CN108465811A - 长寿命封严涂层用镍铬铝镍石墨复合粉末及其制备方法 - Google Patents

长寿命封严涂层用镍铬铝镍石墨复合粉末及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长寿命封严涂层用镍铬铝镍石墨粉末及其制备方法，属于热喷涂技术领域。它由以下组分(按重量)组成：Cr：4～18％，Al：1～10％，Cg：12～30％，RE：0.1～1％，有机粘结剂：2.5～10％，Ni：余量。通过材料化学成分、组分形态和尺寸、粉末颗粒结构等优化，显著提高了所制备涂层的抗氧化性和可磨耗性，涂层在650℃下的服役寿命是现有材料涂层的2～3倍，在航空发动机和燃气轮机中具有广阔的应用前景。

Description

长寿命封严涂层用镍铬铝镍石墨复合粉末及其制备方法
技术领域
本发明属于热喷涂用可磨耗间隙控制涂层及其材料制备技术领域，涉及应用温度为650℃的长寿命高温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。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。
封严大多由一定的金属相和具有自润滑功能的非金属相的复合材料组成。其中金属相形成涂层的骨架，作用是抗冲蚀、抗氧化，保证涂层自身的强度以及和基体的结合强度。非金属相大多具有低的硬度、低的剪切强度和低的摩擦系数，主要作用是保证可磨耗性、减摩、抗粘着。
封严技术中使用的复合粉末依使用温度不同而多种多样，可分为中低温涂层、中温涂层和高温涂层。其中，镍铬铝镍石墨复合封严涂层属于高温涂层，工作温度不大于650℃，主要用于航空发动机高压压气机机匣部位封严。现有的镍铬铝镍石墨粉末以NiCr合金金属相为骨架，以人造石墨等非金属相为可磨耗组分，并且复合粉末制备过程只是简单的物理机械混合，存在着抗氧化性、抗冲蚀性不足，涂层组织均匀性较差、易脱落掉块及损伤对磨件等问题，涂层服役寿命短，一般使用300～500h即需更换，维修成本高昂。
发明内容
本发明的目的是为了克服原有技术的不足，而提供一种抗氧化性优异、可磨耗性和抗冲蚀性得到优化平衡的长寿命封严涂层用镍铬铝镍石墨封严复合粉末材料及制备方法，该涂层具有抗高温氧化性能优异、可磨耗性优良、组织均匀和结合力高的特点。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种长寿命封严涂层用镍铬铝镍石墨复合粉末，其特征在于，所述粉末由以下组分组成，按重量计：Cr：4～18％，Al：1～10％，Cg：12～30％，RE：0.1～1％，粘结剂：2.5～10％，Ni：余量，RE为稀土元素。RE优选Y、Ce中的一种或两种。
进一步地，所述Cr、RE元素以镍基合金粉形式加入，Al元素以纳米Al粉包覆Ni-Cr-RE镍基合金粉形式加入，Cg为鳞片状天然石墨。
进一步地，所述复合粉末由纳米Al包覆Ni-Cr-RE复合粉通过粘结剂与镍包片状天然石墨形成的复合颗粒组成。
进一步地，所述粘结剂是分解温度大于200℃的有机粘结剂。
进一步地，所述有机粘结剂是：聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、瓜尔胶、醇酸清漆、丙烯酸酯、聚乙烯吡咯烷酮或羧甲基纤维素钠中的一种或多种。
本发明的另一目的是提供一种长寿命封严涂层用镍铬铝镍石墨复合粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备Ni-Cr-RE合金粉中间料：采用雾化工艺制备Ni-Cr-RE合金粉；
(2)制备纳米Al包覆Ni-Cr-RE复合粉中间料：在搅拌设备中加入步骤(1)制取的Ni-Cr-RE合金粉末进行搅拌，同时加入总原料重量1～3％的粘结剂，混合均匀后加入纳米Al粉，再进行均匀搅拌，停机出料，干燥；
(3)制备镍包鳞片状天然石墨中间料：以化学镀-水热氢还原双联工艺制备镍包鳞片状天然石墨中间料，首先对活化、敏化后的天然石墨进行化学镀，在片状石墨表面形成较完整的Ni膜，然后采用常规氢还原工艺进一步包Ni层，达到所需包覆层厚度及成分比例；
(4)制备最终产品：将步骤(2)制备的纳米Al包覆Ni-Cr-RE复合粉中间料与步骤(3)制备的镍包片状天然石墨中间料加入搅拌设备中，同时加入总原料重量3～12％的粘结剂，进行均匀搅拌，停机出料，干燥。
