CN103722170A - 团聚型铜铝镍石墨封严复合粉末材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种团聚型铜铝镍石墨封严复合粉末材料。它由以下组分（按重量）组成：Cu：45～76%，Al：1.5～8%，Ni：10～37.5%，Fe：≤1.6%，C为余量。其制备方法包括以下步骤：首先制备铜铝合金粉末中间料，后制备镍包石墨粉末中间料，最后将上述铜铝合金粉末与镍包石墨粉末中间料，通过团聚粘合工艺制取铜铝镍石墨复合粉末材料。本发明制取的团聚型铜铝镍石墨复合粉末具有成分均匀、喷涂适应性好的特点，采用火焰喷涂工艺制备的团聚型铜铝镍石墨涂层结合强度更高，可磨耗和热稳定性能更加优异，应用在发动机的压气机部件上可以取得很好的密封效果，此涂层的工作温度小于550℃。

Description

团聚型铜铝镍石墨封严复合粉末材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及热喷涂用可磨耗间隙控制涂层及其材料制备技术领域，特别是这种涂层的应用温度最高可达550℃的一种团聚型可磨耗封严复合粉末材料及制备方法。

背景技术

随着航空工业的日益发展，对航空发动机提出了越来越高的要求。目前，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性能的主要方法。据资料报道，在一台高压涡轮机内，间隙每减少0.13～0.25mm，油耗就能减少0.5～1.0%，发动机的效率就能提高2%左右。在发动机的和运行过程中，实际上无法使间隙控制为零，因此航空发动机设计和制造时在叶尖与机匣之间要预留2～3mm的间隙。过大的间隙必将使气体大量泄漏，导致发动机效率降低，而封严材料将有助于将间隙减小到最低程度（易茂龙等，航空工艺技术，1998:3）。封严涂层主要应用于航空发动机封严圈、盘（与蜂窝或可刮削涂层配合），具有动态密封作用，可提高发动机的功率和效率。

铜铝镍石墨复合封严涂层，工作温度不大于550℃，主要用于航空发动机高压压气机机匣部位封严，在工作条件下具有良好的可磨密封特性。“八五”期间，我国在铜铝镍石墨复合涂层材料的研制及试生产过程中取得了一定的成功。尽管如此，原研制的铜铝镍石墨粉末仍在满足喷涂工艺及涂层组织性能的进一步要求方面暴露出不足。这主要体现在：原研制的铜铝镍石墨粉末采用的镍包石墨粉末石墨含量较低，包覆不完整，可磨耗组分偏低，硬度偏高，采用的铜铝复合粉超细铝粉表面活性高，粉末氧化物杂质含量多，涂层内部及涂层与基体的结合性能不足，采用简单的机械混合方法制备，粉末成分不均匀，喷涂工艺的适应性不足，涂层组织不均匀，易产生局部掉块等现象。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种成分均匀、流动性好的热喷涂用团聚型铜铝镍石墨封严复合粉末材料及制备方法，该涂层具有组织均匀、结合强度高、抗冲蚀性能、可磨耗性能和热稳定性能优异的特点。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料，其特征在于，所述粉末是铜铝合金粉和镍包石墨复合粉通过团聚工艺获得的复合粉末，按重量计各组分含量为：Cu：45～76%，Al：1.5～8%，Ni：10～37.5%，Fe：≤1.6%，C为余量。

在一些实施方案中，所述的铜铝合金粉末通过粘结剂与镍包石墨粉末形成均匀团聚颗粒。

在一些实施方案中，通过粘接剂形成团聚颗粒时，所述铜铝合金粉末占50～80wt%，粘接剂占1～5wt%，其余为镍包石墨。

在一些实施方案中，所述团聚颗粒粉末为筛分去除粒径大于80～120目和粒径小于300～360目后的产物。

在一些实施方案中，所述粘结剂，由醇酸清漆、丙酮组成，重量比为2～5∶8～12。

在一些实施方案中，所述铜、铝、铁元素以铜铝合金粉末方式加入。

在一些实施方案中，所述铜铝合金粉末，通过真空雾化工艺制取，并增加了微量元素铁，有明显的细化晶粒增加β相稳定性，合金粉末呈球形，铜含量为90～95%，铁含量≤2%，氧含量≤0.045wt%，其余的为Al和附带的杂质，粒径25～75μm。

在一些实施方案中，所述镍、碳元素以镍包石墨复合粉末方式加入。

在一些实施方案中，所述镍包石墨复合粉末，通过水热氢还原或化学镀方法制取，由石墨核心和Ni壳组成，其中镍含量为50～75wt%。

本发明的另一目的是提供一种团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在真空感应熔炼炉中加入铜板、铝锭和铁剂，通过真空雾化或惰性气体雾化工艺制取铜铝合金粉末；

（2）通过水热氢还原法或化学镀法制取镍包石墨粉末；

（3）在搅拌设备中加入铜铝合金粉末和镍包石墨粉末进行搅拌，待搅拌均匀后加入总原料重量1～5%的粘结剂，继续进行均匀搅拌至粉末成粒，然后使粉末干燥，进行筛分得到团聚型铜铝镍石墨粉末。

