CN112646407B - 一种用于压缩机级间密封装置的涂料 - Google Patents

Abstract

一种用于压缩机级间密封装置的涂料，其组成及重量百分比含量为：粒度≤50nm的镍粉不超过35%但不能为零，粒度≤50nm的石墨粉：60~90%，粒度≤50nm的硅粉不超过5%但不能为零。本发明基于国内钢铁企业以副产煤气为燃料的CCPP发电机组煤气压缩机对级间密封涂层的性能特殊需求，提供一种使煤气压缩机在富含大量苯、萘、焦油、硫化物等腐蚀性污染物工况下具有较好的耐冲蚀性、可磨耗性、自润滑性和耐腐蚀性即能保证压缩机压缩过程中的高密封性能。

Description

一种用于压缩机级间密封装置的涂料

技术领域

本发明涉及涉及一种涂料，确切地属于一种用于压缩机级间密封装置的涂料。

背景技术

随着航空技术的日益发展及能源的日渐短缺，对发动机的效率提出了越来越高的要求。据资料报道，在一台高压涡轮机内，叶片与机壳之间的间隙每减小0.13-0.25mm，油耗可减少0.5~1.0%，发动机效率即可提高2%左右。然而，在发动机的制造和运行过程中，由于发动机组件的热膨胀及轴的热变形、转子高速旋转，离心力引起的叶片伸长、零件加工的公差及发动机装配的偏差、发动机加速/减速和飞机着陆等引起的振动及零部件因振动引起的位移等原因，实际上无法将该间隙控制为零。因此，航空发动机设计和制造时，在叶尖与机壳之间要预留2-3mm的间隙，但过大的间隙必将使气体大量泄漏，导致发动机效率降低，而可磨耗复合式涂层的存在将有助于将间隙减小到最低限度。理想的可磨耗复合式涂层应该既具有足够的强度抵抗气体冲蚀的耐冲蚀性能，又具有一定的可磨耗性能，在叶片与涂层发生摩擦碰撞摩擦时，涂层被刮削而不损坏叶片。

复合式密封涂层主要应用于军工航空领域，其压缩介质主要是洁净的空气，如经检索的：

中国专利申请号为CN201310229388.8的文献，公开了《一种复合微-纳米氧化锆基高温可磨耗封严涂层材料及其制备方法》，其包括有基相组分A、基相组分B、粘结组分、固体润滑组分和造孔组分经复合制成，封严涂层材料制备的涂层具有沉积效率高、高温热稳定性强、保证合适的涂层厚度和硬度、可磨耗性及结合强度好等特点。

中国专利申请号为CN201410133083.1的文献，公开了《一种封严涂层复合材料》，其粒径为120～160μm，其结构自内向外依次为粒径50～80μm的聚苯酯微球、厚度为10～30nm的二氧化硅薄膜和铝粉层。无需先制备硅铝合金，直接在聚苯酯微球表面分别形成二氧化硅薄膜和铝粉层。使用时通过等离子喷涂法使之附着于基体表面，聚苯酯作为起润滑作用、抗磨的非金属相，铝作为金属相，用于同基体材料结合，二氧化硅薄膜在喷涂过程中保护聚苯酯不被烧损。喷涂时的聚苯酯烧损率低于1%；与金属基材的结合力psi达1000～1400，沉积效率50%～65%，显微硬度HV110～160，完全可以达到Metco601的标准。

中国专利申请号为CN201310540968.9的文献，公开了《一种基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法》。其包含以下步骤：首先以Al、Si、Cr、Ti或稀土元素的无机盐或有机醇盐为前驱体制备Al2O3或SiO2或Cr2O3或ZrO2等氧化物溶胶或氧化物复合溶胶；然后将氧化物陶瓷基相粉末、润滑相粉末以及造孔相粉末以一定的比例与氧化物溶胶或复合溶胶相混合，按需要加入一定量的粘接剂，经球磨后得到混合均匀的可磨耗复合料浆；随后以涂覆、浸渍-提拉或旋涂方式将可磨耗复合料浆制备于基体材料上，经干燥、热压处理及高温烧结得到陶瓷基高温可磨耗封严涂层。该方法制备的陶瓷基高温可磨耗封严涂层呈均匀结构，孔隙细小且在涂层中均匀分布。

中国专利申请号为CN201410519685.0的文献，公开了《一种可磨耗封严涂层用复合粉末及涂层制备方法》，按重量百分比由以下物质组成：石墨1.5~2.5%，六方氮化硼15.0~20.0%，二氧化硅4.0~8.0%，二氧化铜10.0~13.0%，二氧化镉3.0~5.0%，铝3.0~5.0%，余量为镍；使用权利该复合粉末制备可磨耗封严涂层的方法为等离子喷涂法，喷涂参数为：电流500~600A，氢气流量8~14L/min，氩气流量30~40L/min，喷涂距离100~150mm，送粉量10~20g/min。利用本发明的复合粉末及涂层制备方法，制备的封严涂层使用温度可达到600℃

