CN102168239B

CN102168239B - 一种可磨耗封严用复合粉末、涂层及制备方法

Info

Publication number: CN102168239B
Application number: CN 201110076894
Authority: CN
Inventors: 于月光; 马江虹; 任先京; 曾克里; 薛文涛; 章德铭; 刘笑笑; 田晔; 刘建明
Original assignee: Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Current assignee: Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: CN102168239A

Abstract

本发明涉及一种可磨耗封严用复合粉末、涂层及制备方法，技术方案如下：可磨耗封严用复合粉末，包括金属元素和可磨耗组分，所述金属元素为镍和铜，所述可磨耗组分为六方氮化硼或石墨，或者是六方氮化硼和石墨的组合物。粉末的第一种制备方法，将可磨耗组分表面包覆镍，形成核壳型复合粉末；将上述核壳型复合粉末与铜粉喷雾干燥制粒；将制粒后的粉末烧结；将烧结后的粉末破碎，按照产品粒度要求筛分；第二种制备方法，将镍粉和铜粉烧结，然后与可磨耗组分混合；加入水玻璃团聚制粒，将湿料过筛后烘干。本发明的可磨耗封严复合粉末及由可磨耗封严复合粉末制备的涂层，可以满足航空发动机中温段可磨耗封严的需要，进而提升了发动机的性能。

Description

一种可磨耗封严用复合粉末、涂层及制备方法

技术领域

本发明涉及一种可磨耗封严用复合粉末、涂层及制备方法，属于飞机发动机内具有可磨耗性的封严涂层材料制备领域。

背景技术

大推力、高效率、低油耗是航空发动机设计和制造的总体目标，为此应尽量提高涡轮机进口气体温度，减小转子与静子部件之间的间隙。当结构与材料一定时，提高涡轮机进口气体温度是有限的，因而减小压气机、涡轮机叶尖与机匣之间间隙的气路封严技术就成为提高发动机性能的重要手段。可磨耗封严涂层由于其生产工艺简便，维护和性能调整简易，封严效果好，不稳定现象少等优点在航空发动机上得到广泛应用。

封严涂层位于发动机的压气机和涡轮机的机匣等部位，所处的位置和功能决定了要在较高温度和高速气流冲刷的恶劣条件下工作。理想的封严涂层应既有足够的强度抵抗外部颗粒及气流的冲蚀，又可被刮削，在叶片与涂层发生摩擦接触时，涂层被刮削而叶片尖端不磨损，涂层不脱落。因此，要求可磨耗封严涂层必须具备下列性能：可磨耗性、抗冲蚀性、结合强度和抗热震性，其他性能如低的摩擦系数、抗粘着性、高的化学稳定性、高的整体强度等。

可磨耗封严涂层材料种类较多，以粉体材料为主，另有少数品种的棒材。通常封严涂层材料由金属材料和非金属材料两类材料复合而成，其中金属材料提供可喷涂性、结构强度和抗冲蚀性，如镍、铝等及其合金；非金属材料提供可磨耗性，通常具有自润滑性能，如聚苯酯、石墨、硅藻土、膨润土、六方氮化硼等；复合方法有化学包覆、物理团聚、机械混合等。可磨耗性和抗冲蚀性是封严涂层最重要又相互矛盾的要求，协调和解决这一对矛盾是封严涂层研究、设计和制造的关键。