所述粘结剂由所述有机粘结剂和溶剂混合而成，所述溶剂为：丙酮、甲基乙基酮、水或二甲苯中的一种，混合比例为有机粘结剂与溶剂体积比为1:2～1:10。
高温可磨耗封严涂层材料需要在抗氧化性、可磨耗性和抗冲蚀性之间平衡，涂层的致密性越高，其抗氧化性和抗冲蚀性越好，但可磨耗性变差；涂层致密度越低可磨耗性越好，但抗氧化性和抗冲蚀性越差。目前服役温度在650℃的混合型镍铬铝镍石墨高温封严涂层组织较为疏松，但是涂层抗氧化性和抗冲蚀性较差，且涂层组织不均匀、在高温下易烧结硬化，使用一段时间后易磨损叶片，涂层服役寿命较短，一般经过300～500h使用即需要更换，维修成本高昂。本发明的发明人经过不懈努力，在原有镍铬铝镍石墨混合型复合粉末基础上，通过引入Y、Ce等活性元素，提高涂层骨架的抗氧化性；通过引入高比例的耐热有机粘结剂在涂层中形成不同形貌和尺寸的孔洞，提高涂层的抗烧结硬化性能，并将不同组分组元粘结成复合颗粒，解决粉末组分不均匀、涂层组织不均匀的问题；通过引入纳米Al粉组元提高Ni、Al的自放热效应，提高涂层结合强度等，实现了涂层在抗氧化性、可磨耗性和抗冲蚀性之间更优的平衡，获得了长寿命高温封严涂层材料。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)创造性地在骨架NiCr合金中加入活性元素Y、Ce，不仅能够促进低Cr含量NiCr合金骨架表面形成连续致密的防护性Cr2O3膜层、增强膜层的附着力，并且能够阻碍NiCr骨架在长期高温服役后其晶粒长大，避免晶粒长大后氧化膜形成元素Cr的扩散时间变长，确保防护性Cr2O3膜层在受损后能够被快速修复，从而在同等组织疏松程度下显著提高涂层在长期高温服役的抗高温氧化性能。
(2)在材料组分中引入高比例的耐热有机粘结剂并将其填充于不同组分颗粒之间的缝隙，热喷涂后有机粘结剂残留在涂层中形成多种形态和不同尺寸的孔隙和孔洞，显著提高涂层的抗烧结致密化性，使涂层在长期高温服役后仍能保持良好的可磨耗性；同时有机粘结剂作为粘结剂将复杂组分连接为团聚体，解决原混合粉末组分偏聚造成的涂层组织不均匀问题。
(3)以石墨化程度高的鳞片状天然石墨替代人工石墨为可磨耗组分，其润滑性和热稳定性更好，提高涂层可磨耗性；以化学镀-氢还原双联工艺制备镍包鳞片状天然石墨，解决传统氢还原工艺无法均匀完整包覆片状天然石墨的问题，提高涂层中石墨的含量。
(4)以纳米铝粉替代常规铝粉包覆Ni-Cr-RE合金颗粒，提高了包覆完整性和均匀性，在喷涂过程中铝与镍的放热反应更为剧烈，实现涂层骨架的局部冶金焊合，在同等疏松程度下提高了涂层的抗冲蚀性能和结合力。
附图说明
图1为本发明提供的长寿命封严涂层用镍铬铝镍石墨粉末形貌。
图2为现有技术的镍铬铝/镍石墨粉末形貌。
图3为本发明提供的长寿命镍铬铝镍石墨涂层的金相组织形貌。
图4为现有技术的镍铬铝镍石墨涂层的金相组织形貌。
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。
采用气雾化方法制备Ni-Cr-RE合金粉末，通过筛分控制粉末主粒度在5～48μm。在搅拌设备中加入Ni-Cr-RE合金粉，同时加入总原料重量1～3％粘结剂；粘结剂与镍铬合金粉充分润湿后，加入粒度为30～800nm的铝粉，再进行均匀搅拌，充分搅拌后干燥制得纳米Al包Ni-Cr-RE复合粉末中间材料。
将经过酸洗的鳞片状天然石墨，加入到由氨溶液、硫酸镍、催化剂等配成的化学镀液中，在室温反应0.5～2h，对鳞片石墨进行化学镀镍；取出后采用常规氢还原工艺进行镍包覆处理，制得镍包鳞片天然石墨复合粉中间材料。
在搅拌设备中加入纳米Al包Ni-Cr-RE复合粉末和镍包鳞片石墨粉末，进行搅拌混合，待搅拌均匀后加入总原料重量3～12％的粘结剂，继续进行均匀搅拌至粉末成粒，干燥后筛分获得新型镍铬铝镍石墨复合粉末，其形貌如图1所示。现有技术的镍铬铝/镍石墨粉末形貌如图2所示。
采用本发明镍铬铝镍石墨粉末，通过火焰喷涂制备的镍铬铝镍石墨封严涂层，涂层的金相组织形貌如图3所示，涂层工作温度为650℃，结合强度≥7MPa；HR15Y硬度为35～75(可调)；涂层在650℃空气中氧化1000h后，结合强度≥7MPa；HR15Y硬度为35～75。同等条件下制备现有技术的镍铬铝/镍石墨粉末涂层，其金相组织形貌如图4所示，涂层在650℃氧化300～500h即发生严重硬化及局部脱落等。采用本发明镍铬铝镍石墨粉末制备的涂层，经发动机试车1300余小时后涂层仍完好，无需更换。

