CN102787290A

CN102787290A - 一种高温可磨耗封严涂层的制备方法

Info

Publication number: CN102787290A
Application number: CN2012102080571A
Authority: CN
Inventors: 崔永静; 汤智慧; 王长亮; 郭孟秋
Original assignee: BEIJING INSTITUTE OF AERONAUTICAL MATERIALS CHINA AVIATION INDUSTRY GROUP Corp
Current assignee: BEIJING INSTITUTE OF AERONAUTICAL MATERIALS CHINA AVIATION INDUSTRY GROUP Corp
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-06-19
Also published as: CN102787290B

Abstract

本发明属于高温表面防护技术，具体涉及一种高温可磨耗封严涂层的制备方法。高温可磨耗封严涂层包含粘结底层、阻氧层、隔热层及可磨耗面层，可磨耗面层由ZrO₂、聚酯、hBN组成，其中重量百分比为其中重量百分比为：ZrO₂80%~95%，聚酯5%~15%,hBN 0.5%~5%，采用高能球磨法制备喷涂粉末待用；在对零件表面喷涂前，对工件表面进行吹砂预处理，然后，采用热喷涂工艺分别制备各层。涂层沉积效率高、成本低。同时涂层具有较高的隔热性能、抗氧化性能及可磨耗性能，涂层1150℃热循环寿命达到150次以上，1150℃热冲击寿命达到1000次以上，该结构可磨耗封严涂层的使用温度可达1200℃。

Description

一种高温可磨耗封严涂层的制备方法

技术领域

本发明属于高温表面防护技术，具体涉及一种高温可磨耗封严涂层的制备方法。

背景技术

随着航空工业的日益发展，对航空发动机性能提出了越来越高的要求。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了提高发动机效率和功率输出的关键技术之一。经过数十年的发展，目前国内外已经形成了较完备的封严涂层材料体系，在350～650℃的低温可磨耗封严涂层材料以AISi-聚苯脂、AISi-石墨、Ni-石墨为代表；在650～900℃的中温可磨耗封严涂层材料以NiCrAlY-BN/聚酯、NiCr-硅藻土、Ni-硅藻土为代表；在1000℃以上的高温可磨耗封严涂层材料较少，目前以YSZ-hBN-PE、HfO₂-(Y,Nb,Yb)₂O₃-hBN-PE等为代表。随着发动机进口温度的提高，具有更高使用温度的高温可磨耗封严涂层体系成为研究的热点。

目前，国外已经公开了多种高温可磨耗涂层材料，有些如SM2395、SM2460、Durabrade 2192等已实现商品化。可磨耗涂层的寿命和可磨耗性是可磨耗涂层体系的关键，粘结层的氧化与组分热物性能的差异是造成可磨耗层寿命降低的关键，而涂层与基体的结合力、面层材料的高温稳定性及可磨耗面的层孔隙率是影响涂层可磨耗性的关键。目前使用的可磨耗封严涂层体系一般由粘结底层和可磨耗面层组成。长期高温服役过程中，由于粘结层金属氧化及涂层性能的不连续变化引起应力集中，从而导致涂层沿着热生长氧化物层（TGO）层内部或TGO与粘结层或可磨耗层的界面断裂而失效。另外使用过程中，涂层表面易于发生被动刮削，这就要求涂层与基体有较高的结合强度。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够降低粘结层的氧化速率、缓和各组分的性能差异、具有较高结合强度的高温可磨耗封严涂层的制备方法。本发明的技术解决方案是，高温可磨耗封严涂层包含粘结底层、阻氧层、隔热层及可磨耗面层，可磨耗面层由ZrO₂、聚酯、hBN组成，其中重量百分比为：ZrO₂ 80%～95%，聚酯5%～15%,hBN0.5%～5%，采用高能球磨法制备喷涂粉末待用；在对零件表面喷涂前，对工件表面进行吹砂预处理，然后，采用热喷涂工艺分别制备各涂层，（1）制备粘结底层，采用MCrAlY粉末或NiAl粉末，粉末粒径为15μm～89μm，（2）制备阻氧层，采用氧化铝粉末，粒径为10μm～89μm，喷涂厚度为5～50μm，（3）制备隔热层，采用空心球形YSZ粉末，粒径为10μm～89μm，（4）制备可磨耗面层，可磨耗面层的粉末的粒径为5μm～74μm，喷涂厚度为200～3000μm，孔隙率不低于30%。

