CN107617545B - 一种发动机部件用的金属陶瓷涂层及其制备方法 - Google Patents

一种发动机部件用的金属陶瓷涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种发动机部件用的金属陶瓷涂层及其制备方法。所述金属陶瓷涂层由金属镍和陶瓷玻璃构成。所述陶瓷玻璃以质量百分比计包括：Al2O3 10‐25％；BaO 25‐40％；B2O3 13‐30％；CeO2 20‐40％；ZrO22 1‐5％。其制备方法为：将陶瓷玻璃料的各原料混合均匀，然后于1300‐1600℃高温熔烧水淬粉碎后制得陶瓷玻璃料，将玻璃料与金属镍粉按比例混合并制成水性浆料后涂覆于基底上，干燥固化后在900‐1300℃烧制30‐150分钟，制得高温金属陶瓷涂层。本发明涂层组分设计合理，制备工艺简单，操作方便，涂层厚度可控，与基底结合牢固均匀，具有优异的抗高温氧化和耐冲刷性能。

Description

一种发动机部件用的金属陶瓷涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种发动机部件用的金属陶瓷涂层及其制备方法，属于中高温防氧化耐烧蚀涂层技术领域。
背景技术
燃气涡轮发动机推力比提高，相应部件温度不断提高，要求高温合金必需具有优异的高温力学性能，同时又有良好的抗高温氧化及耐烧蚀性能。合金同时兼顾优异的高温力学性能和良好的抗热腐蚀性能是比较困难的。在保证优异力学性能的情况下，施加防护涂层是改善高温合金抗高温氧化烧蚀性能的有效途径。
新型大推力发动机部件-如涡轮球壳内壁及涡轮转子，在使用时需经受1000℃左右高温、超过1000m/s的高压富氧燃气冲刷，其防护涂层必需具有抗冲刷、耐高温烧蚀的能力。由于燃气冲刷速度快，温度高，腐蚀能力强，目前国内还没有能直接适用如此苛刻环境的高温防护涂层，而国外在这一领域属高度保密，严禁技术出口。因此急需开发满足上述使用条件的高温防护涂层。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺乏而提供一种工艺简单，操作简便的高温陶瓷涂层及制备方法。通过料浆浸(刷)涂-低温烧结固化工艺，在大推力发动机部件表面制备镍-玻璃复合的金属陶瓷涂层，该涂层具有良好的抗热震、抗氧化和耐冲刷性能，可满足1000℃高压高速富氧冲蚀环境下发动机部件的使用要求。
本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层，所述金属陶瓷涂层按重量百分比包括以下组分：
陶瓷玻璃料 45-70％、优选为50-70％、进一步优选为55-65％；
镍 30-55％、优选为30-50％、进一步优选为35-40％。
本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层，所述陶瓷玻璃料按重量百分比包括以下组分：
Figure GDA0002607045630000021
作为优选方案，本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层，所述陶瓷玻璃料按重量百分比包括以下组分：
Figure GDA0002607045630000022
作为更进一步的优选方案，本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层，所述陶瓷玻璃料按重量百分比包括以下组分：
Figure GDA0002607045630000023
本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层，所述金属陶瓷涂层的厚度为30-200μm。
本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层制备方法，包括以下步骤：
步骤一 陶瓷玻璃料制备
按照玻璃目标成分，分别称取各组分粉料Al2O3,BaO,B2O3,CeO2,ZrO2，将粉料混合均匀后于1300-1600℃熔烧1-4h，然后水淬并粉碎，制得陶瓷玻璃料；
步骤二 金属陶瓷浆料制备
将陶瓷玻璃料与金属镍粉按照质量比0.45-0.7：0.3-0.5比例混合球磨5-12h，加入去离子水制得金属陶瓷水性浆料；
步骤三 发动机部件表面预处理
