CN108213450A - 铝基封严涂层用团聚型复合粉末及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝基封严涂层用团聚型复合粉末及制备方法，属于热喷涂技术领域。该团聚型复合粉末，每个团聚粉末颗粒的内部结构为若干聚苯酯颗粒分别被铝硅合金颗粒所包围。其制备方法为：首先制备铝硅合金粉末，后将铝硅合金粉末与聚苯酯粉末通过卧式球磨分散工艺混合均匀，最后将混合物通过添加粘结剂聚合成团聚型铝硅聚苯酯复合粉末。本发明制取的铝基封严涂层用团聚型复合粉末具有成分均匀、喷涂工艺适应性好、聚苯酯沉积率高的特点，采用等离子喷涂工艺制备铝硅聚苯酯封严涂层的可磨耗性能更加优异，高温服役条件下涂层的结合性能更稳定，喷涂批次一致性更好，应用在发动机的压气机部件上可以取得良好的密封效果和更长的使用寿命。

Description

铝基封严涂层用团聚型复合粉末及制备方法

技术领域

本发明属于热喷涂技术领域，涉及一种热喷涂铝基封严涂层用团聚型复合粉末及其制备方法，更具体是指通过将喷涂组元材料设计并制备成预制团聚粉末，来达到各组元的均匀、有效喷涂沉积的方法。

背景技术

可磨耗封严涂层在涡轮、透平机械中应用广泛，比如航空涡轮发动机、陆基或舰船用燃气轮机、发电用汽轮机、工业压缩机以及涡轮增压器等，通过封严涂层技术实现上述机械设备的气路间隙控制，能够有效提高机械设备的效率。封严涂层通常由金属相组元、非金属相组元和喷涂过程中形成的孔隙组成。金属相选材根据涂层的工作温度确定，一般450℃以下的中低温采用铝基合金，450℃以上则采用铜基、钴基或镍基合金，金属相在涂层中的沉积为涂层提供足够的强度、抗氧化性和抗冲蚀性；非金属相一般选择聚苯酯、石墨、六方氮化硼等具有可磨润滑效果的有机物或陶瓷材料，非金属相在涂层中形成均匀弥散的分布可使涂层具有良好的可磨刮削性，在与转子部件对磨时涂层发生主动磨耗而起到间隙控制气路封严的作用。

铝基封严涂层是目前最常见的中低温可磨耗封严涂层，铝硅聚苯酯喷涂材料是一种应用最广泛的涂层材料，通常采用大气等离子喷涂方法制备可磨耗封严涂层。现有铝硅聚苯酯喷涂材料主要是-150μm的铝硅合金粉末和-150μm的聚苯酯粉末的机械混合物，直接用于喷涂。该材料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：由于铝硅和聚苯酯两组元均为密度低、质轻的材料，且聚苯酯存在静电吸附效应，在普通搅拌混合等工艺处理过程中，两种组分获得的动能差异小，组分不易均匀分散，导致材料的成分不均匀，喷涂工艺适应性不足，涂层组织不均匀，易产生金属相和非金属相偏聚，从而导致涂层的结合性能不足，高温稳定性较差，易产生局部掉块等现象；铝硅聚苯酯喷涂材料中聚苯酯组元完全裸露、易烧蚀，导致涂层中可磨耗组分偏低，硬度偏高。上述现象直接影响封严涂层的服役性能，威胁机械设备的运行安全及可靠性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种组分均匀、喷涂工艺适应性好、并可保证较高且稳定的聚苯酯沉积率的热喷涂铝基封严涂层用团聚型铝硅聚苯酯复合粉末及其制备方法，采用改进后的团聚型铝硅聚苯酯复合粉末制备的可磨耗封严涂层具有组织均匀、硬度低、可磨耗性能优异的特点，同时涂层内部结合性能好、高温下服役性能稳定。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

设计制备一种团聚型铝硅聚苯酯复合粉末，其特征在于：所述粉末为铝硅合金粉末与聚苯酯粉末的预制团聚粉末，每个团聚粉末颗粒的内部结构为若干聚苯酯颗粒分别被铝硅合金颗粒所包围。由于期望铝硅聚苯酯封严涂层具有聚苯酯在铝硅金属相间均匀弥散分布的蜂窝状组织，将喷涂材料设计成类涂层组织的结构，如图1，有利于经过喷涂沉积将材料的结构形态延续到涂层中去。

为了实现上述发明设计思想，通过大量实验筛选和验证，确定所述铝硅合金粉末的主粒径区间为1～44μm，所述聚苯酯粉末的主粒径区间为44～150μm，所述团聚粉末的主粒径区间为44～300μm。

本发明的另一目的是提供一种团聚型铝硅聚苯酯复合粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过雾化工艺制取铝硅合金粉末，优选真空惰气雾化工艺制取铝硅合金粉末。