所述的粘结底层和阻氧层采用爆炸喷涂制备，其中粘结底层MCrAlY粉末或NiAl粉末，粒径为15μm～89μm，燃料充枪量为10%～40%，氧燃比为1.0～1.60；阻氧层采用氧化铝粉末，粒径为10μm～89μm，燃料充枪量为50%～76%，氧燃比为1.60～2.50。

所述的粘结底层和阻氧层利用爆炸喷涂技术制备，采用双路送粉系统、其中第一路送粉

系统预装粘结底层MCrAlY粉末或NiAl粉末，粒径为15μm～89μm，燃料充枪量为燃料充枪量为10%～40%，氧燃比为1.0～1.60；第二路送粉系统预装阻氧层采用氧化铝粉末，粒径为10μm～89μm，燃料充枪量为50%～76%，氧燃比为1.20～2.50，调整第一路送粉系统与第二路送粉系统的喷枪点数的比例，第一路送粉系统与第二路送粉系统同时进行喷涂，其中第一路送粉系统的喷枪点数为

第二路送粉系统的喷枪点数为

式中N为总喷涂层数，n为当前喷涂层数，P为单层喷枪点数，斑点搭接率不低于30%，喷枪速度4～10次/秒。

所述的隔热层及可磨耗面层采用等离子喷涂，工艺参数为：电流500A～800A，电压60V～80V，送粉速度30g/min～60g/min，其中可磨耗面层的孔隙率不低于30%。

所述MCrAlY粉末和NiAl粉末中添加Pt或稀土元素。

所述可磨耗面层中的ZrO2中添加稀土氧化物，ZrO2的质量百分数不低于50%。

本发明具有的优点和有益效果，该涂层具有粘结层/阻氧层/隔热层/可磨耗层的结构，采用热喷涂技术制备该涂层，涂层沉积效率高、成本低。同时涂层具有较高的隔热性能、抗氧化性能及可磨耗性能，涂层1150℃热循环寿命达到150次以上，1150℃热冲击寿命达到1000次以上，可被未经特殊处理的叶片磨出间隙，该结构可磨耗封严涂层的使用温度可达1200℃。

采用爆炸喷涂制备粘结底层和阻氧层，获得的梯度组织致密、均匀，各组分成梯度分布，缓解了各组分的热应力，涂层结合强度达到40MPa以上；爆炸喷涂阻氧层获得氧化铝涂层结构致密，有效降低了金属粘结层的氧化速率，显著提高了涂层结合强度和热冲击寿命。

本发明提供了一种高温可磨耗封严涂层面层材料的制备方法，该材料由ZrO₂ 或稀土氧

化物掺杂ZrO₂、聚酯、hBN组成。采用高能球磨法制备该喷涂粉末，易于实现涂层成分和孔隙率控制，降低涂层制备成本。

具体实施方式

以下叙述并不限制本发明。

本发明的技术解决方案是，高温可磨耗封严涂层包含粘结底层2、阻氧层3、隔热层4及可磨耗面层5，采用爆炸喷涂制备粘结底层2、阻氧层3的具体步骤为：在对基体1表面喷涂前，对工件表面进行吹砂预处理：采用40目～100目的石英砂或刚玉砂，在0.4MPa～0.6MPa的压力下进行吹砂，再用丙酮清洗或压缩气体将工件表面残余砂粒清除后，进行热喷涂制备涂层。采用爆炸喷涂制备粘结底层和阻氧层，其中粘结底层M（M：Ni，Co或Ni+Co）CrAlY粉末或Ni（Pt，稀土元素）Al粉末，粒径为15μm～89μm，燃料充枪量为10%～40%，氧燃比为1.0～1.60，其中燃料充枪量是指氧气和燃气进气量与枪膛的体积百分比，当然也可采用氧气和燃气的进气时间或进气量来表示；阻氧层采用氧化铝粉末，粒径为10μm～89μm，燃料充枪量为50%～76%，氧燃比为1.20～2.50，喷涂厚度为5～50μm；

