CN110565040A - 一种高沉积率的复合封严涂层粉末及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高可磨耗组分沉积率的复合封严涂层粉末及其制备方法，属于燃气轮机技术领域。复合封严涂层粉末由金属骨架组分包覆非金属可磨耗组分构成的复合颗粒和占有一定比例的自由态金属骨架组分颗粒组成，自由态骨架组分颗粒在其熔化及被加速后能够“捕获”其附近的可磨耗组分及复合颗粒，通过覆盖、粘结、裹挟等方式将不易沉积的可磨耗组分附着到基体上，起到辅助沉积的作用，从而提高可磨耗组分及粉末整体的沉积率。本发明可提高复合封严涂层的制备效率、节省成本，在航空发动机和燃气轮机中应用前景广阔。

Description

一种高沉积率的复合封严涂层粉末及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于航空发动机压气机气路间隙控制的可磨耗封严涂层复合粉末及其制备方法，属于燃气轮机技术领域。
背景技术
可磨耗封严涂层涂覆于燃气轮机静子部件表面，在高温高速工况下与转子部件对磨时能够发生主动磨耗，从而可通过转、静子的过盈配合实现转、静子之间最小间隙的控制，同时保护转子部件不被磨损，其对于降低燃气轮机油耗、提高效率和运行安全性具有重要意义。可磨耗封严涂层由可磨耗组分和骨架组分组成，可磨耗组分一般为低剪切强度的非金属材料如石墨、氮化硼、聚苯酯等，提供涂层的可磨耗性；骨架组分一般是Al、AlSi、CuAl、NiCr等金属或陶瓷，赋予涂层一定的强度及抗氧化性等。可磨耗封严涂层最主要的制备工艺为热喷涂。
可磨耗涂层一般采用热喷涂工艺制备，其过程为采用高温高速火焰将涂层材料熔化、加速后，喷射到基体表面形成涂层。可磨耗涂层粉末材料由可磨耗组分和骨架组分组成，可磨耗组分一般为低剪切强度的非金属材料如石墨、氮化硼、聚苯酯等，骨架组分一般是Al、AlSi、CuAl、NiCr等金属或陶瓷。骨架组分容易被高温高速焰流熔化及加速，能够以液态或半固态形式贴合在基体上，在喷涂中具有高的沉积率，而可磨耗组分由于其质轻、易氧化、塑性差等原因，在热喷涂焰流中不易加速、容易烧损、在撞击到基体后容易散落等，导致其沉积率很低。
可磨耗封严涂层中可磨耗组分的含量对其可磨耗性至关重要，但是由于可磨耗组分质轻、易氧化、塑性差、粘附性差等原因，在热喷涂焰流中不易加速、容易烧损、在撞击到基体后容易散落等，导致其沉积率很低，并引起整体粉末的喷涂沉积率较低。可磨耗封严涂层在热喷涂过程中可磨耗组分损失的控制是本领域要解决的一个重要问题。
以往为解决可磨耗组分沉积率低的问题，一般采取骨架组分包覆可磨耗组分的粉末颗粒结构，这种包覆结构的粉末颗粒设计在一定程度上能够提高粉末的沉积率，但是由于具备包覆结构的粉末颗粒在热喷涂焰流中其包覆结构仍然有一定程度的破坏，且其粒径较粗大不易熔化，导致粉末的沉积率仍然较低。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种高沉积率的复合封严涂层粉末，克服现有复合封严粉末在喷涂过程中可磨耗组分不易沉积，涂层中可磨耗组分含量低、涂层可磨耗性差，粉末整体沉积率低、生产效率不高等问题，提出了创新的粉末设计和制备方案。
经过本发明人员的不懈努力，发现了利用自由态金属组分颗粒提高封严涂层粉末沉积率的最佳的颗粒组成方案，具体技术方案如下。
一种高沉积率的复合封严涂层粉末，其特征在于，复合封严涂层粉末由两种颗粒组成，一种是金属组分包覆非金属组分的复合颗粒，另一种是自由态金属组分颗粒，所述自由态金属组分颗粒在复合封严涂层粉末中的重量占比为5％～15％。自由态金属组分颗粒的重量占比对于粉末的沉积率有重要影响，占比过少起不到辅助沉积的作用，占比过多则导致涂层中金属组分过多，降低涂层可磨耗性。
复合粉末由金属骨架组分包覆非金属可磨耗组分构成的复合颗粒和占有一定比例的自由态金属骨架组分颗粒组成，自由态金属骨架组分颗粒的粒度较细、自身导热性好，在热喷涂焰流中易于熔化，在其熔化后能够“捕获”其附近的金属骨架组分包覆非金属可磨耗组分构成的复合颗粒，通过覆盖、粘结、裹挟等方式将不易沉积的可磨耗组分粘附到基体上，从而起到辅助沉积的作用，提高可磨耗组分及粉末整体的沉积率。