(2)通过球磨分散工艺获得铝硅合金粉末与聚苯酯粉末的均匀混合物，具体方法为：先后在料腔中加入聚苯酯粉末、铝硅合金粉末和球磨介质，球磨混合，然后将球磨介质与粉末分离得到均匀混合物。球磨介质优选陶瓷球磨介质，更优选氧化锆磨球。

球磨分散工艺优选卧式滚动球磨分散工艺，球磨混合参数为：粉末与球磨介质的质量比为1:3～3:1，料腔充满系数为0.6～0.8，混合时间为2～4h。

铝硅合金粉末和聚苯酯粉末的比例优选聚苯酯粉末占10～50wt％，其余为铝硅合金粉末。

铝硅合金粉末颗粒的主粒径区间优选1～44μm；所述聚苯酯粉末颗粒的主粒径区间优选44～150μm。

(3)通过搅拌粘结工艺制备团聚型复合粉末，具体方法为：在搅拌设备中加入步骤(2)得到的均匀混合物，并加入混合物重量5～10％的粘结剂，搅拌至粉末聚合成复合颗粒，然后干燥、筛分得到团聚型复合粉末。

搅拌设备优选立式双螺旋搅拌设备。粘结剂优选由醇酸清漆和丙酮配制，醇酸清漆和丙酮重量比为1:4～1:5。

上述方法中，针对两种被混合组元相对轻质且比重、粒径差异不大的特点，采用添加氧化锆磨球的方式增加物料对流、剪切、扩散、渗合的复合运动，并通过优化加料顺序、料球比、料腔装填程度(充满系数)、混合时间等影响物料混合均匀度的工艺因素，获得理想的混合均匀度。

上述方法中，选择适宜的粘结剂及其加入量可使团聚粉末粒度适宜、流动性好，并具有足够的颗粒强度，同时耐热、耐湿，在存放、运输及喷涂过程中均能保持团聚体结构并将该结构延续至涂层中。

可磨耗封严涂层的使役环境十分严苛，对涂层的综合性能要求很高，一方面要具有优异的可磨耗性，保护对磨叶片不受损伤，另一方面涂层要保证足够的结合性能和高温稳定性，在高温氧化、气流冲蚀及高速刮削的工况环境下具有令人满意的服役寿命。本发明的发明人意识到现有机械混合型铝硅聚苯酯喷涂材料及其制备的封严涂层性能具有明显不足，创造性地设计采用铝硅合金粉末与聚苯酯粉末的预制均匀分散团聚粉末作为喷涂材料，并经过不懈努力，获得上述团聚粉末的制备方法。实践证明，本发明可以有效改善粉末的喷涂工艺性和稳定性，实现多组元的均匀沉积，提高涂层的可磨耗性以及高温服役条件下的结合性能。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)通过将喷涂组元材料设计并制备成组分均匀分散的预制团聚粉末来达到提高铝硅聚苯酯复合喷涂材料组分均匀性的作用，避免材料组分偏聚，以提高喷涂涂层的组织均匀性，避免金属相、非金属相的偏聚，从而提高涂层的结合性能和高温稳定性；

(2)通过卧式滚动球磨分散工艺和立式双螺旋搅拌工艺确保了铝硅与聚苯酯两种轻质、粒径差异较小组分的均匀分散，形成聚苯酯颗粒被铝硅颗粒包围的组元分布状态，实现了组分均匀混合，解决了常规机械混合工艺难以实现轻质、小粒径差多组分均匀混合的问题；

(3)通过铝硅合金粉末与聚苯酯粉末形成团聚颗粒，避免聚苯酯组分完全裸露在喷涂焰流中，降低聚苯酯的烧蚀率，提高沉积涂层中聚苯酯可磨耗相的含量，可以降低涂层硬度，提高涂层的可磨耗性能；

(4)通过制备团聚型铝硅聚苯酯颗粒复合喷涂材料，提高了喷涂材料的流动性，进而改善热喷涂工艺性。

本发明与现有机械混合型铝硅聚苯酯喷涂材料相比，制取的团聚型铝硅聚苯酯复合粉末具有成分均匀、喷涂工艺适应性好、聚苯酯沉积率高的特点，采用等离子喷涂工艺制备铝硅聚苯酯封严涂层的可磨耗性能更加优异，高温服役条件下涂层的结合性能更稳定，喷涂批次一致性更好，应用在发动机的压气机部件上可以取得良好的密封效果和更长的使用寿命，其有益效果超出本技术领域技术人员的预期。

附图说明

图1为本发明制备的团聚型铝硅聚苯酯复合粉末材料结构示意图。

图2为原机械混合型铝硅聚苯酯喷涂材料结构示意图。

图3为等离子喷涂团聚型铝硅聚苯酯复合粉末材料制备的涂层金相组织形貌。

图4为等离子喷涂原机械混合型铝硅聚苯酯喷涂材料制备的涂层的金相组织形貌。

图5为等离子喷涂团聚型铝硅聚苯酯复合粉末材料和原机械混合型铝硅聚苯酯喷涂材料制备的涂层的在200℃下保温1000h的性能变化。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