因此，现有的涂层材料及其涂层不能满足航空发动机中温段可磨耗封严的需要。

发明内容

本发明为解决现有的涂层材料及其涂层不能满足航空发动机中温段可磨耗封严需要的问题，进而提供一种可磨耗封严用复合粉末、涂层及制备方法，其技术方案包括：

一种可磨耗封严用复合粉末，包括金属元素和可磨耗组分，所述金属元素为镍和铜，所述可磨耗组分为六方氮化硼、石墨或者六方氮化硼和石墨的组合物。

一种可磨耗封严用复合粉末的制备方法，包括：

将所述可磨耗组分表面包覆镍，形成核壳型复合粉末；

将所述核壳型复合粉末与铜粉进行喷雾干燥制粒；

将通过所述制粒获得的粉末进行烧结；

将通过所述烧结获得的粉末进行破碎，并按照产品粒度要求筛分。

又一种可磨耗封严用复合粉末的制备方法，包括：

将镍粉和铜粉混合均匀后烧结；

将通过所述烧结获得的粉末进行破碎筛分，并与所述可磨耗组分混合均匀；

在经过所述混合均匀获的粉末中加入水玻璃搅拌均匀，并将湿料过筛；

对经过所述过筛的湿料进行烘干干燥，并按照产品粒度要求筛分。

又一种可磨耗封严用复合粉末的涂层的制备方法，包括：

将工件进行除油、喷砂预处理，并将所述可磨耗封严用复合粉末进行烘干处理；

在所述工件表面喷涂底层；

采用等离子喷涂所述可磨耗封严用复合粉末，喷涂底层与喷涂所述可磨耗封严用复合粉末之间的时间间隔不超过30分钟，其中所述等离子喷涂的参数为：电流强度380～410A，电压45～55V，喷涂距离80～120mm，喷涂角度70～110°，并且喷涂过程中对所述工件采用压缩空气冷却。

本发明的可磨耗封严复合粉末及由可磨耗封严复合粉末制备的涂层，可以满足航空发动机中温段可磨耗封严的需要，进而提升了发动机的性能。

具体实施方式

本发明提供了下面五个较佳的实施例：

实施例1

采用水热氢还原方法制备镍包石墨，石墨含量为38～42wt％。水热氢还原是一种常规湿法冶金技术，典型工艺参数为：硫酸镍、硫酸铵、氨水按比例配成溶液，溶液中镍离子含量一般为40～70g/L。反应温度为120～150℃，氢气压力为1.0～5.0MPa，催化剂为PdCl₂或蒽醌。

将镍包石墨与铜粉按质量比9∶1混合均匀，将混合粉、粘结剂、水按一定比例(如质量比30∶18∶2)配成料浆，进行喷雾干燥制粒，喷雾干燥用粘结剂为聚乙烯醇或聚乙烯吡洛烷酮，喷雾干燥进口温度一般控制在250～400℃、出口温度一般控制在100～250℃。

将喷雾干燥得到的粉末真空烧结，烧结温度为500～750℃，保温时间为1～4小时。烧结后按产品粒度要求进行筛分即得成品。粒度要求一般为45～315μm，也可根据需要控制更窄的粒度分布，如45～109μm、53～150μm。

将制得的复合粉末等离子喷涂，即可得到可磨耗封严涂层，所述涂层的制备方法，包括下列步骤：1、将工件进行除油、喷砂预处理，将待喷涂粉末烘干处理；2、在工件表面喷涂底层；3、采用等离子喷涂复合粉末，喷涂底层与喷涂复合粉末之间时间间隔不超过30分钟；等离子喷涂参数为，电流强度380～410A，电压45～55V，喷涂距离80～120mm，喷涂角度70～110°，喷涂过程中工件用压缩空气冷却。所述底层为镍铝底层。

所得的封严涂层工作温度为650℃以下，结合强度大于5MPa，HR15Y硬度为30～60。

实施例2

采用化学镀方法制备镍包六方氮化硼，六方氮化硼含量为28～32wt％。

将镍包六方氮化硼与铜粉按质量比7∶3混合均匀，将混合粉、粘结剂、水按一定比例(如质量比30∶18∶2)配成料浆，进行喷雾干燥制粒，喷雾干燥用粘结剂为聚乙烯醇或聚乙烯吡洛烷酮，喷雾干燥进口温度一般控制在250～400℃、出口温度一般控制在100～250℃。

将喷雾干燥得到的粉末氢气保护烧结，烧结温度500～750℃，保温时间1～4小时。烧结后按产品粒度要求进行筛分即得成品。粒度要求一般为45～315μm，也可根据需要控制更窄的粒度分布，如45～109μm、53～150μm。

将制得的复合粉末等离子喷涂，即可得到可磨耗封严涂层，喷涂工艺与实施例1相同。

所得的封严涂层工作温度为650℃以下，结合强度大于8MPa，HR15Y硬度为40～80。

实施例3

将六方氮化硼、石墨按质量比3∶1混合均匀，采用羰基镍分解法在其表面包覆镍，工艺参数与工业生产羰基镍粉相同，控制镍含量为60～65wt％。

将上述镍包覆粉与铜粉按质量比4∶1混合均匀，将混合粉、粘结剂、水按一定比例(如质量比30∶18∶2)配成料浆，进行喷雾干燥制粒，喷雾干燥用粘结剂为聚乙烯醇或聚乙烯吡洛烷酮，喷雾干燥进口温度一般控制在250～400℃、出口温度一般控制在100～250℃。

