CN111496246B - 一种通过料浆包裹加热固化制备机械包覆粉末的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过料浆包裹加热固化制备机械包覆粉末的方法，属于航空发动机及燃气轮机技术领域，包括以下步骤：(1)将可磨耗组分粉末、骨架组分粉末与粘结剂配置成浆料并搅拌均匀；(2)对分散均匀的料浆进行三段式边加热边搅拌的“料浆包裹+加热固化”机械包覆制粉：第一段为高温快速涡轮式搅拌，实现物料的料浆包裹；第二段为中温中速框式搅拌，实现有机胶膜的加热固化；第三段为低温慢速桨叶式搅拌，实现固态颗粒团块的柔性打散；(3)对打散后的粉末进行筛分获得最终成品粉末。与现有技术相比，采用本发明的制备方法，可将粉末成品率提高40％以上，粉末制备时间缩短20％以上。

Description

一种通过料浆包裹加热固化制备机械包覆粉末的方法

技术领域

本发明属于航空发动机及燃气轮机技术领域，涉及一种制备复合粉末的方法，具体涉及一种通过料浆包裹加热固化制备机械包覆粉末的方法。

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。

用骨架组分包覆易损失的可磨耗组分构成包覆型复合颗粒粉末，可有效降低可磨耗组分的损失，是减少可磨耗组分热喷涂损失的一个主要技术手段。机械包覆工艺是制备包覆型粉末的一种重要方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备机械包覆粉末的方法，克服现有机械包覆工艺粉末成品率低、制备效率低等问题。经过发明人的不懈努力，发明了采用“料浆包裹+加热固化”的工艺方法，可有效提高机械包覆粉末的成品率及制备效率，具体技术方案如下。

一种通过料浆包裹加热固化制备机械包覆粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将可磨耗组分粉末、骨架组分粉末与粘结剂配置成浆料并搅拌均匀；

(2)对分散均匀的料浆进行三段式边加热边搅拌的“料浆包裹+加热固化”机械包覆制粉：第一段为高温快速涡轮式搅拌，实现物料的料浆包裹；第二段为中温中速框式搅拌，实现有机胶膜的加热固化；第三段为低温慢速桨叶式搅拌，实现固态颗粒团块的柔性打散；

(3)对打散后的粉末进行筛分获得最终成品粉末。

进一步地，所述可磨耗组分粉末，包括但不限于石墨、氮化硼、聚苯酯、膨润土、硅藻土等中的一种或几种的混合物，粉末粒度45μm～200μm。

进一步地，所述骨架组分粉末，包括但不限于Al、AlSi、CuAl、NiCr等金属或陶瓷等中的一种或几种的混合物，粉末粒度不大于45μm。

进一步地，所述第一段高温快速涡轮式搅拌工艺参数为：温度130℃～150℃，搅拌速度40rpm～60rpm，搅拌桨为涡轮式，搅拌时间40min～60min。

进一步地，所述第二段中温中速框式搅拌工艺参数为：温度110℃～130℃，搅拌速度20rpm～30rpm，搅拌桨为框式或锚式，搅拌时间20min～30min。

进一步地，所述第三段低温慢速桨叶式搅拌工艺参数为：温度80℃～100℃，搅拌速度10rpm～20rpm，搅拌桨为桨叶式，搅拌时间80min～100min。

进一步地，所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酸乳胶、羧甲基纤维素中的一种或几种。

进一步地，所述对打散后的粉末进行筛分获得最终成品粉末，筛分的目数根据最终产品要求选择，包括但不限于30目、60目、100目、140目等。

经过发明人的不懈努力，发现机械包覆制粉过程中物料主要经历了浆料态、半固态、块状固态、粉状固态四个状态：(1)浆料态阶段主要使物料均匀分散；(2)半固态阶段粘结剂浓度增大，开始在颗粒表面形成包裹膜层；(3)块状固态阶段包覆颗粒已形成，颗粒间还存在较强粘连；(4)粉状固态阶段颗粒间粘连被打断，形成粉末。四个状态下物料特性差异很大，以往机械包覆制备方法在整个工艺过程中均采用单一搅拌参数，导致料浆包裹、加热固化、颗粒打散等过程进行的不充分，导致成品率低、制备效率低等不足。

经过发明人的不懈努力，针对机械包覆制粉过程中物料四个状态的特点，提出了三段式控制搅拌的方法，能够确保物料的料浆包裹、加热固化、颗粒打散等过程充分进行，显著提高粉末成品率和制备效率。具体方案如下。

第一状态，浆料态阶段主要使物料均匀分散，可采取较快搅拌速度，此时物料的粘性较小，采用涡轮式搅拌桨即可充分均匀搅拌浆料，搅拌效率高，与桨叶式或框式搅拌相比搅拌时间可缩短20％～30％；温度130℃～150℃，搅拌速度40rpm～60rpm，搅拌时间40min～60min，可获得较好的料浆分散效果。

第二状态，半固态阶段物料粘结剂浓度增大，开始在颗粒表面形成包裹膜层，物料粘性大，此时宜采用中温中速框式搅拌：温度110℃～130℃，避免物料局部板结；搅拌速度20rpm～30rpm，搅拌桨为框式或锚式，搅拌时间20min～30min，与采用高温桨叶式或涡轮式搅拌相比，搅拌时间可缩短20％～80％，物料板结率可降低20％以上。