中国专利申请号为CN201310045723.9的文献，公开了《一种基于热喷涂制备耐冲蚀高温可磨耗封严涂层的方法》，将表面熔化的液固两相颗粒碰撞并沉积在基体表面，控制基体表面温度使液固两相颗粒中的液态部分凝固时形成具有高热稳定性的相结构，基体表面与液固两相颗粒中的固相颗粒之间形成有效结合;后续液固两相颗粒沉积到已经沉积的颗粒表面，逐渐累加形成具有孔隙结构的沉积层;将颗粒尺寸小于沉积层孔隙结构的填充粉末或该填充粉末的前驱体，通过固相或悬浮液的状态填充到沉积层的连通孔隙中，获得具有耐冲蚀、高温可磨耗的封严涂层。

发表于2014，6（1）《热喷涂技术》.上的《利用等离子喷涂工艺对国产化铝硅—聚苯酯粉末喷涂涂层的金相组织、硬度、热稳定性、结合强度等性能的影响》的文章，其研究结果表明：国产化铝硅—聚苯酯粉末可满足喷涂工艺要求，通过调节工艺参数可实现涂层较好的组织分布及力学性能状态，保温50h后涂层硬度有所降低，后期趋干稳定。

发表于2011年4月《航空科学技术》的《封严涂层的性能评价及进展》文章，其阐述了封严涂层系统可以改善飞机燃气涡轮发动机中旋转部件和固定部件之间的密封性，已成为提高发动机工作效率，延长发动机服役寿命的主要方法之一，同时也阐述了目前封严涂层的应用及性能评价的研究进展，描述了未来封严涂层的发展趋势。

综上所述，上述文献中所涉及到封严涂层（可磨耗涂层），均只应用于洁净空气为压缩介质的压缩机中。

钢铁企业CCPP煤气压缩机压缩介质主要是钢铁企业副产的高炉、焦炉煤气，煤气中含有大量的焦油、萘、苯、硫化物以及水蒸汽和固体颗粒等腐蚀性污染物，压缩过程中煤气温度升高至500℃以上，传统的铝硅石墨、铝硅聚苯酯等中温密封涂层均是高分聚合物和金属相的物质通过等离子喷涂加工而成的，压缩过程中更易被腐蚀、冲蚀、磨耗和氧化复使其有机活性基团脆化、老化失效，降低密封涂层使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的铝硅石墨、铝硅聚苯酯等中温密封涂层均是高分聚合物和金属相的物质，通过等离子喷涂加工而成的压缩过程中仅能承受温度300℃左右，且在介质压缩过程中温度升高更易发生腐蚀、冲蚀、磨耗和氧化使其有机活性基团脆化、老化失效，降低密封涂层使用寿命的不足，基于国内钢铁企业以副产煤气为燃料的CCPP发电机组煤气压缩机对级间密封涂层的性能特殊需求，提供一种使煤气压缩机在富含大量苯、萘、焦油、硫化物等腐蚀性污染物工况下具有较好的耐冲蚀性、可磨耗性、自润滑性和耐腐蚀性即能保证压缩机压缩过程中的高密封性能的用于压缩机级间密封装置的涂料。

实现上述目的的措施：

一种用于压缩机级间密封装置的涂料，其组成及重量百分比含量为：粒度≤50nm的镍粉不超过35%但不能为零，粒度≤50nm的石墨粉：60~90%，粒度≤50nm的硅粉不超过5%但不能为零；其性能：涂层耐温度不低于480℃，硬度不低于78 HR15，结合强度不低于10MPa。

优选地：所述粒度≤50nm的镍粉重量百分比含量在12~26%。

优选地：所述粒度≤50nm的石墨粉重量百分比含量在66~83%。

优选地：所述粒度≤50nm的硅粉重量百分比含量在0.8~4.3%。

其在于：所述涂料适用于在富含苯、萘、焦油、硫化物腐蚀性气体的工作环境的压缩机级间密封装置。

本发明中各原料及含量控制的机理及作用

本发明之所以采用金属镍相，是由于其具有较好的抗氧化性，可有效保证密封涂层具有较好的耐冲刷性能，但其含量如高于35%，则会降低涂层可磨耗性，运行中发生叶轮与涂层机械碰撞损伤叶轮；

本发明之所以采用石墨，是由于石墨能使密封涂层具有较好耐腐蚀性、导热性、可磨耗行和蠕变性，承受不低于480℃的高温，但其含量如低于60%，则会降低涂层自润滑性，运行中容易导致密封涂层发生粘接破损现象；如高于90%，则会降低涂层抗冲蚀性能，降低涂层使用寿命；

