CN103911577B - 一种聚苯酯硅铝可磨损封严涂层复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属加工和材料领域，公开了一种封严涂层复合材料，粒径为120～160μm，其结构自内向外依次为粒径50～80μm的聚苯酯微球、厚度为10～30nm的二氧化硅薄膜和铝粉层。无需先制备硅铝合金，直接在聚苯酯微球表面分别形成二氧化硅薄膜和铝粉层。使用时通过等离子喷涂法使之附着于基体表面，聚苯酯作为起润滑作用、抗磨的非金属相，铝作为金属相，用于同基体材料结合，二氧化硅薄膜在喷涂过程中保护聚苯酯不被烧损。喷涂时的聚苯酯烧损率低于1%；与金属基材的结合力psi达1000～1400，沉积效率50%～65%，显微硬度HV110～160，完全可以达到Metco601的标准，制备工艺简单，成本低。
Description
技术领域
本发明属于金属加工和材料领域，具体为一种封严涂层复合材料及制备方法。
背景技术
透平压缩机气路封严是提高其效率、降低能耗的关键技术，而封严涂层是最先进的气路密封技术。
大量实验表明，减小压缩机密封的封严间隙，降低密封部位的泄漏，可在不改变压缩机结构的前提下显著提高机组效率。但是运转过程中，由于制造或装配误差、工作时结构变形、运行间的振动等因素，过小的间隙极易引起转子与定子之间的碰撞磨损，进而导致转子损伤或机组停机。
如果使用封严密封涂层改善定子与转子之间的密封性，既能维持小的密封间隙还能缓冲定子与转子间的碰磨，有效阻止刮擦损伤，达到良好的封严效果，从而保证机组的效率和可靠性。理想的封严涂层要求热稳定性强、摩擦系数小、抗氧化性强，应既有足够的强度抵抗外部颗粒及气体的冲蚀，又可被刮削，在叶片与涂层发生摩擦接触时，涂层被刮削却不脱落而叶片尖端不磨损，同时能维持较小的封严间隙，减少气体泄漏。
封严涂层大多选用金属相与非金属相的复合材料。其中金属相具有可喷涂性、结合强度、抗冲蚀性等性能，常用的有镍、钴、铜、铝等及其合金。非金属相提供减磨、抗黏着和自润滑性能，如石墨、聚苯酯、硅藻土等。
使用时需要将封严涂层复合材料通过热喷涂的方式沉积到基材表面，金属相与基材结合，非金属相发挥润滑减磨等作用。
现代高性能热喷涂涂层是一种使用性很强、应用范围广、发展迅速的重要表面工程技术，它利用各种热源，将金属或陶瓷材料迅速加热至熔融或半熔融状态，借助气流雾化并沉积在工作表面形成与基体紧密结合的涂层。由于它具有与基体不同的成分和结构，使基体表面获得特殊性能，以满足工件更高的使用要求。
采用热喷涂工艺，在高温下，某些非金属相如高分子聚合物等容易烧失，因此，需要对现有的技术加以改进，提高有效沉积率，减少烧失量。
聚苯酯硅铝是一种中低温封严涂层，例如美国Mecto（美科）生产的Metco601涂层，其组成为聚苯酯表面包裹的硅铝合金，通常聚苯酯与硅铝合金的质量比为2：3；通过等离子喷涂法附着于基体表面。可用于工业空调压缩机等，在300～400℃环境温度下工作环境。但是这种涂层材料工艺复杂，价格昂贵。需要一种制备聚苯酯封严涂层复合材料的方法，降低生产成本。
发明内容
本发明旨在提供一种聚苯酯硅铝的可磨损封严涂层复合材料，可通过高温火焰将该材料结合到基材上，获得良好的自润滑和密封效果，降低生产和喷涂成本。
本发明采用聚苯酯作为起润滑作用、抗磨的非金属相，铝作为金属相，用于同基体材料结合。
本发明的聚苯酯硅铝可磨损封封严涂层复合材料，粒径为120～160μm，其结构自内向外依次为粒径50～80μm的聚苯酯微球、厚度为10～30nm的二氧化硅薄膜和铝粉层。
以重量百分比计，聚苯酯微球的含量为53.5%～56%，二氧化硅的含量为4.5%～5.3%，铝的含量为39.5%～41.5%。
制备方法包括以下步骤：
（1）10wt～50wt%纳米二氧化硅溶胶与0.5wt%～1wt%甲基丙烯酰氧基类硅烷的水溶液混合，并将pH值调节为3.5～4.5，纳米二氧化硅颗粒的粒径为10～20nm，得到物料a，其中纳米二氧化硅的含量为5wt%～50wt%；或者，
在浓度为0.5wt%～1wt%甲基丙烯酰氧基类硅烷的水溶液中加入粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒混合均匀，并将pH值调节为3.5～4.5，得到物料a。
