專利名稱：一種包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著航空技術(shù)迅猛發(fā)展及能源的日漸短缺，要求發(fā)動機具有更高的效率，采用封嚴涂層是提高發(fā)動機效率的重要措施之一。國外封嚴涂層的研究起于上世紀50年代，至今多種適用于不同溫度，不同部位要求的封嚴涂層材料已經(jīng)商品市場化，得到廣泛使用。在低溫服役溫度350-650°C，以Al-Si系為主，常見的有ΑΙ/Si-硅藻土，Al/Si-石墨，Ni-石墨，用于壓氣機和渦輪篦齒封嚴，壓氣機和潤滑油系統(tǒng)封嚴；中溫服役溫度65(T950°C，以Ni-Cr-Al 系為主，常見的有 Ni/Cr-硅藻土，Ni-硅藻土，Ni/Cr/Al-膨潤土，Ni/Cr/Al_Si02，常用于渦輪部位封嚴；高溫1000°C以上，以^O2-Al2O3系為主，常見的有AO3-ZrO2Al2O3-聚苯酯，CeO2-^O2-Al2O3-聚苯酯，Gd2O3I2O3IrO2Al2O3-聚苯酯，常用于燃氣渦輪高溫熱端部件封嚴。國內(nèi)對封嚴涂層起于70年代后期，并成功研制了 Ni-硅藻土，Ni/Cr-硅藻土，Ni/Cr-硅藻土等可磨耗封嚴涂層，并在應(yīng)用中得到良好的效果。可磨耗涂層要求具有良好的高溫穩(wěn)定性，抗氧化性，足夠的結(jié)合強度，抗氣流沖蝕性以及固體粒子沖蝕性等，其性能指標包括硬度，結(jié)合強度，可磨耗性，抗沖蝕性，抗熱震性及抗粘著性等。實驗證明，在傳統(tǒng)的熱障涂層中添加一定量的石墨，聚苯酯，硅藻土，膨潤土等聚合物或軟相填充物起到造孔的作用，松軟多孔的熱障涂層可作為良好的可磨耗封嚴涂層，石墨，聚苯酯，硅藻土膨潤土等造孔材料控制涂層的孔隙率，涂層的氣孔尺寸小，分布均勻具有適宜的硬度，結(jié)合強度，良好的抗熱震性和高溫穩(wěn)定性，滿足了高溫封嚴涂層的性能要求。目前，推重比10的一級發(fā)動機渦輪服役溫度達到150(T170(TC，高溫氣流沖蝕等惡劣的服役環(huán)境對封嚴涂層提出了更高的要求?，F(xiàn)今制備的高溫可磨耗封嚴涂層材料主要選擇以微米級系為基，涂層制備工藝以等離子噴涂技術(shù)為主。封嚴涂層中添加的石墨，聚苯酯，硅藻土，膨潤土等微粉與^O2僅為物理粘結(jié)團聚復(fù)合。噴涂時復(fù)合粉末送入高溫等離子焰流，團聚顆粒中裸露的低熔點添加物在焰流中就極易燒蝕揮發(fā)殆盡，無法定量地沉積到涂層中獲得設(shè)計的涂層孔隙，致使涂層中的孔隙率和涂層硬度控制困難，也就使涂層的可磨耗性和抗氣流沖蝕性難以確定。對高聚物表面包覆研究是目前國內(nèi)外研究的熱點問題。聚苯酯又為聚對羥基苯甲酸酯(Poly hydroxybenzoate ；PHB),由對氧苯甲酰單體重復(fù)構(gòu)建的聚合物，外觀呈淡黃色至土黃色，與金屬的性能很接近，在所有的高分子聚合物中，聚苯酯導(dǎo)熱系數(shù)最高，在溫度316°C以下連續(xù)使用表現(xiàn)出高穩(wěn)定性，在溫度425°C表現(xiàn)與金屬相似的非粘性流動?；诰郾锦サ母叻€(wěn)定和與金屬的相似性，聚苯酯被用于良好的高溫封嚴涂層的造孔材料。一般對聚苯酯的表面處理有兩種途徑，其一是使顆粒細化或超微細化，并且選用顆粒狀的聚苯酯，其表面積增大而增強與無機物的相容性，從而改善在團聚粉末中的分散性，且顆粒較小(一般50Mm以下)的聚苯酯在涂層中留下的第二類孔隙細小分布均勻，有利于抵消高溫下氧化鋯在由m相轉(zhuǎn)變?yōu)閠相或t’相產(chǎn)生的體積變化以及熱應(yīng)力。但微細化的聚苯酯存在缺