发动机部件表面先进行除油处理，然后喷砂，之后清洗，清洗后放于烘箱内80-160℃保温12-24小时；
步骤四 发动机部件表面金属陶瓷涂层制备
将步骤二所制备的金属陶瓷水性浆料，涂覆于表面预处理后的发动机部件上，于80-150℃干燥固化5-24h；之后将干燥固化好的样品放入烧结炉内，在保护气氛下于900-1300℃烧制30-150分钟，制得金属陶瓷涂层。
本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层制备方法，步骤一中，按照玻璃目标成分，分别称取各组分粉料Al2O3,BaO,B2O3,CeO2,ZrO2，将粉料混合均匀；将混合粉料放入高温电阻炉中，在空气气氛中，于1300-1600℃熔烧1-4h，然后水淬并粉碎，制得陶瓷玻璃料。所述陶瓷玻璃料的粒度为0.1-40微米。
本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层制备方法，步骤二中，100质量份金属镍粉由1-15质量份镍粉A和99-85份镍粉B组成，所述镍粉A的粒径为20-50nm。所述镍粉B的粒径为0.5-2微米。
本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层制备方法，步骤二中，所述金属陶瓷水性浆料中，水的质量百分含量为30-70％。
本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层制备方法，步骤二中，球磨时，控制球磨转速为800-1600转/min。
本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层制备方法，步骤四中，将步骤二所制备的金属陶瓷水性浆料，采用浸涂结合刷涂的工艺，将浆料涂覆在发动机部件表面，然后放入烘箱中，在空气气氛下，于80-150℃中干燥固化5-24h；之后将干燥固化好的样品放入电阻炉内，在氩气保护下，于900-1300℃烧制30-150分钟，制得金属陶瓷涂层。
本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层制备方法，所述发动机部件的材质为镍基或者不锈钢基。
本发明一种发动机部件用的金属陶瓷涂层制备方法，所制备的涂层和基体的结合力为40-150MPa。且所制备的涂层，在空气介质中，于20℃-1000℃进行冷热循环实验；100次后涂层无脱落。经优化后，能承受冷热循环实验的次数最高可达200次。
原理和优势：
本发明的金属陶瓷涂层以独特的组成可以阻挡氧气和合金基底的接触，防止氧化烧蚀，在800-1100℃的温度下，该涂层中的低温玻璃组分能愈合涂层中产生的微孔和微裂纹，有效阻止氧化烧蚀。烧结后金属镍粉和基体冶金结合，大大提高涂层基体的结合力(涂层和基体的结合力为40-150MPa)，提高耐高压富氧气氛的高速冲刷能力。
本发明通过严格控制涂层的组分及制备工艺，使得本发明所制备的涂层具有优良的热稳定性和抗热震性能，可以经受100次
Figure GDA0002607045630000041
反复热震，涂层无脱落。
本发明在制备金属陶瓷涂层时，采用的是浸涂+刷涂作业方式，适合复杂大型构件内外表面涂层的制备，可在最大程度上保证工艺的稳定性、涂层的均匀性和完整性，可实现大面积无形状限制的工业化生产，制备过程没有有毒和刺激性气体产生，有利于环境及施工人员的保护。
综上所述，本发明制备工艺简单，操作方便。涂层相对于专利2016110452841具有更加优越的抗热震、耐冲刷性能，可满足1000℃左右富氧环境和1000m/s富氧燃气冲刷条件下的发动机部件使用要求。
附图说明
图1为实施例1制备的金属陶瓷涂层1000℃氧化50h后的微观截面图
图2为实施例1、2和对比例1所得产品的氧化测试结果曲线。
具体实施方式
实施例1
按照玻璃目标成分，分别称取各组分粉料25wt％Al2O3,30wt％BaO,22wt％B2O3,21wt％CeO2,2wt％ZrO2，将粉料混合均匀；将混合粉料放入高温电阻炉中，1400℃空气中熔烧2.5h，然后放入冷水中冷却，得到块状陶瓷玻璃。把块状陶瓷玻璃破碎，然后放入氧化锆球磨罐中球磨30h，制得陶瓷玻璃料(玻璃料粒度为0.1-40微米)；