所述的粘结底层和阻氧层利用爆炸喷涂技术制备，采用双路送粉系统、其中第一路送粉系统预装粘结底层MCrAlY粉末或NiAl粉末，粒径为15μm～89μm，燃料充枪量为10%～40%；第二路送粉系统预装阻氧层采用氧化铝粉末，粒径为10μm～89μm，燃料充枪量为50%～76%，调整第一路送粉系统与第二路送粉系统的喷枪点数的比例，第一路送粉系统与第二路送粉系统同时进行喷涂，其中第一路送粉系统的喷枪点数为

第二路送粉系统的喷枪点数为

采用等离子喷涂工艺制备隔热层和可磨耗面层，其中隔热层采用空心球形YSZ粉末，粒径为10μm～89μm；可磨耗面层材料由ZrO₂、聚酯、hBN组成，其中重量百分比为：ZrO₂ 80%～95%，聚酯5%～15%，hBN 0.5%～5%，采用高能球磨法制备喷涂粉末，球磨参数为球磨时间12h～24h，研磨介质为Ф8陶瓷球，磨耗面层的粉末的粒径为5μm～74μm；采用等离子喷涂工艺制备可磨耗面层，喷涂工艺参数为：电流500A～800A，电压60V～80V，送粉速度30g/min～60g/min，喷涂厚度为200～3000μm，孔隙率不低于30%。

本发明一种高温可磨耗封严涂层的结构和制备方法中，喷涂前需对工件表面进行吹砂预处理；采用市售M（M：Ni，Co或Ni+Co）CrAlY粉末或β-Ni（Pt，稀土元素）Al粉末作为粘结层材料，市售氧化铝粉末作为阻氧层材料，采用空心球形YSZ粉末作为隔热层材料，市售或自制可磨耗喷涂粉末作为可磨耗面层材料。采用OB爆炸喷涂设备（俄罗斯）喷涂梯度结构粘结层和阻氧层，采用Sulzer Metco 9M等离子喷涂设备(美国)制备隔热层和可磨耗面层。

实施例1

基体采用Ni基单晶高温合金，喷涂前对基体表面进行吹砂预处理：采用60目的刚玉砂，在0.4MPa的压力下进行吹砂，再用丙酮清洗或压缩气体将工件表面残余砂粒清除后，再进行表面涂层制备。

采用市售的球形NiCoCrAlYTa粉末（A组分）和氧化铝粉末（B组分），粒径分别为30μm～60μm，15μm～45μm；将NiCoCrAlY粉末和氧化铝粉末分别装入两个送粉器，以乙炔和氧气为燃气，通过调整喷枪程序A组分燃料充枪率为20%，氧燃比为1.06，B组分燃料充枪率为70%，氧燃比为1.60，斑点搭接率40%，喷枪速度4次/秒，通过调整两程序喷枪点数的比例，总喷涂层数为20层，n为当前喷涂层数，单层喷枪点数为15点，A组分各层喷涂点数为

B组分各层喷涂点数为5n，实现两组分涂层在涂层中的梯度分布，粘结层厚度100μm，阻氧层厚度10μm。

隔热层采用市售的空心球形YSZ粉末，粒径为15μm～45μm；可磨耗面层采用市售Sulzer-Metco公司生产的Durabrade 2192喷涂粉末，利用等离子喷涂工艺制备隔热层和可磨耗面层，喷涂工艺参数为：电流550A，电压70V，送粉速度48g/min。面层孔隙率为32%，面层厚度为300μm。

采用该方法制备的可磨耗涂层，热导率为0.006-0.012W／(cm·K)，1200℃热循环寿命大于150次，面层硬度HR15Y<95。

实施例2

采用市售的球形NiCoCrAlYHf粉末（A组分）和氧化铝粉末（B组分），粒径分别为30μm～60μm，15μm～45μm；将NiCoCrAlYHf粉末和氧化铝粉末分别装入两个送粉器，以乙炔和氧气为燃气，通过调整喷枪程序A组分燃料充枪率为25%，氧燃比为1.20，B组分燃料充枪率为60%，氧燃比为2..00，斑点搭接率40%，喷枪速度4次/秒，通过调整两程序喷枪点数的比例，可以实现两组分涂层在涂层中的梯度分布，粘结层厚度120μm，阻氧层厚度10μm。