物料a中，以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷与二氧化硅溶胶中硅元素的总量计，甲基丙烯酰氧基类硅烷中的硅元素占硅元素总量的0.1%～1.5%。
聚苯酯粉末粉碎打磨为平均粒径50～80μm的聚苯酯微球，按照1：0.0005～0.01：0.05～5的质量比将聚苯酯微球、水溶性陶瓷粘胶剂和水混合，调成糊状得到物料b；优选的，聚苯酯微球、水溶性粘合剂和水的质量比为1：0.001～0.006：0.2～2。
（2）将物料a和物料b雾化后混合喷雾干燥，使纳米二氧化硅在聚苯酯微球表面形成二氧化硅膜，得到二氧化硅包裹的聚苯酯微球。
以总重量100份计，物料a中的硅元素折合二氧化硅，重量为4～6份，物料b中聚苯酯的重量为94～95份。
用喷雾干燥设备进行喷雾干燥，喷雾干燥设备结构包括干燥塔和位于干燥塔上方的离心雾化器；离心雾化器上带有两个进料口，分别为进料口A和进料口B，离心雾化器的雾化喷头伸入干燥塔内；
雾化喷头的内径为0.1～1mm；物料a和物料b分别用泵从进料口A和进料口B打入离心雾化器，雾化器离心速度5000～15000rpm；雾化后的液滴由雾化喷头送入干燥塔内；
干燥塔高2～5米，塔内的热空气氛温度150～250℃，干燥后的雾化物在热空气氛中自由下落，在塔底收集粉末，过180～200目筛进行筛分，得到包裹二氧化硅的聚苯酯微球。
（3）将铝粉、水溶性陶瓷胶粘剂和水混合调为糊状，加入二氧化硅包裹的聚苯酯微球，在团聚机或捏合机中混合均匀，混合时间为10min～2hr，并且干燥后过100～150目筛（优选为过120目筛），筛分得到聚氨酯硅铝可磨损封严涂层复合材料；其中二氧化硅包裹的聚苯酯微球及铝粉的总量中，铝粉重量百分比为20%～30%；铝粉、水溶性陶瓷胶粘剂和水的重量比为1：0.001～0.02：0.05～5，优选为1：0.005～0.015：0.2～2；铝粉的粒径为15～20μm。所得到的产物粒径为140±10μm。
优选的，水溶性陶瓷粘胶剂为聚乙烯醇，分子量为3000～20000。
优选的，甲基丙烯酰氧基类硅烷为甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
本发明的涂层材料，无需先制备硅铝合金，直接在聚苯酯微球表面分别形成二氧化硅薄膜和铝粉层；使用时通过等离子喷涂法使之附着于基体表面，通过铝与基材表面形成一体，二氧化硅薄膜在喷涂过程中保护聚苯酯不被烧损。这种聚苯酯硅铝的封严涂层复合材料，喷涂时的聚苯酯烧损率低于1%；而且与金属基材的结合力psi可达1000～1400，沉积效率50%～65%，显微硬度HV110～160，磨损和孔隙率几乎可以忽略不计，完全可以达到Metco601的标准，制备工艺简单，成本低。
附图说明
图1为本发明聚氨酯硅铝可磨损封严涂层复合材料的结构示意图，其中601—聚苯酯微球，602—二氧化硅膜，603—铝粉层
图2为本发明中所使用的雾化干燥设备结构示意图
1—离心雾化器，101—进料口A，102—进料口B，103—雾化喷头，2—干燥塔，3—旋风分离器
具体实施方式
实施例1
（1）取含量为25wt%的纳米二氧化硅溶胶（其中二氧化硅粒径5～15nm），加入质量浓度为1%甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷水溶液混合均匀，调节pH至3.8得到物料a；以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷与二氧化硅溶胶中硅元素的总量计，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中硅元素的摩尔百分比为0.2%；
聚苯酯粉末粉碎打磨为平均粒径50～70μm的聚苯酯微球，加入分子量10000聚乙烯醇和水混合调成糊状，得到物料b；聚苯酯微球、聚乙烯醇和水的重量比为1：0.002：0.8。
（2）将物料a和物料b在喷雾干燥设备内混合雾化后进行干燥，使纳米二氧化硅包裹在聚苯酯微球的表面。其中，物料a中所含的硅元素折合二氧化硅与物料b中聚苯酯的重量比为5.5：94.5。
如图2所示，喷雾干燥设备的结构包括干燥塔2和位于干燥塔上方的离心雾化器1；离心雾化器上带有两个进料口，分别为进料口A101和进料口B102，离心雾化器的雾化喷头103伸入干燥塔内。雾化喷头的内径为0.5mm。