Claims (8)

1.长寿命封严涂层用镍铬铝镍石墨复合粉末，其特征在于，所述粉末由以下组分组成，按重量计：Cr：4～18％，Al：1～10％，Cg：12～30％，RE：0.1～1％，粘结剂：2.5～10％，Ni：余量。
2.根据权利要求1所述的复合粉末，其特征在于，所述Cr、RE元素以镍基合金粉形式加入，Al元素以纳米Al粉包覆镍基合金粉形式加入，Cg为鳞片状天然石墨。
3.根据权利要求1所述的复合粉末，RE为Y、Ce中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的复合粉末，其特征在于，所述复合粉末由纳米Al包覆镍基合金粉通过粘结剂与镍包石墨形成的复合颗粒组成。
5.根据权利要求1所述的复合粉末，其特征在于，所述粘结剂是分解温度大于200℃的有机粘结剂。
6.根据权利要求5所述的复合粉末，其特征在于，所述有机粘结剂是：聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、瓜尔胶、醇酸清漆、丙烯酸酯、聚乙烯吡咯烷酮或羧甲基纤维素钠中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的复合粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备Ni-Cr-RE合金粉中间料：采用雾化工艺制备Ni-Cr-RE合金粉；
(2)制备纳米Al包覆Ni-Cr-RE复合粉中间料：在搅拌设备中加入步骤(1)制取的Ni-Cr-RE合金粉末进行搅拌，同时加入总原料重量1～3％的粘结剂，混合均匀后加入纳米Al粉，再进行均匀搅拌，停机出料，干燥；
(3)制备镍包鳞片状天然石墨中间料：以化学镀-水热氢还原双联工艺制备镍包鳞片状天然石墨中间料，首先对活化、敏化后的天然石墨进行化学镀，在片状石墨表面形成较完整的Ni膜，然后采用常规氢还原工艺进一步包Ni层，达到所需包覆层厚度及成分比例；
(4)制备最终产品：将步骤(2)制备的纳米Al包覆Ni-Cr-RE复合粉中间料与步骤(3)制备的镍包片状天然石墨中间料加入搅拌设备中，同时加入总原料重量3～12％的粘结剂，进行均匀搅拌，停机出料，干燥。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂由所述有机粘结剂和溶剂混合而成，所述溶剂为：丙酮、甲基乙基酮、水或二甲苯中的一种，混合比例为有机粘结剂与溶剂体积比为1:2～1:10。
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