3陷其顆粒越細小，表面能越高，吸附作用越強，粒子與粒子之間的相互團聚作用越明顯，造成涂層中局部孔隙過大至使涂層容易塌陷；其二是采用恰當?shù)哪透邷夭牧铣练e到聚苯酯表面，使聚苯酯在裹實的狀態(tài)下通過等離子火焰，降低聚苯酯表面與火焰焰流直接接觸，提高聚苯酯在非熱平衡狀態(tài)的等離子火焰中的抗燒損能力，使其定量沉積到涂層中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)而提供一種高穩(wěn)定性，高沉積率的包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料及其制備方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料，其特征在于包括有IO3部分穩(wěn)定的^o2粉末，α -Al2O3粉末，h-BN粉末和包覆型聚苯酯原料微粉經(jīng)團聚復(fù)合而成，其各組分含量為=Y2O3部分穩(wěn)定的^O2粉末為78-88wt%、α -Al2O3 粉末為 5_15wt%、h-BN 粉末為 2_5wt%、包覆型聚苯酯 5_8wt%。按上述方案，所述的包覆型聚苯酯為氧化鋁溶膠包覆聚苯酯原料A和氧化鋁溶膠與氧化鋯溶膠包覆聚苯酯原料B中的任意一種或它們的混合。按上述方案，所述的氧化鋁溶膠包覆聚苯酯原料A中氧化鋁和聚苯酯所占百分比分別為2(T50wt%、5(T80Wt%，所述的聚苯酯作為芯核粒度為20-45Mm。本發(fā)明所述的聚苯酯形貌選用微米顆粒狀結(jié)構(gòu)，表面用氧化鋁溶膠采用常規(guī)包覆工藝進行包覆，殼層盡可能厚，形成包覆聚苯酯原料A，配比組分時界定各自含量。按上述方案，所述的氧化鋁溶膠與氧化鋯溶膠包覆聚苯酯原料B中氧化鋁、氧化鋯、聚苯酯所占百分比分別為10 25襯％、10 25襯％、50 80襯％，所述的聚苯酯作為芯核粒度為 20-45Mm。本發(fā)明所述的聚苯酯形貌選用微米顆粒狀結(jié)構(gòu)，先用氧化鋁溶膠進行包覆作底層，再用氧化鋯溶膠進行包覆做面層，殼層盡可能厚，形成包覆聚苯酯原料B，配比組分時界定各自含量。按上述方案，所述的IO3部分穩(wěn)定的^O2粉末粒度為20-60nm、α -Al2O3粉末粒度為 15-30nm, h-BN 粉末粒度為 0. 25-2 μ m。本發(fā)明制備方法所采用的技術(shù)方案是包括有以下步驟
1)配料按IO3部分穩(wěn)定的粉末78 88Wt %，α-Al2O3粉末5 15 wt %，h_BN粉末2 5 wt %，包覆型聚苯酯5 8 wt %取原料IO3部分穩(wěn)定的粉末、α-Al2O3粉末、h-BN粉末和包覆型聚苯酯，然后添加占原料總重量的H的粘接劑和50-60%的去離子水，混合攪拌制成料漿；
由于部分納米Al2O3包覆于聚苯酯表面，在配料添加α -Al2O3粉末時應(yīng)減去相應(yīng)比重；
2)磨料將步驟1)制備的料漿在膠體磨中進一步碾磨混合，制得分散均勻的懸浮狀態(tài)的料漿；
3 )噴霧干燥將步驟2 )制得的料漿由恒流泵輸送到噴霧干燥塔中噴霧造粒，干燥塔進風口溫度設(shè)置為110°C 130°C，制得團聚粉末；
4)篩分將步驟3)制備的團聚粉末在干燥箱中110°C保溫20min烘干，篩取45 150Mm顆粒制得涂層材料。按上述方案，所述的包覆型聚苯酯為氧化鋁溶膠包覆聚苯酯原料A和氧化鋁溶膠與氧化鋯溶膠包覆聚苯酯原料B中的任意一種或它們的混合。按上述方案，所述的氧化鋁溶膠包覆聚苯酯原料A中氧化鋁和聚苯酯所占百分比分別為2(T50wt%、5(T80Wt%，所述的聚苯酯作為芯核粒度為20-45Mm。按上述方案，所述的氧化鋁溶膠與氧化鋯溶膠包覆聚苯酯原料B中氧化鋁、氧化鋯、聚苯酯所占百分比分別為10 25襯％、10 25襯％、50 80襯％，所述的聚苯酯作為芯核粒度為 20-45Mm。本發(fā)明各種成分的作用如下
