[发明专利]一种包覆型复合基高温可磨耗封严涂层材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种包覆型复合基高温可磨耗封严涂层材料及其制备方法。

背景技术

随着航空技术迅猛发展及能源的日渐短缺，要求发动机具有更高的效率，采用封严涂层是提高发动机效率的重要措施之一。国外封严涂层的研究起于上世纪50年代，至今多种适用于不同温度，不同部位要求的封严涂层材料已经商品市场化，得到广泛使用。在低温服役温度350-650℃，以Al-Si系为主，常见的有Al/Si-硅藻土，Al/Si-石墨，Ni-石墨，用于压气机和涡轮篦齿封严，压气机和润滑油系统封严；中温服役温度650~950℃，以Ni-Cr-Al系为主，常见的有Ni/Cr-硅藻土，Ni-硅藻土，Ni/Cr/Al-膨润土，Ni/Cr/Al-SiO₂，常用于涡轮部位封严；高温1000℃以上，以ZrO₂-Al₂O₃系为主，常见的有Y₂O₃-ZrO₂/Al₂O₃-聚苯酯，CeO₂-ZrO₂-Al₂O₃-聚苯酯，Gd₂O₃-Y₂O₃-ZrO₂/Al₂O₃-聚苯酯，常用于燃气涡轮高温热端部件封严。国内对封严涂层起于70年代后期，并成功研制了Ni-硅藻土，Ni/Cr-硅藻土，Ni/Cr-硅藻土等可磨耗封严涂层，并在应用中得到良好的效果。可磨耗涂层要求具有良好的高温稳定性，抗氧化性，足够的结合强度，抗气流冲蚀性以及固体粒子冲蚀性等，其性能指标包括硬度，结合强度，可磨耗性，抗冲蚀性，抗热震性及抗粘着性等。实验证明，在传统的热障涂层中添加一定量的石墨，聚苯酯，硅藻土，膨润土等聚合物或软相填充物起到造孔的作用，松软多孔的热障涂层可作为良好的可磨耗封严涂层，石墨，聚苯酯，硅藻土膨润土等造孔材料控制涂层的孔隙率，涂层的气孔尺寸小，分布均匀具有适宜的硬度，结合强度，良好的抗热震性和高温稳定性，满足了高温封严涂层的性能要求。

目前，推重比10的一级发动机涡轮服役温度达到1500~1700℃，高温气流冲蚀等恶劣的服役环境对封严涂层提出了更高的要求。现今制备的高温可磨耗封严涂层材料主要选择以微米级ZrO₂系为基，涂层制备工艺以等离子喷涂技术为主。封严涂层中添加的石墨，聚苯酯，硅藻土，膨润土等微粉与ZrO₂仅为物理粘结团聚复合。喷涂时复合粉末送入高温等离子焰流，团聚颗粒中裸露的低熔点添加物在焰流中就极易烧蚀挥发殆尽，无法定量地沉积到涂层中获得设计的涂层孔隙，致使涂层中的孔隙率和涂层硬度控制困难，也就使涂层的可磨耗性和抗气流冲蚀性难以确定。

对高聚物表面包覆研究是目前国内外研究的热点问题。聚苯酯又为聚对羟基苯甲酸酯（Poly hydroxybenzoate；PHB），由对氧苯甲酰单体重复构建的聚合物，外观呈淡黄色至土黄色，与金属的性能很接近，在所有的高分子聚合物中，聚苯酯导热系数最高，在温度316℃以下连续使用表现出高稳定性，在温度425℃表现与金属相似的非粘性流动。基于聚苯酯的高稳定和与金属的相似性，聚苯酯被用于良好的高温封严涂层的造孔材料。一般对聚苯酯的表面处理有两种途径，其一是使颗粒细化或超微细化，并且选用颗粒状的聚苯酯，其表面积增大而增强与无机物的相容性，从而改善在团聚粉末中的分散性，且颗粒较小（一般50μm以下）的聚苯酯在涂层中留下的第二类孔隙细小分布均匀，有利于抵消高温下氧化锆在由m相转变为t相或t’相产生的体积变化以及热应力。但微细化的聚苯酯存在缺陷：其颗粒越细小，表面能越高，吸附作用越强，粒子与粒子之间的相互团聚作用越明显，造成涂层中局部孔隙过大至使涂层容易塌陷；其二是采用恰当的耐高温材料沉积到聚苯酯表面，使聚苯酯在裹实的状态下通过等离子火焰，降低聚苯酯表面与火焰焰流直接接触，提高聚苯酯在非热平衡状态的等离子火焰中的抗烧损能力，使其定量沉积到涂层中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术而提供一种高稳定性，高沉积率的包覆型复合基高温可磨耗封严涂层材料及其制备方法。