进一步地，所述金属组分包覆非金属组分的复合颗粒的结构是若干个粒径为1～20μm的金属组分颗粒通过粘结剂包覆在粒径为60～180μm的单个非金属组分颗粒表面，所构成的复合颗粒主粒径范围为70～250μm；所述自由态金属组分颗粒为单个颗粒的金属或合金粉末颗粒，主粒径范围为5～100μm。
进一步地，所述金属组分是Al及其合金、Ti及其合金、Cu及其合金、Ni及其合金、Co及其合金中的一种或多种；所述非金属组分是氮化硼、聚苯酯、石墨、硅藻土、膨润土中的一种或多种；所述粘结剂是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、偏硅酸钠、醇酸清漆、纯丙乳液有机粘结剂中的一种或多种，或者是无机粘结剂。
进一步地，按重量计，金属组分占比60％～90％，非金属组分占比10％～40％，粘结剂占比0.1％～10％。
本发明的另一目的是提供一种高沉积率的复合封严涂层粉末的制备方法，包括以下步骤：
(1)将金属组分粉末与非金属组分粉末按重量比配置并混合均匀，然后加入粘结剂及其溶剂，采用边加热边机械搅拌的方式搅拌至物料干燥成粒；
(2)将金属组分粉末与步骤(1)制取的粉末按比例配置并机械搅拌均匀，获得复合封严涂层粉末。
进一步地，步骤(1)所述金属组分粉末粒径为1～20μm，所述非金属组分粉末粒径为60～180μm；步骤(2)所述金属组分粉末粒径为5～100μm。
进一步地，所述金属组分是Al及其合金、Ti及其合金、Cu及其合金、Ni及其合金、Co及其合金中的一种或多种；所述非金属组分是氮化硼、聚苯酯、石墨、硅藻土、膨润土中的一种或多种；所述粘结剂是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、偏硅酸钠、醇酸清漆、纯丙乳液有机粘结剂中的一种或多种，或者是无机粘结剂。
进一步地，步骤(2)加入的金属组分粉末在复合封严涂层粉末中的重量占比为5％～15％。
进一步地，按重量计，金属组分占比60％～90％，非金属组分占比10％～40％，粘结剂占比0.1％～10％。
进一步地，步骤(1)加热温度为50～180℃。
采用本发明粉末与现有技术粉末相比，在同等化学成分的情况下，粉末的沉积率通常可提高10％～30％，如对于氮化硼含量为20％的铝硅氮化硼粉末，沉积率由35％提升至48％；对于石墨含量为18％的铝硅石墨粉末，沉积率由22％提高至38％；对于石墨含量15％的铜铝石墨粉末，沉积率由41％提升至52％。
具体实施方式
实施例1
步骤一：采用雾化工艺制备AlSi合金粉末，其中Si含量12％；采用压制-烧结-破碎工艺制取氮化硼粉末；
步骤二：将步骤一制备的AlSi合金粉末进行筛分或气流分级，分别获得粒度1～20μm和5μm～100μm的AlSi粉末；将步骤一制备的氮化硼粉末进行筛分分级，获得粒度60μm～180μm的氮化硼粉末；
步骤三：将步骤二获得的1～20μm AlSi粉末与步骤二获得的氮化硼粉末按照7：2重量比进行配料，并加入总重量5％的聚乙烯醇粘结剂，采用直径40cm的一字型搅拌桨，以30r/min的速度对物料搅拌60min以上，搅拌过程中对物料进行加热，加热温度100℃，获得的AlSi包覆氮化硼粉末；
步骤四：将步骤二获得的5μm～100μm的AlSi粉末和步骤三获得的AlSi包覆氮化硼粉末，按照1：9的重量比进行配料，采用直径40cm的一字型搅拌桨，以10r/min的速度对物料搅拌15min，获得最终复合粉末。
实施例2
步骤一：采用雾化工艺制备AlSi合金粉末，其中Si含量12％；选取粒度60μm～120μm的石墨粉末
步骤二：将步骤一制备的AlSi合金粉末进行筛分或气流分级，分别获得粒度1μm～20μm和5μm～100μm的AlSi粉末；
步骤三：将步骤二获得的1μm～20μm的AlSi粉末与石墨粉末按照2：1重量比进行配料，并加入总重量5％的聚乙烯吡咯烷酮粘结剂，采用直径35cm的一字型搅拌桨，以30r/min的速度对物料搅拌40min～60min，搅拌过程中对物料进行加热，加热温度80℃，获得AlSi包覆石墨粉末；
