CN103774080B - 铝硅氮化硼封严复合粉末材料、涂层及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝硅氮化硼封严复合粉末材料、涂层及制备方法，属于热喷涂材料制备领域。该复合粉末材料由若干团聚包覆型颗粒组成，每个团聚包覆型颗粒以六方氮化硼为核心，铝硅合金粉黏附在核心表面形成包覆层，团聚包覆型粉末材料中按重量计各组成组分含量为：BN：18～22%，Si：7～9%，Al：余量。该铝硅氮化硼封严复合粉末材料由团聚包覆型颗粒组成，团聚包覆型颗粒以六方氮化硼为核心，黏附在所述核心表面铝硅合金粉形成包覆层，具有成分均匀、喷涂适应性好的特点。

Description

铝硅氮化硼封严复合粉末材料、涂层及制备方法

技术领域

本发明涉及热喷涂材料制备领域，特别是涉及一种团聚包覆型铝硅氮化硼封严复合粉末材料、涂层及制备方法。

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。在发动机的制造和运行过程中，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。

铝硅氮化硼复合封严涂层，工作温度不大于450℃，主要用于航空发动机高压压气机前机匣部位封严，在工作条件下具有良好的可磨密封特性。2000年，我国在铝氮化硼复合涂层材料的研制及试生产过程中取得了一定的成功。“十一五”期间，还在此基础上研发出复合型铝氮化硼涂层材料，通过引入硅元素来增强涂层的热强性能。尽管如此，已研制的铝基氮化硼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：现有的铝基氮化硼粉末采用的氮化硼粉末粒径较细（小于10μm），在喷涂时容易烧损和飞散，涂层中可磨耗组分偏低，硬度偏高；采用的原料粉种类多，粒度、比重差异大，团聚复合后复合粉末的成分不均匀，喷涂工艺的适应性不足，涂层组织不均匀，涂层内部及涂层与基体的结合性能不足，易产生局部掉块等现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种铝硅氮化硼封严复合粉末材料、涂层及制备方法，其成分均匀、喷涂适应性好，制备的可磨耗封严涂层具有组织均匀、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。

为解决上述技术问题，本发明提供一种铝硅氮化硼封严复合粉末材料，所述粉末材料由若干团聚包覆型颗粒组成，每个团聚包覆型颗粒以六方氮化硼为核心，铝硅合金粉黏附在所述核心表面形成包覆层，所述团聚包覆型粉末材料中按重量计各组成组分含量为：BN：18～22%，Si：7～9%，Al：余量。

本发明还提供一种本发明所述的铝硅氮化硼封严复合粉末材料的制备方法，包括：

以铝硅合金粉末、六方氮化硼粉末和粘结剂为原料；

所述六方氮化硼粉末采用：将粒径10μm以下的六方氮化硼超细粉末通过团聚、烧结、破碎处理制成的团聚型六方氮化硼粉末；

制备复合粉末：将所述铝硅合金粉末通过所述粘结剂均匀团聚包覆在所述六方氮化硼粉末表面形成若干团聚包覆型颗粒，所述团聚包覆型颗粒组成的粉末材料即为铝硅氮化硼封严复合粉末材料。

本发明进一步提供一种铝硅氮化硼封严复合粉末材料的涂层的制备方法，其特征在于，采用本发明所述的铝硅氮化硼封严复合粉末材料为喷涂材料原料；包括以下步骤：

将工件进行除油、喷砂预处理，将作为喷涂材料的所述铝硅氮化硼封严复合粉末材料进行烘干处理；

在所述工件表面喷涂底层；

采用等离子喷涂向所述工件表面的底层上喷涂所述铝硅氮化硼封严复合粉末材料，在所述底层上形成可磨耗封严用涂层。

本发明的有益效果为：该铝硅氮化硼封严复合粉末材料由团聚包覆型颗粒组成，团聚包覆型颗粒以六方氮化硼为核心，黏附在所述核心表面铝硅合金粉形成包覆层，具有成分均匀、喷涂适应性好的特点；利用该铝硅氮化硼封严复合粉末材料，可采用等离子喷涂工艺制备封严涂层，具有更高结合强度，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