第三、四状态，块状固态阶段包覆颗粒已形成，颗粒间还存在较强粘连；粉状固态阶段颗粒间粘连被打断，形成粉末。此阶段需控制搅拌时间，以避免包覆完整的颗粒被再次打碎，采用低温慢速桨叶式搅拌，温度80℃～100℃，搅拌速度10rpm～20rpm，搅拌桨为桨叶式，搅拌时间80min～100min。慢速桨叶式搅拌可实现柔性搅拌，避免完整的颗粒被再次打碎，较低温度搅拌可避免粉末沸腾。采用所述低温慢速桨叶式搅拌可将粉末成品率提高30％以上。

与现有技术相比，采用本发明的制备方法，可将粉末成品率提高40％以上，粉末制备时间缩短20％以上。

具体实施方式

实施例

步骤一：采用雾化工艺制备NiCr合金粉末，其中Cr含量20％；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NiCr合金粉末进行筛分或气流分级，获得粒度1～20μm的NiCr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 NiCr粉末与步骤二获得的氮化硼粉末按照4：1重量比进行配料，总配料量50kg，并加入总重量5％的聚乙烯醇粘结剂，放入直径50cm、深60cm的可加热搅拌釜中，采用直径40cm的涡轮式搅拌桨；搅拌桨叶片数量6、叶片倾角45°、叶片宽度5.5cm、叶片厚度0.4cm、材质为316L不锈钢，以45rpm的速度对物料搅拌50min，搅拌过程中对物料进行加热，温度145℃±5℃。

步骤四：将涡轮式搅拌桨替换为宽度48.5cm、长度54cm的“田”字型框式搅拌桨；搅拌桨叶片宽度6.0cm、叶片厚度0.8cm、材质为316L不锈钢，以25rpm的速度对物料搅拌25min；搅拌过程中对物料进行加热，温度120℃±5℃。

步骤五：将框式搅拌桨替换为宽度40cm的折叶式桨叶式搅拌桨；搅拌桨叶片数2，一字式分布，叶片倾角30°，叶片宽度8.0cm、叶片厚度0.4cm，材质为316L不锈钢，以15rpm的速度对物料搅拌90min；搅拌过程中对物料进行加热，温度90℃±5℃。

步骤六：用60目标准筛对步骤五获得的粉末进行筛分，获得最终粉末。

实施例制备镍铬氮化硼机械包覆粉末，成品率为87％，搅拌工序净耗时2.75h，切换搅拌桨耗时0.25h，机械包覆工序总耗时3h。

对比例

步骤一：采用雾化工艺制备NiCr合金粉末，其中Cr含量20％；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NiCr合金粉末进行筛分或气流分级，获得粒度1～20μm的NiCr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 NiCr粉末与步骤二获得的氮化硼粉末按照4：1重量比进行配料，总配料量50kg，并加入总重量5％的聚乙烯醇粘结剂，放入直径50cm、深60cm的可加热搅拌釜中。采用直径40cm的一字型搅拌桨搅拌，叶片倾角90°，叶片宽度8.0cm、叶片厚度0.4cm，材质为316L不锈钢。搅拌速度45rpm，搅拌4h，搅拌过程中对物料进行加热，温度145℃±5℃。

步骤四：用60目标准筛对步骤三获得的粉末进行筛分，获得最终粉末。

对比例制备镍铬氮化硼机械包覆粉末，成品率为54％，机械包覆工序总耗时4h。实施例与对比例相比，成品率提高了61％，制备时间减少了25％。

Claims (4)

1.一种通过料浆包裹加热固化制备机械包覆粉末的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将可磨耗组分粉末、骨架组分粉末与粘结剂配置成浆料并搅拌均匀；所述骨架组分粉末选自Al、AlSi、CuAl、NiCr或陶瓷中的一种或几种，粉末粒度不大于45μm；

(2)对分散均匀的料浆进行三段式边加热边搅拌的“料浆包裹+加热固化”机械包覆制粉：第一段为高温快速涡轮式搅拌，实现物料的料浆包裹，高温快速涡轮式搅拌工艺参数为：温度130℃～150℃，搅拌速度40rpm～60rpm，搅拌桨为涡轮式，搅拌时间40min～60min；第二段为中温中速框式搅拌，实现有机胶膜的加热固化，中温中速框式搅拌工艺参数为：温度110℃～130℃，搅拌速度20rpm～30rpm，搅拌桨为框式，搅拌时间20min～30min；第三段为低温慢速桨叶式搅拌，实现固态颗粒团块的柔性打散，低温慢速桨叶式搅拌工艺参数为：温度80℃～100℃，搅拌速度10rpm～20rpm，搅拌桨为桨叶式，搅拌时间80min～100min；

(3)对打散后的粉末进行筛分获得最终成品粉末。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可磨耗组分粉末，选自石墨、氮化硼、聚苯酯、膨润土、硅藻土中的一种或几种，粉末粒度45μm～200μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、丙烯酸乳胶、羧甲基纤维素中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述筛分的目数根据最终产品要求选择。