物料a和物料b分别用泵从进料口A101和进料口B102打入离心雾化器，离心速度8000rpm，经过1～2分钟雾化后，雾化后的液滴由雾化喷头送入干燥塔内。干燥塔高2.5米，塔内的热空气氛温度240℃，干燥后的雾化物在热空气氛中自由下落，在塔底收集粉末，并用振动筛过180～200目筛进行筛分，去掉过大的颗粒，收集粉末，得到包裹二氧化硅的聚苯酯微球（粒径50～70μm），二氧化硅的厚度为10～25nm。干燥塔的中部和底部之间的位置连接一个外部的除尘装置，可以是旋风分离器3，旋风分离器位于干燥塔的外部，用于在雾化物下落过程中进行除尘。
热空气氛的形成方法为：将空气用送风机送入加热器内加热到所需温度，再送入干燥塔。
（3）粒径为15～20μm的铝粉中加入分子量10000的聚乙烯醇和水混合调成糊状，铝粉、聚乙烯醇与水的重量比为1：0.01：0.5，再加入步骤（2）中所获得的粉末，铝粉与步骤（2）粉末的重量比为75：25；在团聚机或捏合机中充分混合并干燥，混合时间为10～30分钟；
再过100～120目筛进行筛分，去掉过大的颗粒，收集粉末，所得到的产物即为聚苯酯硅铝的封严涂层复合材料，粒径为130～150μm。分析各组分质量百分比：聚苯酯55.2%，二氧化硅4.9%，铝39.9%。
这种聚苯酯硅铝的可磨损封严涂层复合材料结构示意图如图1所示，从内向外依次为聚苯酯硅铝微球601、厚度为10～25nm的二氧化硅薄膜602和铝粉层603。
将所得到的粉末用8000℃等离子喷涂法烧结喷涂在基材（例如是铸铁或钢材）表面，沉积效率56%。分析聚苯酯硅铝的封严涂层的组分，其中的聚苯酯和二氧化硅重量百分比含量几乎没有变化，烧损率低于1%。
经检测这种聚苯酯硅铝的封严涂层复合材料与基材的结合力psi1100～1300（划栅格实验或粘贴实验），显微硬度HV110～160（显微硬度计检测）。孔隙率和耐磨损的效果指标达到Metco601的标准。
实施例2
（1）取含量为18wt%的纳米二氧化硅溶胶（其中二氧化硅粒径5～15nm），加入质量浓度为0.6%甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷水溶液混合均匀得到物料a；
以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷与二氧化硅溶胶中硅元素的总量计，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中硅元素的摩尔百分比为1.5%；
聚苯酯粉末粉碎打磨为平均粒径55～70μm的聚苯酯微球，加入分子量8000的聚乙烯醇和水混合调成糊状，得到物料b；聚苯酯微球、聚乙烯醇和水的重量比为1：0.001：0.5。
（2）将物料a和物料b在喷雾干燥设备内雾化后进行干燥，使纳米二氧化硅包裹在聚苯酯微球的表面。其中，物料a中所含的硅元素折合二氧化硅与物料b中聚苯酯的重量比为6：94；
物料a和物料b分别用泵从进料口A101和进料口B102打入离心雾化器，离心速度6500rpm，经过1～2分钟雾化，雾化后的液滴由雾化喷头送入干燥塔内。离心雾化器雾化喷头内径0.8mm，干燥塔塔高4m，干燥塔内的空气氛温度150℃。其余同实施例1。
收集粉末，得到包裹二氧化硅的聚苯酯微球（粒径55～70μm），二氧化硅的厚度为15～25nm。
（3）粒径为15～20μm的铝粉中加入分子量8000的聚乙烯醇和水混合调成糊状，铝粉、聚乙烯醇与水的重量比为1：0.006：0.6，再加入步骤（2）中所获得的粉末，铝粉与步骤（2）粉末的重量比为76：24；在团聚机或捏合机中充分混合并干燥，混合时间为10～30分钟。
再过100～120目筛进行筛分，去掉过大的颗粒，收集粉末，
所得到的产物即为聚苯酯硅铝的封严涂层复合材料，粒径为135～150μm。分析各组分质量百分比：聚苯酯53.9%，二氧化硅5.1%，铝41.0%。
将所得到的粉末用8000℃等离子喷涂法烧结喷涂在基材（例如是铸铁或钢材）表面，沉积效率59%。分析聚苯酯硅铝的封严涂层的组分，其中的聚苯酯和二氧化硅重量百分比含量几乎没有变化，烧损率低于1%。
经检测这种聚苯酯硅铝的封严涂层复合材料与基材的结合力psi1200～1300（划栅格实验或粘贴实验），显微硬度HV110～160（显微硬度计检测）。孔隙率和耐磨损的效果指标达到Metco601的标准。
实施例3