将喷雾干燥得到的粉末在氢气保护条件下进行烧结，烧结的温度为500～750℃，保温时间为1～4小时。烧结后按产品粒度要求进行筛分即得成品。粒度要求一般为45～315μm，也可根据需要控制更窄的粒度分布，如45～109μm、53～150μm。

所得的封严涂层工作温度为650℃以下，结合强度大于8MPa，HR15Y硬度为40～70。

实施例4

将镍粉与铜粉按质量比7∶3混合均匀后烧结，烧结条件为：保护气氛为氢气，490～510℃保持2小时，740～760℃保持3小时。将烧结后的粉末破碎筛分，与六方氮化硼、石墨按质量比7∶2∶1混合均匀。加入市售水玻璃搅拌均匀，水玻璃与粉料按(1.4～1.6)L∶1kg比例加入，将湿料过筛后烘干干燥，按照产品粒度要求筛分即得成品。粒度要求一般为45～315μm，也可根据需要控制更窄的粒度分布，如45～109μm、53～150μm。

实施例5

将镍粉与铜粉按质量比3∶2混合均匀后烧结，烧结条件为：保护气氛为氢气，490～510℃保持2小时，740～760℃保持3小时。将烧结后的粉末破碎筛分，与六方氮化硼按质量比7∶3混合均匀。加入市售水玻璃搅拌均匀，水玻璃与粉料按(1.4～1.6)L∶1kg比例加入，将湿料过筛后烘干干燥，按照产品粒度要求筛分即得成品。粒度要求一般为45～315μm，也可根据需要控制更窄的粒度分布，如45～109μm、53～150μm。

所得的封严涂层工作温度为650℃以下，结合强度大于5MPa，HR15Y硬度为40～70。

采用本具体实施方式提供的技术方案制备的可磨耗封严复合粉末及由可磨耗封严复合粉末制备的涂层，其结合强度大于5MPa、HR15Y硬度为30～80，并且工作温度能够达到650℃，完全可以满足航空发动机中温段可磨耗封严的需要，进而提升了发动机的性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种可磨耗封严用复合粉末，其特征在于，包括金属元素和可磨耗组分，所述金属元素为镍和铜，所述可磨耗组分为六方氮化硼、石墨或者六方氮化硼和石墨的组合物；所述铜的含量按重量百分比为10～30%，所述可磨耗组分的含量按重量百分比为20~40%。

2.根据权利要求1所述的可磨耗封严用复合粉末，其特征在于，所述六方氮化硼与石墨的重量比为3:1~1:1。

3.根据权利要求1所述的可磨耗封严用复合粉末，其特征在于，还包括硅酸钠成分，所述硅酸钠含量以SiO₂计占所述可磨耗封严用复合粉末的重量比不超过10%。

4.一种如权利要求1所述的可磨耗封严用复合粉末的制备方法，其特征在于，包括：

将所述可磨耗组分表面包覆镍，形成核壳型复合粉末；

将所述核壳型复合粉末与铜粉进行喷雾干燥制粒；

将通过所述制粒获得的粉末进行烧结；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述包覆包括水热氢还原、化学镀或者羰基镍分解。

6.一种如权利要求1所述的可磨耗封严用复合粉末的制备方法，其特征在于，包括：

将镍粉和铜粉混合均匀后烧结；

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述烧结条件为：保护气氛为氢气或者离解氨气，490~510℃保持2小时，740~760℃保持3小时。

8.一种如权利要求1所述的可磨耗封严用复合粉末的涂层的制备方法，其特征在于，包括：

在所述工件表面喷涂底层；

采用等离子喷涂所述可磨耗封严用复合粉末，喷涂底层与喷涂所述可磨耗封严用复合粉末之间的时间间隔不超过30分钟，其中所述等离子喷涂的参数为：电流强度380~410A，电压45~55V，喷涂距离80~120mm，喷涂角度70~110°，并且喷涂过程中对所述工件采用压缩空气冷却。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述底层为镍铝底层。