将陶瓷玻璃料与金属镍粉按照质量比3：2比例混合球磨10h，加入去离子水制得金属陶瓷水性浆料(金属陶瓷水性浆料中，水的质量百分含量为30％)。其中金属镍粉中含有质量百分比约5％的纳米镍粉(粒径约20-50nm)，其余为微米镍粉，微米镍粉的粒径为0.5-2微米；
发动机部件表面先进行除油处理，然后喷砂，之后用去离子水超声波清洗，清洗后放于烘箱内120℃保温20小时；
将制得的金属陶瓷水性浆料超声震荡分散1h，然后把发动机部件浸入金属陶瓷水性浆料中，流平风干，视流涂表面情况，采取刷涂方法补充涂覆。涂覆好的试样放入烘箱空气中120℃干燥固化20h；之后将干燥固化好的样品放入真空电阻炉，氩气保护下1100℃烧制120分钟，即制得金属陶瓷涂层。
使用金相法测得涂层厚度约为110μm，将得到的样品在
Figure GDA0002607045630000051
反复热震，热循环次数达到200次以上。采用热重法评估涂层的氧化性能，1000℃空气中氧化50小时后试样单位面积增重率0.142mg/cm2。
实施例2
按照玻璃目标成分，分别称取各组分粉料20wt％Al2O3,28wt％BaO,25wt％B2O3,24wt％CeO2,3wt％ZrO2，将粉料混合均匀；将混合粉料放入高温电阻炉中，1350℃空气中熔烧3h，然后放入冷水中冷却，得到块状陶瓷玻璃。把块状陶瓷玻璃破碎，然后放入氧化锆球磨罐中球磨30h，制得陶瓷玻璃料(玻璃料粒度为0.1-40微米)；
将陶瓷玻璃料与金属镍粉按照质量比7：3比例混合球磨10h，加入去离子水制得金属陶瓷水性浆料(金属陶瓷水性浆料中，水的质量百分含量为50％)。其中金属镍粉中含有质量百分比约10％的纳米镍粉(粒径约20-50nm)，其余为微米镍粉，微米镍粉的粒径为0.5-2微米；
发动机部件表面先进行除油处理，然后喷砂，之后用去离子水超声波清洗，清洗后放于烘箱内120℃保温20小时；
将制得的金属陶瓷水性浆料超声震荡分散1h，然后把发动机部件浸入金属陶瓷水性浆料中，流平风干，视流涂表面情况，采取刷涂方法补充涂覆。涂覆好的试样放入烘箱空气中120℃干燥固化20h；之后将干燥固化好的样品放入真空电阻炉，氩气保护下1150℃烧制90分钟，即制得金属陶瓷涂层。
使用金相法测得涂层厚度约为150μm，所得成品在
Figure GDA0002607045630000052
反复热震，热循环次数达到100次以上。采用热重法评估涂层的氧化性能，1000℃空气中氧化50小时后试样单位面积增重率0.16mg/cm2。
实施例3
按照玻璃目标成分，分别称取各组分粉料12wt％Al2O3,35wt％BaO,14wt％B2O3,34wt％CeO2,5wt％ZrO2，将粉料混合均匀；将混合粉料放入高温电阻炉中，1450℃空气中熔烧3.5h，然后放入冷水中冷却，得到块状陶瓷玻璃。把块状陶瓷玻璃破碎，然后放入氧化锆球磨罐中球磨35h，制得陶瓷玻璃料(玻璃料粒度为0.1-40微米)；
将陶瓷玻璃料与金属镍粉按照质量比1：1比例混合球磨10h，加入去离子水制得金属陶瓷水性浆料(金属陶瓷水性浆料中，水的质量百分含量为70％)。其中金属镍粉中含有质量百分比约15％的纳米镍粉(粒径约20-50nm)，其余为微米镍粉，微米镍粉的粒径为0.5-2微米；
发动机部件表面先进行除油处理，然后喷砂，之后用去离子水超声波清洗，清洗后放于烘箱内120℃保温20小时；
将制得的金属陶瓷水性浆料超声震荡分散1h，然后把发动机部件浸入金属陶瓷水性浆料中，流平风干，视流涂表面情况，采取刷涂方法补充涂覆。涂覆好的试样放入烘箱空气中120℃干燥固化20h；之后将干燥固化好的样品放入真空电阻炉，氩气保护下1200℃烧制60分钟，即制得金属陶瓷涂层。
使用金相法测得涂层厚度约为160μm，将得到的样品在
Figure GDA0002607045630000061
进行抗热震性能测试，热循环次数达到100次以上。采用热重法评估涂层的氧化性能，1000℃空气中氧化50小时后试样单位面积增重率0.18mg/cm2。
对比例1
基体的处理工艺与实施例1-3相同，即除油喷砂后超声波清洗烘干。不涂覆金属陶瓷涂层，直接放入炉中氧化测试，1000℃空气中氧化40h后0.9mg/cm2，100小时后试样单位面积增重率达到1.11mg/cm2。

Claims (8)

1.一种发动机部件用的金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述金属陶瓷涂层按重量百分比包括以下组分：