Y2O3部分穩(wěn)定納米^O2粉末(YPSZ):粒度20-60nm，理想的耐高溫材料，熔點高，熱穩(wěn)定好，高溫下體積收縮率小，采用APS技術(shù)產(chǎn)生一定的固有孔隙，大量的半熔融和未熔融顆粒嵌入組織產(chǎn)生大量的微細孔洞。納米α -Al2O3粉末粒度15-30nm，熔點低于&02，經(jīng)等離子弧作用在涂層中起到粘接作用，調(diào)節(jié)涂層各組分之間的結(jié)合性能，提高涂層的沉積效率。微米h-BN粉末粒度0. 25-2Mffl,惰性材料，高溫下性能穩(wěn)定，氬氣氣氛下直至2700°C仍是穩(wěn)定狀態(tài)，并具有良好的潤滑性能，高溫環(huán)境下的固體潤滑劑。氧化鋁溶膠包覆聚苯酯造孔材料，氧化鋁溶膠在聚苯酯表面沉積率較高，包覆更為密實，氧化鋁包覆聚苯酯表面使其避免直接受高溫等離子焰流的作用燒掉，能定量沉積于涂層中，制備的涂層在后續(xù)高溫的作用下聚苯酯逐漸碳化揮發(fā)，形成疏松多孔的涂層結(jié)構(gòu)。氧化鋁與氧化鋯溶膠包覆聚苯酯聚苯酯芯核粒度2(T45Mffl，造孔材料，氧化鋯熔點比氧化鋁更高，且其與基相YPSZ相容性更好。但氧化鋯溶膠難以附著到聚苯酯的表面，故先將氧化鋁溶膠包覆聚苯酯表面，再在氧化鋁外殼上包覆氧化鋯。這種形式的包覆型聚苯酯性能更為優(yōu)良，更能精確定量保證沉積于涂層中的聚苯酯，達到定量控制孔隙數(shù)量形貌的目的，在涂層受刮削時，易留下顆粒微小的粉末，提高可磨耗性。本發(fā)明與現(xiàn)有的高溫封嚴涂層材料相比優(yōu)點在于以下幾個方面
1)等離子噴涂為一種非熱平衡狀態(tài)，團聚型封嚴涂層粉末中裸露的聚苯酯很容易在高溫等離子焰流中就被燒蝕殆盡，實現(xiàn)不了在涂層中造孔的作用。而經(jīng)過氧化鋁溶膠或氧化鋯溶膠包覆的復(fù)合顆粒則避免聚苯酯直接暴露于高溫火焰中，可大幅度提高包覆顆粒保留于涂層的幾率。經(jīng)測定，在涂層中沉積效率提高，添加的聚苯酯與涂層中沉積的聚苯酯確定在可控的范圍內(nèi)，使涂層自然形成一種疏松多孔的結(jié)構(gòu)，降低涂層的硬度，提高其可磨耗性；
2)由于涂層中需要添加一定量的Al2O3在熔融狀態(tài)下的起到粘結(jié)作用，提高了氧化鋯的沉積效率以及涂層的內(nèi)聚粘接效果?？刹捎醚趸X溶膠包覆聚苯酯形成復(fù)合顆粒的另一作用在于改善Al2O3與聚苯酯的結(jié)合性問題。改變涂層由于添加物不相容而出現(xiàn)的相界和缺陷，在高溫循環(huán)熱震試驗中形成的相變應(yīng)力導(dǎo)致涂層剝落失效；
3)氧化鋯與氧化鋁溶膠復(fù)合包覆聚苯酯形成的顆粒，作用也在于改善Al2O3與聚苯酯的結(jié)合性問題的同時，進一步改善包覆表面與YPSZ基相涂層的相容結(jié)合性問題；
4)沉積在涂層中的包覆聚苯酯在高溫下燒蝕后在自身的位置留下等體積或略小的空隙，此為第二類孔隙。高溫下，孔隙率始終維持在可控的范圍之內(nèi)，第二類孔隙進一步緩解因^O2相變產(chǎn)生的熱應(yīng)力；5)包覆聚苯酯可定量沉積到涂層中以控制涂層孔隙數(shù)量以及形貌，合理調(diào)節(jié)涂層的宏觀硬度以及結(jié)合強度；
6)作為一種發(fā)動機內(nèi)壁封嚴涂層材料，可控的孔隙率有利于提高涂層可磨削性，使葉片與內(nèi)壁之間自然形成縫隙，提高密封性。
具體實施例方式為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體的實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明不僅僅局限于以下實施例。實施例1
