[发明专利]一种四相陶瓷基高温可磨耗封严涂层

说明书

技术领域

本发明属于封严涂层材料技术领域，具体涉及一种四相陶瓷基高温可磨耗封严涂层。

背景技术

航空工业的迅速发展对航空发动机提出了越来越高的要求，大推力、高效率、低油耗已成为发动机设计和制造的总体目标。然而，在发动机的制造和运行过程中，由于发动机组件的热膨胀、轴的热变形以及高速旋转离心力引起叶片伸长等因素，无法将径向间隙控制为零，总要预留2～3mm的间隙，而过大的间隙必将使气体大量泄漏，导致发动机效率降低。因此，用于减小压气机、涡轮机叶尖与机匣之间间隙的可磨耗封严涂层技术就成为提高发动机性能的重要手段。通过运行过程中叶尖对可磨耗涂层的刮削作用，可有效地减小径向气流间隙，从而获得最大压差，显著提高发动机效率并降低油耗。

常用的可磨耗封严涂层一般由基相、润滑相和一定量的微小孔洞组成。基相的主要作用是作为支撑体，以确保涂层自身强度以及与基体的结合强度。根据使用温度的不同，基相可以是金属相或陶瓷相，常用的金属相有镍、铝、铜及其合金等，常用陶瓷相主要是氧化钇稳定氧化锆；润滑相的主要作用是降低硬度、提高涂层的可磨耗性和抗粘着性，常用的润滑相材料有石墨、硅藻土、膨润土、六方氮化硼等；微小孔洞可以通过制备过程或加入特定的造孔相形成，其主要作用是降低涂层硬度，缓解涂层应力，提高涂层的可磨耗性并使涂层具有一定的隔热能力，常用的造孔相为聚酯等高分子聚合物。经过数十年的研究发展，目前国内外已经形成了多种适用于不同温度、不同部位要求的封严涂层材料，包括适用于350～650℃以AlSi-聚苯酯、AlSi-石墨和Ni-石墨为代表的低温可磨耗封严涂层；适用于650～950℃以Ni-硅藻土、NiCrAl-膨润土和NiCrAlY-BN为代表的中温可磨耗封严涂层和适用于1000℃以上以ZrO₂为基相的陶瓷基高温可磨耗封严涂层。其中，适用于中低温段的多种可磨耗封严涂层已实现商品市场化并得到广泛应用。

当前，航空发动机向高流量比、高推重比和高进口气体温度方向不断发展，高压涡轮部位的工作温度已经达到1100℃以上，这就对高压涡轮外环部位可磨耗封严涂层的高温性能提出了越来越高的要求，尤其是涂层在满足合适的可磨耗性能的条件下，涂层在高温条件下的抗热震性能和高温稳定性就变得尤为重要。目前研究较多的高温可磨耗封严涂层是以ZrO2为陶瓷基相，将其与润滑相h-BN和造孔相聚酯相复合的两相或三相陶瓷基可磨耗封严涂层。然而，在该涂层体系中，由于ZrO2作为一种氧离子导体并不能阻碍氧向涂层内部的扩散，并且涂层中较多孔洞的存在也为氧的快速扩散提供了途径。氧向涂层内部及涂层/粘结层界面的快速扩散会促使界面处TGO层的快速生长以及缺陷的生成，从而导致封严涂层过早的发生开裂剥落而失效。因此，在现有封严涂层体系的基础上研究开发可承受更高温度且具有优越高温稳定性和抗热震性能的陶瓷基高温可磨耗封严涂层具有重要的理论和应用价值。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种四相陶瓷基高温可磨耗封严涂层，该涂层借助高温抗氧化纳米相的加入阻碍氧向涂层内部以及涂层/粘结层界面的扩散，从而有效的改善涂层的整体性以及涂层/粘结层的界面状态，显著提高陶瓷基高温可磨耗封严涂层的高温稳定性和抗热震性能。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案：

该涂层由陶瓷基相、润滑相、造孔相和高温抗氧化相四相组成，所用喷涂粉末按质量百分比计，其中：陶瓷基相为80～90wt%的Dy₂O₃部分稳定的ZrO₂，粒度为30～150μm；润滑相为0.5～5wt%h-BN；造孔相为4.5～20wt%聚酯；高温抗氧化相为5wt%～20wt%的纳米SiO₂或Al₂O₃或Cr₂O₃，粒度为5～100nm；其中高温抗氧化纳米相以包覆微米级陶瓷基相的结构存在，采用等离子喷涂制备涂层，工艺参数为：电流500～650A，电压60～80V，喷涂距离90～120mm，送粉速率25～40g/min，喷涂涂层的厚度800～1500μm。

所述的陶瓷基相为Dy₂O₃部分稳定的ZrO₂，其中Dy₂O₃的质量分数为8～10%，粉末的粒度为60～100μm。

所述的润滑相h-BN的粒度为1～3μm。

所述的造孔相聚酯的粒度为50～80μm。