采用市售的空心球形YSZ粉末，粒径为15μm～45μm。采用等离子喷涂工艺制备隔热层，喷涂工艺参数为：电流600A，电压75V，送粉速度48g/min，在阻氧层的基础上喷涂隔热层，隔热层封闭气孔率为14.5%，隔热层厚度为120μm。

采购市售YSZ粉末、聚酯粉末和hBN粉末，粒度分别为5μm～30μm，10μm～40μm，5μm～10μm；采用高能球磨法制备复合粉末，球磨时间12h，球磨介质为Ф8陶瓷球。利用等离子喷涂工艺制备具有可磨耗面层涂层，喷涂工艺参数为：电流600A，电压75V，送粉速度48g/min，面层孔隙率为35%，面层厚度为320μm。

采用该方法制备的可磨耗涂层，热导率为0.008-0.012W／(cm·K)，1150℃热循环寿命大于150次。

Claims

1.一种高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征在于：高温可磨耗封严涂层包含粘结底层、阻氧层、隔热层及可磨耗面层，可磨耗面层由ZrO₂、聚酯、hBN组成，其中重量百分比为：ZrO₂80%~95%，聚酯5%~15%,hBN 0.5%~5%，采用高能球磨法制备喷涂粉末待用；在对零件表面喷涂前，对工件表面进行吹砂预处理，然后，采用热喷涂工艺分别制备各层，（1）制备粘结底层，采用MCrAlY粉末或NiAl粉末，粉末粒径为15μm~89μm，（2）制备阻氧层，采用氧化铝粉末，粒径为10μm~89μm，喷涂厚度为5~50μm，（3）制备隔热层，采用空心球形YSZ粉末，粒径为10μm~89μm，（4）制备可磨耗面层，可磨耗面层的粉末的粒径为5μm~74μm，喷涂厚度为200~3000μm，孔隙率不低于30%。

2.根据权利要求1所述的一种高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征是，所述的粘结底层和阻氧层采用爆炸喷涂制备，其中粘结底层MCrAlY粉末或NiAl粉末，粒径为15μm~89μm，燃料充枪量为10%~40%，氧燃比为1.0~1.60；阻氧层采用氧化铝粉末，粒径为10μm~89μm，燃料充枪量为50%~76%，氧燃比为1.20~2.50。

3.根据权利要求1或2所述的一种高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征是，所述的粘结底层和阻氧层利用爆炸喷涂技术制备，采用双路送粉系统、其中第一路送粉系统预装粘结底层MCrAlY粉末或NiAl粉末，粒径为15μm~89μm，燃料充枪量为10%~40%；第二路送粉系统预装阻氧层采用氧化铝粉末，粒径为10μm~89μm，燃料充枪量为50%~76%，调整第一路送粉系统与第二路送粉系统的喷枪点数的比例，第一路送粉系统与第二路送粉系统同时进行喷涂，其中第一路送粉系统的喷枪点数为

第二路送粉系统的喷枪点数为

式中N为总喷涂层数，n为当前喷涂层数，P为单层喷枪点数，斑点搭接率不低于30%，喷枪速度4~10次/秒。

4.根据权利要求1所述的一种高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征是，所述的隔热层及可磨耗面层采用等离子喷涂，工艺参数为：电流500A~800A，电压60V~80V，送粉速度30g/min~60g/min，其中可磨耗面层的孔隙率不低于30%。

5.根据权利要求1所述的一种高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征是，所述MCrAlY粉末和NiAl粉末中添加Pt或稀土元素。

6.根据权利要求1所述的一种高温可磨耗封严涂层的制备方法，其特征是，所述可磨耗面层中的ZrO₂中添加稀土氧化物，ZrO₂的质量百分数不低于50%。