1)配料取IO3部分穩(wěn)定&02粉末YPSZ，α-Al2O3粉末，h-BN粉末，氧化鋁溶膠(30wt%)包覆聚苯酯(70wt%)分別為8. 61kg, 0. 49kg, 0. 2kg, 0. 7kg，粘結(jié)劑400g，加入去離子水5kg混合配成料漿，氧化鋁溶膠包覆聚苯酯(即為包覆聚苯酯Α)中含0.21kg Al2O3，混料添加Al2O3粉為0. 49kg，Al2O3總含量為0. 7kg，質(zhì)量百分比7% ；
2)磨料將步驟1)制備的料漿在膠體磨中進一步碾磨混合，制得分散均勻的懸浮狀態(tài)的料漿；
4)噴霧干燥將步驟2)制得的料漿經(jīng)恒流泵輸送到噴霧干燥塔中進行離心霧化造粒，霧化器轉(zhuǎn)速控制在1500(T20000r/min，干燥塔進風口溫度設(shè)置為 120°C，制得團聚粉末；
5)篩分將步驟3)制備的團聚粉末在干燥箱中110°C保溫20min烘干，篩取45 150Mm顆粒制得涂層材料。用霍爾流量計檢測制備的氫氧化鋯溶膠包覆聚苯酯復(fù)合基高溫封嚴涂層材料的流動性和松裝密度。檢測結(jié)果如下表1。實施例2
除步驟1中，添加氧化鋁溶膠包覆聚苯酯改用為氧化鋯(10wt%)和氧化鋁溶膠(20wt%)包覆聚苯酯(70wt%)，即為包覆聚苯酯B ；其它制備方法和性能測試與實施例1相同。實施例3
除步驟1中，添加氧化鋁溶膠包覆聚苯酯改用為氧化鋯(20wt%)和氧化鋁溶膠(10wt%)包覆聚苯酯(70wt%)，即為包覆聚苯酯B ；其它制備方法和性能測試與實施例1相同。實施例4
除步驟1中，添加氧化鋁溶膠包覆聚苯酯改用為氧化鋁溶膠包覆聚苯酯、氧化鋯和氧化鋁溶膠包覆聚苯酯分別按1:1添加，即為包覆聚苯酯原料A，包覆聚苯酯原料B分別按1 1添加；其它制備方法和性能測試與實施例1相同。實施例5
除步驟1中，添加氧化鋁溶膠包覆聚苯酯改用為氧化鋁溶膠包覆聚苯酯、氧化鋯和氧化鋁溶膠包覆聚苯酯分別按1 2添加，即為包覆聚苯酯原料A，包覆聚苯酯原料B分別按1 2添加；其它制備方法和性能測試與實施例1相同。實施例廣5所制備的團聚粉末的檢測結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料，其特征在于包括有IO3部分穩(wěn)定的 ZrO2粉末，α -Al2O3粉末，h_BN粉末和包覆型聚苯酯原料微粉經(jīng)團聚復(fù)合而成，其各組分含量為A2O3部分穩(wěn)定的粉末為78-88wt%、α -Al2O3粉末為5_15wt%、h_BN粉末為2_5wt%、 包覆型聚苯酯5-8wt%。
2.按權(quán)利要求1所述的包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料，其特征在于所述的包覆型聚苯酯為氧化鋁溶膠包覆聚苯酯原料A和氧化鋁溶膠與氧化鋯溶膠包覆聚苯酯原料B 中的任意一種或它們的混合。
3.按權(quán)利要求2所述的包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料，其特征在于所述的氧化鋁溶膠包覆聚苯酯原料A中氧化鋁和聚苯酯所占百分比分別為2(T50wt%、5(T80Wt%，所述的聚苯酯作為芯核粒度為20-45Mffl。
4.按權(quán)利要求2所述的包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料，其特征在于所述的氧化鋁溶膠與氧化鋯溶膠包覆聚苯酯原料B中氧化鋁、氧化鋯、聚苯酯所占百分比分別為 10 25wt%、l(T25wt%、5(T80wt%，所述的聚苯酯作為芯核粒度為20_45Mm。