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的铝硅合金粉末的形貌图；

图2为本发明实施例提供的团聚型六方氮化硼粉末的形貌图；

图3为本发明实施例提供的团聚包覆型铝硅氮化硼粉末颗粒形貌图；

图4为本发明实施例提供的等离子喷涂的铝硅氮化硼涂层的金相组织形貌图；

图5为现有技术的等离子喷涂的原铝基氮化硼涂层的金相组织形貌图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种铝硅氮化硼封严复合粉末材料，粉末材料由若干团聚包覆型颗粒组成，每个团聚包覆型颗粒以六方氮化硼为核心，铝硅合金粉黏附在核心表面形成包覆层，团聚包覆型粉末材料中按重量计各组成组分含量为：BN：18～22%，Si：7～9%，Al：余量。

本发明实施例还提供一种上述的铝硅氮化硼封严复合粉末材料的制备方法，包括：

以铝硅合金粉末、六方氮化硼粉末和粘结剂为原料；

六方氮化硼粉末采用：将粒径10μm以下的六方氮化硼超细粉末通过团聚、烧结、破碎处理制成的团聚型六方氮化硼粉末；

制备复合粉末：将铝硅合金粉末通过粘结剂均匀团聚包覆在六方氮化硼粉末表面形成若干团聚包覆型颗粒，团聚包覆型颗粒组成的粉末材料即为铝硅氮化硼封严复合粉末材料。

上述方法中，由于六方氮化硼粉末通过胶粘团聚-真空氮气保护烧结-机械破碎的方法制取，团聚型氮化硼粉末粒径较大（74～177μm）、致密度高、颗粒强度较高，具有在复合粉末制备中不会因外力而溃散和热喷涂过程中不易飞散和烧损的特点。

上述制备方法中，以重量百分数计各组分用量为：六方氮化硼粉末为15～20wt%，固化后的粘结剂为6～12wt%，其余为铝硅合金粉末；

具体制备步骤如下：

制备铝硅合金粉末：在真空感应熔炼炉中加入铝锭和硅锭，通过真空惰气雾化工艺制取铝硅合金粉末。

制备六方氮化硼粉末：将粒径10μm以下的六方氮化硼超细粉末通过团聚、烧结、破碎处理制得团聚型六方氮化硼粉末（如图2所示）；具体是以粒径10μm以下的六方氮化硼超细粉末为原料，通过胶粘团聚、放入真空烧结炉在真空或N2保护气氛下烧结、通过机械方法破碎至所需粒径范围的工艺过程制取团聚型六方氮化硼粉末；

制备颗粒：在搅拌设备中加入铝硅合金粉末和团聚型六方氮化硼粉末进行搅拌，待搅拌均匀后加入占总原料重量20～40%的液态粘结剂，继续进行均匀搅拌至粉末成颗粒，使形成的颗粒干燥，进行筛分即得到铝硅氮化硼复合粉末材料。

上述制备方法，铝硅合金粉末呈球形（如图1所示），主粒径区间为1～20μm，由以下按重量计成分组成：Si含量为10～14%，Al含量为余量，其它杂质含量小于等于1%，氧含量小于等于0.07wt%。该铝硅合金粉末具有杂质含量低的特点（氧：≤0.07wt%），比表面积大且表面粗糙，有利于多元组分之间的复合，达到最佳团聚效果。