（1）将在质量百分比浓度为1%的甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷水溶液中加入粒径为10～20nm的二氧化硅粒子（白碳黑），调节pH值至4.5，得到物料a；以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷与二氧化硅粒子中硅元素的总量计，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中硅元素的摩尔百分比为0.1%；
将聚苯酯粉末粉碎打磨为平均粒径50～65μm的聚苯酯微球，按照1：0.004：1的质量比将聚苯酯微球、分子量5000的聚乙烯醇和水混合，调成糊状，得到物料b。
（2）将物料a和物料b送入在喷雾干燥设备内雾化后进行干燥，使纳米二氧化硅包裹在聚苯酯微球的表面。
按重量计，物料a中的硅元素折合为二氧化硅，与物料b中的聚苯酯微球的重量比为5：95。
雾化喷头内径0.2mm，干燥塔塔高3m，干燥塔内的空气氛温度120℃，其余同实施例1。
收集粉末，得到包裹二氧化硅的聚苯酯微球（粒径50～65μm），二氧化硅的厚度为10～25nm。
（3）粒径为15～20μm的铝粉中加入分子量5000的聚乙烯醇和水混合调成糊状，铝粉、聚乙烯醇与水的重量比为1：0.012：0.9，再加入步骤（2）中所获得的粉末，铝粉与步骤（2）粉末的重量比为76：24；在团聚机或捏合机中充分混合并干燥，混合时间为10～30分钟。
再过100～120目筛进行筛分，去掉过大的颗粒，收集粉末，所得到的产物即为聚苯酯硅铝的封严涂层复合材料，粒径为130～145μm。
分析各组分质量百分比：聚苯酯54.6%，二氧化硅4.7%，铝40.7%。
将所得到的粉末用6000℃等离子喷涂法烧结喷涂在基材（例如是铸铁或钢材）表面，沉积效率63%。分析聚苯酯硅铝的封严涂层的组分，其中的聚苯酯和二氧化硅重量百分比含量几乎没有变化，烧损率低于1%。
经检测这种聚苯酯硅铝的封严涂层复合材料与基材的结合力psi1150～1400（划栅格实验或粘贴实验），显微硬度HV110～160（显微硬度计检测）。孔隙率和耐磨损的效果指标达到Metco601的标准。
实施例4
（1）将在质量百分比浓度为0.5%的甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷水溶液中加入粒径为10～20nm的二氧化硅粒子（白碳黑），调节pH值至3.8，得到物料a；
以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷与二氧化硅粒子中硅元素的总量计，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中硅元素的摩尔百分比为1.2%；
将聚苯酯粉末粉碎打磨为平均粒径55～65μm的聚苯酯微球，按照1：0.003：1的质量比将聚苯酯微球、分子量12000的聚乙烯醇和水混合，调成糊状，得到物料b。
（2）将物料a和物料b送入在喷雾干燥设备内雾化后进行干燥，使纳米二氧化硅包裹在聚苯酯微球的表面。
按重量计，物料a中的硅元素折合为二氧化硅，与物料b中的聚苯酯微球的重量比为6：94。
雾化喷头内径0.5mm，干燥塔塔高4m，干燥塔内的空气氛温度180℃。其余同实施例1。
收集粉末，得到包裹二氧化硅的聚苯酯微球（粒径55～65μm），二氧化硅的厚度为15～30nm。
（3）粒径为15～20μm的铝粉中加入分子量12000的聚乙烯醇和水混合调成糊状，铝粉、聚乙烯醇与水的重量比为1：0.01：0.8，再加入步骤（2）中所获得的粉末，铝粉与步骤（2）粉末的重量比为75：25；在团聚机或捏合机中充分混合并干燥，混合时间为10～30分钟。
再过100～120目筛进行筛分，去掉过大的颗粒，收集粉末，所得到的产物即为聚苯酯硅铝的封严涂层复合材料，粒径为130～150μm。
分析各组分质量百分比：聚苯酯54.8%，二氧化硅4.9%，铝40.3%。
将所得到的粉末用9500℃等离子喷涂法烧结喷涂在基材（例如是铸铁或钢材）表面，沉积效率61%。分析聚苯酯硅铝的封严涂层的组分，其中的聚苯酯和二氧化硅重量百分比含量几乎没有变化，烧损率低于1%。