5.按權(quán)利要求1-4任一項所述的包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料，其特征在于所述的Y2O3部分穩(wěn)定的^o2粉末粒度為20-60nm、α -Al2O3粉末粒度為15-30nm，h-ΒΝ粉末粒度為0. 25-2 μ m。
6.權(quán)利要求1所述的包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料的制備方法，包括有以下步驟1)配料按IO3部分穩(wěn)定的粉末78 88Wt %，α-Al2O3粉末5 15 wt %，h_BN粉末 2 5 wt %，包覆型聚苯酯5 8 wt %取原料IO3部分穩(wěn)定的粉末、α-Al2O3粉末、h-BN 粉末和包覆型聚苯酯，然后添加占原料總重量的H的粘接劑和50-60%的去離子水，混合攪拌制成料漿；2)磨料將步驟1)制備的料漿在膠體磨中進一步碾磨混合，制得分散均勻的懸浮狀態(tài)的料漿；3 )噴霧干燥將步驟2 )制得的料漿由恒流泵輸送到噴霧干燥塔中噴霧造粒，干燥塔進風口溫度設(shè)置為110°C 130°C，制得團聚粉末；4)篩分將步驟3)制備的團聚粉末在干燥箱中110°C保溫20min烘干，篩取45 150Mm 顆粒制得涂層材料。
7.按權(quán)利要求6所述的包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料的制備方法，其特征在于所述的包覆型聚苯酯為氧化鋁溶膠包覆聚苯酯原料A和氧化鋁溶膠與氧化鋯溶膠包覆聚苯酯原料B中的任意一種或它們的混合。
8.按權(quán)利要求7所述的包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料的制備方法，其特征在于所述的氧化鋁溶膠包覆聚苯酯原料A中氧化鋁和聚苯酯所占百分比分別為2(T50wt%、 50^80wt%,所述的聚苯酯作為芯核粒度為20-45Mm。
9.按權(quán)利要求7所述的包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料的制備方法，其特征在于所述的氧化鋁溶膠與氧化鋯溶膠包覆聚苯酯原料B中氧化鋁、氧化鋯、聚苯酯所占百分比分別為10 25wt%、l(T25Wt%、5(T80Wt%，所述的聚苯酯作為芯核粒度為20_45Mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包覆型復(fù)合基高溫可磨耗封嚴涂層材料及其制備方法，包括有Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2粉末，α-Al2O3粉末，h-BN粉末和包覆型聚苯酯原料微粉經(jīng)團聚復(fù)合而成，其各組分含量為Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2粉末為78-88wt%、α-Al2O3粉末為5-15wt%、h-BN粉末為2-5wt%、包覆型聚苯酯5-8wt%。本發(fā)明優(yōu)點在于1)降低涂層的硬度，提高其可磨耗性；2)改變涂層由于添加物不相容而出現(xiàn)的相界和缺陷；3)改善包覆表面與YPSZ基相涂層的相容結(jié)合性問題；4)控制涂層孔隙數(shù)量以及形貌，合理調(diào)節(jié)涂層的宏觀硬度以及結(jié)合強度；5)可控的孔隙率有利于提高涂層可磨削性，提高密封性。
文檔編號C09D5/46GK102558931SQ20121003604
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者向泓宇, 孟曉明, 張樸, 柳敏志, 程旭東, 閔捷, 陸偉 申請人:武漢理工大學