上述制备方法，六方氮化硼粉末的主粒径区间为74～177μm。

上述制备方法，粘结剂由纯丙乳液和去离子水组成，纯丙乳液与去离子水的重量分数比为3～6：2～5。

上述制备方法，筛分采用机械振动筛，其筛分目数为：60～80目。

本发明的团聚包覆型铝硅氮化硼封严复合粉末材料，铝硅合金粉末和六方氮化硼粉末是通过粘结剂均匀团聚在一起的，形成团聚包覆型颗粒（见图3所示），其成分均匀、喷涂适应性好，适用于热喷涂用，克服了现有技术的不足，利用该铝硅氮化硼封严复合粉末材料制备涂层具有组织均匀、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。

该团聚包覆型铝硅氮化硼封严复合粉末材料具有以下特点：

（1）通过预先制备团聚型大粒径六方氮化硼粉末作为复合粉末的组分之一来减少在喷涂过程中氮化硼的飞散和烧损，从而提高涂层中的氮化硼含量以提高涂层的可磨耗性能；

（2）通过采用细粒径、低杂质含量铝硅合金粉末包覆六方氮化硼核心的复合粉末结构设计来进一步保护氮化硼组分在喷涂焰流中不被烧损，同时使涂层易于形成铝硅合金骨架中均匀分布大颗粒氮化硼的蜂窝状结构，在保证涂层优异可磨耗性能的同时提高涂层的结合性能；

（3）通过采用一种有机乳胶粘结剂在氮化硼粉末颗粒表面形成一层包覆胶膜，将铝硅合金粉末颗粒均匀的黏附在氮化硼颗粒表面形成成分均匀的铝硅氮化硼团聚包覆型颗粒，同时进一步降低热喷涂涂层的表面硬度。

本发明实施例进一步提供一种铝硅氮化硼封严复合粉末材料的涂层的制备方法，采用本发明的铝硅氮化硼封严复合粉末材料为喷涂材料原料；包括以下步骤：

将工件进行除油、喷砂预处理，将作为喷涂材料的铝硅氮化硼封严复合粉末材料进行烘干处理；

在工件表面喷涂底层，底层可采用镍铝底层；

采用等离子喷涂向工件表面的底层上喷涂铝硅氮化硼封严复合粉末材料，在底层上形成可磨耗封严用涂层，其中，喷涂底层与喷涂可磨耗封严用涂层之间的时间间隔不超过30分钟；等离子喷涂的参数为：电流强度380～410A，电压65～75V，喷涂距离100～140mm，喷涂角度70～110°，并且喷涂过程中对工件采用压缩空气冷却。

上述涂层制备方法通过优化的等离子喷涂工艺制备组织均匀、性能优异的铝硅氮化硼复合封严涂层（形成的涂层参见图4所示，现有技术的铝硅氮化硼复合封严涂层形貌如图5所示）。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明

实施例

取原材料：Al：87～89wt%，Si：11～13wt%；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，利用氩气雾化，获得铝硅合金粉末；

采用气氛保护固相烧结法制备大颗粒六方氮化硼，所用原材料为5～8μm六方氮化硼超细粉末；固相烧结是一种常规粉末冶金技术，目的在于使材料在高温下发生粒子间固相扩散，此处为了获得致密的氮化硼烧结体；烧结工艺参数为：温度2000～2300℃，烧结时间8～12h，真空或氮气保护气氛下烧结；烧结前应预先采用胶粘团聚工艺将超细氮化硼粉末进行团聚，所用粘结剂为醇酸清漆；烧结后采用机械破碎的方法将氮化硼烧结体破碎至所需粒径范围，一般为74～177μm；

将铝硅合金粉末和团聚型六方氮化硼粉末按质量比72：20进行搅拌混合，待搅拌均匀后加入总原料重量20～40%的液态粘结剂，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，粒度要求一般为45～250μm，即得到铝硅氮化硼封严复合粉末材料。

将制得的复合粉末采用等离子喷涂，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、在工件表面喷涂镍铝底层；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65～75V，喷涂距离100～140mm，喷涂角度70～110°，喷涂过程中工件用压缩空气冷却。

所得的封严涂层工作温度为450℃以下，结合强度≥6MPa，HR15Y硬度为45～70。

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披露的技术范围内，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 (9)