可磨耗封严涂层材料需要在涂层结合性能和可磨耗性能之间平衡，涂层结合性能过低容易发生涂层掉块等不良现象，涂层结合性能过高容易导致涂层硬度高、可磨耗性能差。本发明的发明人经过不懈努力，在原有铜铝镍石墨混合型复合粉末基础上，创造性地在铜铝合金粉中加入微量铁元素，在不改变铜铝合金的主要成分和性能前提下，形成明显的细化晶粒，具有增加β相稳定性的效果，可以提高涂层结合性能；在优化铜铝合金性能提高涂层结合性能基础上，可以提供可磨耗组分石墨的含量，显著提高可磨耗性能；将原混合型粉末优化为团聚性粉末，可以改善粉末组分均匀性，避免储存、运输过程中导致成分偏析，还可以提高粉末流动性，进而改善热喷涂工艺性。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）通过制备含微量铁元素的铜铝合金粉，有明显的细化晶粒，增加β相稳定性的效果，以提高涂层的结合性能；

（2）在添加含微量铁元素优化铜铝合金粉性能，进而提高涂层结合性能基础上，可以提高镍包石墨中石墨含量以提高涂层的可磨耗性能；

（3）在混合均匀的铜铝合金粉末颗粒和镍包石墨粉末颗粒之间部分或全部充满粘结剂，形成成分均匀的铜铝镍石墨团聚型颗粒，提高了产品粉末成分均匀和流动性以及热喷涂工艺性。

本发明与原铜铝镍石墨复合粉末相比，制取的团聚型铜铝镍石墨复合粉末具有成分均匀、喷涂适应性好的特点，采用火焰喷涂工艺制备的团聚型铜铝镍石墨涂层结合强度更高，可磨耗和热稳定性能更加优异，应用在发动机的压气机部件上可以取得很好的密封效果。

附图说明

图1为铜铝合金粉末的形貌；

图2为镍包石墨复合粉末的形貌；

图3为团聚型铜铝镍石墨粉末颗粒形貌；

图4为火焰喷涂的团聚型铜铝镍石墨涂层的金相组织形貌；

图5为火焰喷涂的原铜铝镍石墨涂层的金相组织形貌。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步说明。

取金属原材料，放入真空雾化设备中，利用中频感应加热，待合金液均匀化后，利用氩气或氮气雾化，获得铜铝合金粉末，如图1所示。

采用水热氢还原方法制备镍包石墨，如图2所示。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、氨水按比例配成反应溶液，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。

将铜铝合金粉末和镍包石墨粉末进行搅拌混合，待搅拌均匀后加入总原料重量1～5%的粘结剂，继续进行均匀搅拌至粉末成粒，将湿料过筛后烘干干燥，按照产品粒度要求筛分即得成品，如图3所示。粒度要求一般为45～150μm。

将制得的复合粉末火焰喷涂，即可得到可磨耗封严涂层，涂层金相组织形貌如图4所示。

将原铜铝镍石墨混合性粉末火焰喷涂，涂层金相组织形貌如图5所示。对比图4和图5可以看出，本发明涂层均匀性明显改善。

本发明所得的封严涂层工作温度为550℃以下，结合强度≥5MPa，HR15Y硬度为40～70。

Claims (10)

1.一种团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料，其特征在于，所述粉末是铜铝合金粉和镍包石墨的团聚颗粒粉末，按重量计各组分含量为：Cu：45～76%，Al：1.5～8%，Ni：10～37.5%，Fe：≤1.6%，C为余量。

2.根据权利要求1所述的团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料，其特征在于，所述铜、铝、铁元素以铜铝合金粉末方式加入。

3.根据权利要求1所述的团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料，其特征在于，所述镍、碳元素以镍包石墨复合粉末方式加入。

4.根据权利要求1所述的团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料，其特征在于，所述的铜铝合金粉末通过粘结剂与镍包石墨粉末形成均匀团聚颗粒。

5.根据权利要求1所述的团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料，其特征在于，所述铜铝合金粉末，通过真空雾化工艺制取，并增加了微量元素铁，有明显的细化晶粒增加β相稳定性，合金粉末呈球形，铜含量为90～95wt%，铁含量≤2wt%，氧含量≤0.045wt%，其余的为Al和附带的杂质，粒径25～75μm。

6.根据权利要求1所述的团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料，其特征在于，所述镍包石墨粉末，通过水热氢还原或化学镀方法制取，其中镍含量为50～75wt%。

7.根据权利要求4所述的团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料，其特征在于，通过粘接剂形成团聚颗粒时，所述铜铝合金粉末占50～80wt%，粘接剂占1～5wt%，其余为镍包石墨。

8.根据权利要求4所述的团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料，其特征在于，所述粘结剂，由醇酸清漆、丙酮组成，重量比为2～5∶8～12。

9.根据权利要求1所述的团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料，其特征在于，所述团聚颗粒粉末为筛分去除粒径大于80～120目和粒径小于300～360目后的产物。

10.根据权利要求1-9任一权利要求所述的团聚型铜铝镍石墨复合粉末材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在真空感应熔炼炉中加入铜板、铝锭和铁剂，通过真空雾化或惰性气体雾化工艺制取铜铝合金粉末；

（2）通过水热氢还原法或化学镀法制取镍包石墨粉末；

（3）在搅拌设备中加入铜铝合金粉末和镍包石墨粉末进行搅拌，待搅拌均匀后加入总原料重量1～5%的粘结剂，继续进行均匀搅拌至粉末成粒，然后使粉末干燥，进行筛分得到团聚型铜铝镍石墨粉末。

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