实施例1

取原材料铝锭、硅块，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。

将聚苯酯粉末、铝硅合金粉末按质量比45～35:55～65先后加入卧式滚动球磨机料腔，加入氧化锆球(Φ8mm或Φ10mm)作为球磨介质，料球比按质量比5:3。进行球磨混合3h。混好后，用粗筛子将氧化锆球和原料分离并收集原料。

配制粘结剂：每60～80g醇酸清漆加入到240～400g丙酮中搅匀。

将混好的原料倒入立式双螺旋搅拌设备中，开动搅拌，匀速缓慢倒入原料重量8％的粘结剂。继续搅拌至物料成均匀颗粒为止。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44～300μm。

将制得的团聚型铝硅聚苯酯复合粉末等离子喷涂，即可得到可磨耗封严涂层，涂层金相组织形貌如图3所示。

将原机械混合型铝硅聚苯酯粉末等离子喷涂，涂层金相组织形貌如图4所示。对比图3和图4可以看出，本发明涂层均匀性明显改善。

分别测试采用团聚型铝硅聚苯酯复合粉末和原机械混合型铝硅聚苯酯粉末制备的涂层的表面洛氏硬度和抗拉结合强度，数据对比如表1所示。本发明有效降低了涂层硬度，提高了涂层的可磨耗性，同时不损失涂层的结合强度，保证了涂层的抗冲蚀性；且大量喷涂实验表明，本发明的涂层批次一致性更好。

表1

分别采用团聚型铝硅聚苯酯复合粉末和原机械混合型铝硅聚苯酯粉末制备的涂层，在200℃下保温1000h，随着保温时间的延长，两种涂层的硬度和结合强度变化如图5所示。本发明的涂层在实验条件下结合强度的降低程度较小，说明本发明涂层在长时间高温服役条件下结合性能更优。这是由于本发明涂层组织更均匀，无非金属相聚苯酯的偏聚，因此在长时间高温条件下不会因为聚苯酯逐渐分解损失而导致涂层中出现明显结合薄弱部位，从而大幅降低涂层的结合强度。本发明涂层有效改善了涂层在长期高温服役条件下易产生涂层局部脱落掉块的现象。

实施例2

取原材料铝锭、硅块，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。

将聚苯酯粉末、铝硅合金粉末按质量比25～15:75～85先后加入卧式滚动球磨机料腔，加入氧化锆球(Φ8mm或Φ10mm)作为球磨介质，料球比按质量比5:3。进行球磨混合3h。混好后，用粗筛子将氧化锆球和原料分离并收集原料。

配制粘结剂：每60～80g醇酸清漆加入到240～400g丙酮中搅匀。

将混好的原料倒入立式双螺旋搅拌设备中，开动搅拌，匀速缓慢倒入原料重量10％的粘结剂。继续搅拌至物料成均匀颗粒为止。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44～300μm。

本实施例制得的团聚型铝硅聚苯酯复合粉末经等离子喷涂制备的封严涂层结合强度≥12MPa，表面洛氏硬度为65～80HR15Y。

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 (10)

1.铝基封严涂层用团聚型复合粉末，其特征在于：所述团聚型复合粉末为铝硅合金粉末与聚苯酯粉末的预制团聚粉末，每个团聚粉末颗粒的内部结构为若干聚苯酯颗粒分别被铝硅合金颗粒所包围；所述铝硅合金粉末颗粒的主粒径区间为1～44μm；所述聚苯酯粉末颗粒的主粒径区间为44～150μm；所述团聚粉末颗粒的主粒径区间为44～300μm。

2.制备权利要求1所述团聚型复合粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过雾化工艺制取铝硅合金粉末；

(2)通过球磨分散工艺获得铝硅合金粉末与聚苯酯粉末的均匀混合物，具体方法为：先后在料腔中加入聚苯酯粉末、铝硅合金粉末和球磨介质，球磨混合，然后将球磨介质与粉末分离得到均匀混合物；

(3)通过搅拌粘结工艺制备团聚型复合粉末，具体方法为：在搅拌设备中加入步骤(2)得到的均匀混合物，并加入混合物重量5～10％的粘结剂，搅拌至粉末聚合成复合颗粒，然后干燥、筛分得到团聚型复合粉末。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的雾化工艺为真空惰气雾化。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述球磨介质为陶瓷球磨介质。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述球磨介质为氧化锆磨球。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述球磨分散工艺为卧式滚动球磨分散工艺，球磨混合参数为：粉末与球磨介质的质量比为1:3～3:1，料腔充满系数为0.6～0.8，混合时间为2～4h。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的搅拌设备为立式双螺旋搅拌设备。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中铝硅合金粉末和聚苯酯粉末的比例为聚苯酯粉末占10～50wt％，其余为铝硅合金粉末。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中铝硅合金粉末颗粒的主粒径区间为1～44μm；所述聚苯酯粉末颗粒的主粒径区间为44～150μm。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中粘结剂由醇酸清漆和丙酮配制，醇酸清漆和丙酮重量比为1:4～1:5。