经检测这种聚苯酯硅铝的封严涂层复合材料与基材的结合力psi1100～1400（划栅格实验或粘贴实验），显微硬度HV110～160（显微硬度计检测）。孔隙率和耐磨损的效果指标达到Metco601的标准。
Claims (7)
1.一种聚苯酯硅铝可磨损封封严涂层复合材料，其特征在于，粒径为120～160μm，其结构自内向外依次为聚苯酯微球、二氧化硅薄膜和铝粉层；
所述聚苯酯微球粒径为50～80μm，二氧化硅薄膜厚度为10～30nm。
2.权利要求1所述聚苯酯硅铝可磨损封封严涂层复合材料，其特征在于，以重量百分比计，聚苯酯微球的含量为53.5％～56％，二氧化硅的含量为4.5％～5.3％，铝的含量为39.5％～41.5％。
3.权利要求1或2所述聚苯酯硅铝可磨损封封严涂层复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)10wt～50wt％纳米二氧化硅溶胶与0.5wt％～1wt％甲基丙烯酰氧基类硅烷的水溶液混合，并将pH值调节为3.5～4.5，纳米二氧化硅颗粒的粒径为10～20nm，得到物料a，其中纳米二氧化硅的含量为5wt％～50wt％；或者，
在浓度为0.5wt％～1wt％甲基丙烯酰氧基类硅烷的水溶液中加入粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒混合均匀，并将pH值调节为3.5～4.5，得到物料a；
物料a中，甲基丙烯酰氧基类硅烷中的硅元素占硅元素总量的0.1％～1.5％；
聚苯酯粉末粉碎打磨为平均粒径50～80μm的聚苯酯微球，按照1：0.0005～0.01：0.05～5的重量比将聚苯酯微球、水溶性陶瓷粘胶剂和水混合，调成糊状得到物料b；
(2)将物料a和物料b雾化后混合喷雾干燥，使纳米二氧化硅在聚苯酯微球表面形成二氧化硅膜，收集干燥后的粉末，过180～200目筛进行筛分，得到包裹二氧化硅的聚苯酯微球；
以总重量100份计，物料a中的硅元素折合二氧化硅，重量为4～6份，物料b中聚苯酯的重量为94～95份；
(3)将粒径为15～20μm的铝粉、水溶性陶瓷胶粘剂和水混合调为糊状，加入步骤(2)所制备二氧化硅包裹的聚苯酯微球，在团聚机或捏合机中混合均匀，混合时间为10min～2hr，并且干燥后过100～150目筛，筛分得到聚氨酯硅铝可磨损封严涂层复合材料；其中二氧化硅包裹的聚苯酯微球及铝粉的总量中，铝粉重量百分比为20％～30％；铝粉、水溶性陶瓷胶粘剂和水的重量比为1：0.001～0.02：0.05～5。
4.权利要求3所述聚苯酯硅铝可磨损封封严涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，聚苯酯微球、水溶性陶瓷粘胶剂和水的重量比为1：0.001～0.006：0.2～2；
步骤(3)中，铝粉、水溶性陶瓷胶粘剂和水的重量比为1：0.005～0.015：0.2～2。
5.权利要求3所述聚苯酯硅铝可磨损封封严涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)和(3)所述的水溶性陶瓷胶粘剂为分子量3000～20000的聚乙烯醇。
6.权利要求3所述聚苯酯硅铝可磨损封封严涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中用喷雾干燥设备进行喷雾干燥，所述的喷雾干燥设备结构包括干燥塔(2)和位于干燥塔上方的离心雾化器(1)；离心雾化器上带有两个进料口，分别为进料口A(101)和进料口B(102)，离心雾化器的雾化喷头(103)伸入干燥塔(2)内；
雾化喷头(103)的内径为0.1～1mm；物料a和物料b分别用泵从进料口A(102)和进料口B(102)打入离心雾化器，雾化器离心速度5000～15000rpm；雾化后的液滴由雾化喷头送入干燥塔内；
干燥塔高2～5米，塔内的热空气氛温度150～250℃，干燥后的雾化物在热空气氛中自由下落，在塔底收集粉末。
7.权利要求3所述聚苯酯硅铝可磨损封封严涂层复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述甲基丙烯酰氧基类硅烷为甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
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