1.一种铝硅氮化硼封严复合粉末材料，其特征在于，所述粉末材料由若干团聚包覆型颗粒组成，每个团聚包覆型颗粒以六方氮化硼为核心，所述六方氮化硼采用：将粒径10μm以下的六方氮化硼超细粉末通过团聚、烧结、破碎处理制成的团聚型六方氮化硼粉末，铝硅合金粉黏附在所述核心表面形成包覆层，所述团聚包覆型粉末材料中按重量计各组成组分含量为：BN：18～22％，Si：7～9％，Al：余量。

2.一种权利要求1所述的铝硅氮化硼封严复合粉末材料的制备方法，其特征在于，包括：

以铝硅合金粉末、六方氮化硼粉末和粘结剂为原料；

所述六方氮化硼粉末采用：将粒径10μm以下的六方氮化硼超细粉末通过团聚、烧结、破碎处理制成的团聚型六方氮化硼粉末；

所述粘结剂采用由纯丙乳液和去离子水组成的液态粘结剂，所述纯丙乳液与去离子水的重量分数比为3～6：2～5；

制备复合粉末：将所述铝硅合金粉末通过所述粘结剂均匀团聚包覆在所述六方氮化硼粉末表面形成若干团聚包覆型颗粒，所述团聚包覆型颗粒组成的粉末材料即为铝硅氮化硼封严复合粉末材料。

3.根据权利要求2所述的铝硅氮化硼封严复合粉末材料的制备方法，其特征在于，所述方法中，以重量百分数计各组分用量为：六方氮化硼粉末为15～20wt％，固化后的粘结剂为6～12wt％，其余为铝硅合金粉末；

所述铝硅合金粉末采用：在真空感应熔炼炉中加入铝锭和硅锭，通过真空惰气雾化工艺制成的铝硅合金粉末；

所述制备复合粉末包括：在搅拌设备中加入所述铝硅合金粉末和所述团聚型六方氮化硼粉末进行搅拌，待搅拌均匀后加入占原料总重量20～40％的液态粘结剂，继续进行均匀搅拌至粉末成团聚包覆型颗粒，使形成的团聚包覆型颗粒干燥，进行筛分即得到铝硅氮化硼复合粉末材料。

4.根据权利要求2或3所述的铝硅氮化硼封严复合粉末材料的制备方法，其特征在于，所述铝硅合金粉末呈球形，主粒径区间为1～20μm，由以下按重量计成分组成：Si含量为10～14％，余量为Al，其它杂质含量小于等于1％，氧含量小于等于0.07wt％。

5.根据权利要求2或3所述的铝硅氮化硼复合粉末材料的制备方法，其特征在于，所述六方氮化硼粉末的主粒径区间为74～177μm。

6.根据权利要求3所述的铝硅氮化硼封严复合粉末材料的制备方法，其特征在于，所述筛分采用机械振动筛，其筛分目数为60～80目。

7.一种铝硅氮化硼封严复合粉末材料的涂层的制备方法，其特征在于，采用权利要求1所述的铝硅氮化硼封严复合粉末材料为喷涂材料原料；包括以下步骤：

将工件进行除油、喷砂预处理，将作为喷涂材料的所述铝硅氮化硼封严复合粉末材料进行烘干处理；

在所述工件表面喷涂底层；

采用等离子喷涂向所述工件表面的底层上喷涂所述铝硅氮化硼封严复合粉末材料，在所述底层上形成可磨耗封严用涂层。

8.根据权利要求7所述的铝硅氮化硼封严复合粉末材料的涂层的制备方法，喷涂底层与喷涂所述可磨耗封严用涂层之间的时间间隔不超过30分钟；

所述等离子喷涂的参数为：电流强度380～410A，电压65～75V，喷涂距离100～140mm，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7所述的铝硅氮化硼封严复合粉末材料的涂层的制备方法，其特征在于，所述底层为镍铝底层。