步骤四：将5μm～100μm的AlSi粉末和步骤三制得的粉末，按照1：9的重量比进行配料，采用直径35cm的一字型搅拌桨，以12r/min的速度对物料搅拌30min，获得最终复合粉末。
实施例3
步骤一：采用雾化工艺制备CuAl合金粉末，其中Al含量9％；选取60μm～120μm的石墨粉末；
步骤二：将步骤一制备的CuAl合金粉末进行筛分，分别获得粒度1μm～20μm和25μm～100μm的CuAl粉末；
步骤三：将1μm～20μm的CuAl粉末和石墨粉末按照5：1重量比进行配料，并加入固含量占总物料重量5％的纯丙乳液，采用直径35cm的一字型搅拌桨，以30r/min的速度对物料搅拌40min～80min，搅拌过程中对物料进行加热，加热温度140℃，获得CuAl包覆石墨复合粉末。
步骤四：将25μm～100μm的CuAl粉末和步骤三制得的粉末，按照1：9的重量比进行配料，采用直径35cm的一字型搅拌桨，以12r/min的速度对物料搅拌15min，获得最终复合粉末。

Claims (10)

1.一种高沉积率的复合封严涂层粉末，其特征在于，复合封严涂层粉末由两种颗粒组成，一种是金属组分包覆非金属组分的复合颗粒，另一种是自由态金属组分颗粒，所述自由态金属组分颗粒在复合封严涂层粉末中的重量占比为5％～15％。
2.根据权利要求1所述的复合封严涂层粉末，其特征在于，所述金属组分包覆非金属组分的复合颗粒的结构是若干个粒径为1～20μm的金属组分颗粒通过粘结剂包覆在粒径为60～180μm的单个非金属组分颗粒表面，所构成的复合颗粒主粒径范围为70～250μm；所述自由态金属组分颗粒为单个颗粒的金属或合金粉末颗粒，主粒径范围为5～100μm。
3.根据权利要求2所述的复合封严涂层粉末，其特征在于，所述金属组分是Al及其合金、Ti及其合金、Cu及其合金、Ni及其合金、Co及其合金中的一种或多种；所述非金属组分是氮化硼、聚苯酯、石墨、硅藻土、膨润土中的一种或多种；所述粘结剂是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、偏硅酸钠、醇酸清漆、纯丙乳液有机粘结剂中的一种或多种，或者是无机粘结剂。
4.根据权利要求2所述的复合封严涂层粉末，其特征在于，按重量计，金属组分占比60％～90％，非金属组分占比10％～40％，粘结剂占比0.1％～10％。
5.一种高沉积率的复合封严涂层粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将金属组分粉末与非金属组分粉末按重量比配置并混合均匀，然后加入粘结剂及其溶剂，采用边加热边机械搅拌的方式搅拌至物料干燥成粒；
(2)将金属组分粉末与步骤(1)制取的粉末按比例配置并机械搅拌均匀，获得复合封严涂层粉末。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述金属组分粉末粒径为1～20μm，所述非金属组分粉末粒径为60～180μm；步骤(2)所述金属组分粉末粒径为5～100μm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述金属组分是Al及其合金、Ti及其合金、Cu及其合金、Ni及其合金、Co及其合金中的一种或多种；所述非金属组分是氮化硼、聚苯酯、石墨、硅藻土、膨润土中的一种或多种；所述粘结剂是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、偏硅酸钠、醇酸清漆、纯丙乳液有机粘结剂中的一种或多种，或者是无机粘结剂。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)加入的金属组分粉末在复合封严涂层粉末中的重量占比为5％～15％。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，按重量计，金属组分占比60％～90％，非金属组分占比10％～40％，粘结剂占比0.1％～10％。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)加热温度为50～180℃。
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