陶瓷玻璃料 45-70%；
镍 30-55%；
所述陶瓷玻璃料按重量百分比包括以下组分：
Al2O3 10-25%；
BaO 25-40%；
B2O3 13-30%；
CeO2 20-40%；
ZrO2 1-5% ；
所述金属陶瓷涂层通过以下步骤制备：
步骤一 陶瓷玻璃料制备
按照玻璃目标成分，分别称取各组分粉料Al2O3, BaO, B2O3,CeO2, ZrO2，将粉料混合均匀后于1300-1600℃熔烧1-4h，然后水淬并粉碎，制得陶瓷玻璃料；
步骤二 金属陶瓷浆料制备
将陶瓷玻璃料与金属镍粉按照质量比0.45-0.7：0.3-0.5比例混合球磨5-12h，加入去离子水制得金属陶瓷水性浆料；
步骤二中，100质量份金属镍粉由1-15质量份镍粉A和85-99份镍粉B组成，所述镍粉A的粒径为20-50nm；所述镍粉B的粒径为0.5-2微米；
步骤二中，所述金属陶瓷水性浆料中，去离子水的质量百分含量为30-70%；
步骤三 发动机部件表面预处理
发动机部件表面先进行除油处理，然后喷砂，之后清洗，清洗后放于烘箱内80-160℃保温12-24小时；
步骤四 发动机部件表面金属陶瓷涂层制备
将步骤二所制备的金属陶瓷水性浆料，涂覆于表面预处理后的发动机部件上，于80-150℃干燥固化5-24h；之后将干燥固化好的样品放入烧结炉内，在保护气氛下于900-1300℃烧制30-150分钟，制得金属陶瓷涂层；
所制备的涂层和基体的结合力为40-150MPa；且所制备的涂层，在空气介质中，于20℃-1000℃进行冷热循环实验；100次后涂层无脱落。
2.根据权利要求1所述的一种发动机部件用的金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述金属陶瓷涂层按重量百分比包括以下组分：
陶瓷玻璃料50-70%；
镍30-50%。
3.根据权利要求2所述的一种发动机部件用的金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述金属陶瓷涂层按重量百分比包括以下组分：
陶瓷玻璃料55-65%；
镍35-40%。
4.根据权利要求1所述的一种发动机部件用的金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于；所述陶瓷玻璃料按重量百分比包括以下组分：
Al2O3 12-25%；
BaO 28-35%；
B2O3 14-25%；
CeO2 21-34%；
ZrO2 2-5%。
5.根据权利要求4所述的一种发动机部件用的金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于；
所述陶瓷玻璃料按重量百分比包括以下组分：
Al2O3 20-25%；
BaO 28-30%；
B2O3 22-25%；
CeO2 21-24%；
ZrO2 2-3%。
6.根据权利要求1所述的一种发动机部件用的金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于；所述金属陶瓷涂层的厚度为30-200μm。
7.根据权利要求1所述的一种发动机部件用的金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤一中，按照玻璃目标成分，分别称取各组分粉料Al2O3, BaO, B2O3,CeO2, ZrO2，将粉料混合均匀；将混合粉料放入高温电阻炉中，在空气气氛中，于1300-1600℃熔烧1-4h，然后水淬并粉碎，制得陶瓷玻璃料；所述陶瓷玻璃料的粒度为0.1-40微米。
8.根据权利要求1所述的一种发动机部件用的金属陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：步骤四中，将步骤二所制备的金属陶瓷水性浆料，采用浸涂结合刷涂的工艺，将浆料涂覆在发动机部件表面，然后放入烘箱中，在空气气氛下，于80-150℃中干燥固化5-24h；之后将干燥固化好的样品放入电阻炉内，在氩气保护下，于900-1300℃烧制30-150分钟，制得金属陶瓷涂层。
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