法制備的可磨耗涂層，熱導(dǎo)率為O. 006-0. 012W / (cm -K)，1200°C熱循環(huán)壽命大于150次，面層硬度HR15Y〈95。實(shí)施例2
基體采用Ni基單晶高溫合金，噴涂前對(duì)基體表面進(jìn)行吹砂預(yù)處理采用60目的剛玉砂，在O. 4MPa的壓力下進(jìn)行吹砂，再用丙酮清洗或壓縮氣體將工件表面殘余砂粒清除后，再進(jìn)行表面涂層制備。采用市售的球形NiCoCrAlYHf粉末(A組分)和氧化鋁粉末(B組分)，粒徑分別為30 μ m 60 μ m，15 μ m 45 μ m ;將NiCoCrAlYHf粉末和氧化鋁粉末分別裝入兩個(gè)送粉器，以乙炔和氧氣為燃?xì)?，通過調(diào)整噴槍程序A組分燃料充槍率為25%，氧燃比為I. 20，B組分燃料充槍率為60%，氧燃比為2. . 00，斑點(diǎn)搭接率40%，噴槍速度4次/秒，通過調(diào)整兩程序噴槍點(diǎn)數(shù)的比例，可以實(shí)現(xiàn)兩組分涂層在涂層中的梯度分布，粘結(jié)層厚度120μπι，阻氧層厚度 10 μ m。采用市售的空心球形YSZ粉末，粒徑為15 μ m 45 μ m。采用等離子噴涂工藝制備隔熱層，噴涂工藝參數(shù)為電流600A，電壓75V，送粉速度48g/min，在阻氧層的基礎(chǔ)上噴涂隔熱層，隔熱層封閉氣孔率為14. 5%，隔熱層厚度為120 μ m。采購市售YSZ粉末、聚酯粉末和hBN粉末，粒度分別為5μπι 30μπι，10μπι ·40μπι，5μπι IOym;采用高能球磨法制備復(fù)合粉末，球磨時(shí)間12h，球磨介質(zhì)為Φ8陶瓷球。利用等離子噴涂工藝制備具有可磨耗面層涂層，噴涂工藝參數(shù)為電流600A，電壓75V，送粉速度48g/min，面層孔隙率為35%，面層厚度為320 μ m。采用該方法制備的可磨耗涂層，熱導(dǎo)率為O. 008-0. 012W / (cm ·Κ)，1150°C熱循環(huán)壽命大于150次。
權(quán)利要求
1.一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的制備方法，其特征在于高溫可磨耗封嚴(yán)涂層包含粘結(jié)底層、阻氧層、隔熱層及可磨耗面層，可磨耗面層由ZrO2、聚酯、hBN組成，其中重量百分比為Zr02809T95%，聚酯59Tl5%，hBN 0. 5% 5%，采用高能球磨法制備噴涂粉末待用；在對(duì)零件表面噴涂前，對(duì)工件表面進(jìn)行吹砂預(yù)處理，然后，采用熱噴涂工藝分別制備各層，(I)制備粘結(jié)底層，采用MCrAH粉末或NiAl粉末，粉末粒徑為15 u nT89 U m, (2)制備阻氧層，采用氧化鋁粉末，粒徑為10 u nT89 u m,噴涂厚度為5 50 u m, (3)制備隔熱層，采用空心球形YSZ粉末，粒徑為10 u nT89 um,(4)制備可磨耗面層，可磨耗面層的粉末的粒徑為5 u nT74 y m，噴涂厚度為200 3000 u m,孔隙率不低于30%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的制備方法，其特征是，所述的粘結(jié)底層和阻氧層采用爆炸噴涂制備，其中粘結(jié)底層MCrAH粉末或NiAl粉末，粒徑為15 UnTsg ym，燃料充槍量為10% 40%，氧燃比為I. (Tl. 60 ;阻氧層采用氧化鋁粉末，粒徑為10 u m 89 u m，燃料充槍量為50% 76%，氧燃比為I. 20 2. 50。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的制備方法，其特征是，所述的粘結(jié)底層和阻氧層利用爆炸噴涂技術(shù)制備，采用雙路送粉系統(tǒng)、其中第一路送粉系統(tǒng)預(yù)裝粘結(jié)底層MCrAH粉末或NiAl粉末，粒徑為15 u nT89 u m,燃料充槍量為10% 40% ;第二路送粉系統(tǒng)預(yù)裝阻氧層采用氧化鋁粉末，粒徑為10 u nT89 u m,燃料充槍量為509^76%，調(diào)整第一路送粉系統(tǒng)與第二路送粉系統(tǒng)的噴槍點(diǎn)數(shù)的比例，第一路送粉系統(tǒng)與第二路送粉系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行噴涂，其中第一路送粉系統(tǒng)的噴槍點(diǎn)數(shù)為八I-f)，第二路送粉系統(tǒng)的噴槍點(diǎn)數(shù)為t式中N為總噴涂層數(shù)，n為當(dāng)前噴涂層數(shù),P為單層噴槍點(diǎn)數(shù)，斑點(diǎn)搭接率不低于30%,噴槍速度4 10次/秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的制備方法，其特征是，所述的隔熱層及可磨耗面層采用等離子噴涂，工藝參數(shù)為電流500A 800A，電壓60疒80V，送粉速度30g/min 60g/min,其中可磨耗面層的孔隙率不低于30%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的制備方法，其特征是，所述MCrAlY粉末和NiAl粉末中添加Pt或稀土元素。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的制備方法，其特征是，所述可磨耗面層中的ZrO2中添加稀土氧化物，ZrO2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不低于50%。
全文摘要
本發(fā)明屬于高溫表面防護(hù)技術(shù)，具體涉及一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的制備方法。高溫可磨耗封嚴(yán)涂層包含粘結(jié)底層、阻氧層、隔熱層及可磨耗面層，可磨耗面層由ZrO2、聚酯、hBN組成，其中重量百分比為其中重量百分比為ZrO280%~95%，聚酯5%~15%,hBN 0.5%~5%，采用高能球磨法制備噴涂粉末待用；在對(duì)零件表面噴涂前，對(duì)工件表面進(jìn)行吹砂預(yù)處理，然后，采用熱噴涂工藝分別制備各層。涂層沉積效率高、成本低。同時(shí)涂層具有較高的隔熱性能、抗氧化性能及可磨耗性能，涂層1150℃熱循環(huán)壽命達(dá)到150次以上，1150℃熱沖擊壽命達(dá)到1000次以上，該結(jié)構(gòu)可磨耗封嚴(yán)涂層的使用溫度可達(dá)1200℃。
文檔編號(hào)C23C4/12GK102787290SQ20121020805
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者崔永靜, 湯智慧, 王長(zhǎng)亮, 郭孟秋 申請(qǐng)人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院