本发明之所以采用硅元素，是由于其NiSiC是共价键结合的化合物，化学性能稳定，除强氧化性气体及熔融碱，几乎不受其他酸碱的侵蚀，具有优异的耐腐蚀性；同时NiSiC在高温下和氧反应生成致密的Si岛玻璃相，阻止了氧和SiC接触，防止碳化硅继续氧化，因此，SiC可长期使用于1000℃以上，具有较好的高温抗氧化性；还有助于提高涂层的厚度和结合性能,

降低热喷涂金属、合金和陶瓷粉末的空隙率，延长密封使用寿命并提升密封效果。

本发明具有以下优点：

1）采用面层镍石墨代替传统铝硅聚苯酯和铝硅石墨，其优点在于镍石墨具有较好的导热性和耐高温性，可以承受不低于480℃的高温，而传统传统密封涂层使用温度多为300℃左右，超过其所承受温度范围后密封涂层会加速老化失效，因此传统密封涂层压缩过程中必须建立中间冷却装置来确保密封涂层高效服役，而采用新型镍石墨密封涂层可以减少中间冷却装置，减低机组运行成本。

2）面层材料中镍石墨质量百分比可根据CCPP煤气压缩机不同部位的压力、温度等运行参数的不同对其可磨耗性、耐冲蚀性需求不同可以适当调整，针对高压级平衡毂部分对耐冲蚀性要求较高，可增加镍元素的质量百分比增强密封涂层的抗冲蚀性能；中间级和低压级部分对可磨耗性能要求较高，可以增加起润滑作用的石墨的质量百分比，提高密封装置的可磨耗性和蠕变性使其根据应用不同的部位实现高效密封和延长服役周期。

3）采用的镍石墨添加少量硅作为面层材料，NiSiC是共价键结合的化合物，化学性能稳定，除强氧化性气体及熔融碱，几乎不受其他酸碱的侵蚀，具有优异的耐腐蚀性；同时NiSiC在高温下和氧反应生成致密的Si岛玻璃相，阻止了氧和SiC接触，防止碳化硅继续氧化，因此，SiC可长期使用于1000℃以上，具有较好的高温抗氧化性。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

说明：以下各实施例均是在富含苯、萘、焦油、硫化物腐蚀性气体的工作环境中进行的；

实施例1

一种用于压缩机级间密封装置的涂料，其组成及重量百分比含量为：粒度≤50nm的镍粉为5.5%，粒度≤50nm的石墨粉：90%，粒度≤50nm的硅粉为4.5%，混合均匀后喷涂于基体金属材质上。

说明：本实施例的压缩机级间密封装置的基体金属材质采用的10CrMoAl钢种。

经检测，本实施例的性能：涂层耐温度为481℃，硬度为80.5 HR15，结合强度为10.8MPa。经试用15个月，未发现涂料层由被冲蚀及腐蚀现象。

实施例2

一种用于压缩机级间密封装置的涂料，其组成及重量百分比含量为：粒度≤50nm的镍粉为9%，粒度≤50nm的石墨粉：88%，粒度≤50nm的硅粉为3%，混合均匀后喷涂于基体金属材质上。

说明：本实施例的压缩机级间密封装置的基体金属材质采用的1Cr17MnMo2CuN钢种。

经检测，本实施例的性能：涂层耐温度为485℃，硬度为82.05 HR15，结合强度为10.1MPa。经试用12个月，未发现涂料层由被冲蚀及腐蚀现象。

实施例3

一种用于压缩机级间密封装置的涂料，其组成及重量百分比含量为：粒度≤50nm的镍粉为13%，粒度≤50nm的石墨粉：83%，粒度≤50nm的硅粉为4%，混合均匀后喷涂于基体金属材质上。

说明：本实施例的压缩机级间密封装置的基体金属材质采用的1Cr17MnMo2CuN钢种。

经检测，本实施例的性能：涂层耐温度为496℃，硬度为82.07HR15，结合强度为10.9MPa。经试用18个月，未发现涂料层由被冲蚀及腐蚀现象。

实施例4

一种用于压缩机级间密封装置的涂料，其组成及重量百分比含量为：粒度≤50nm的镍粉为18%，粒度≤50nm的石墨粉：80%，粒度≤50nm的硅粉为2%，混合均匀后喷涂于基体金属材质上。

说明：本实施例的压缩机级间密封装置的基体金属材质采用的10CrMoAl钢种。

经检测，本实施例的性能：涂层耐温度为504℃，硬度为82.56HR15，结合强度为12.2MPa。经试用16个月，未发现涂料层由被冲蚀及腐蚀现象。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (5)

1.一种用于压缩机级间密封装置的涂料，其组成及重量百分比含量为：粒度≤50nm的镍粉不超过35%但不能为零，粒度≤50nm的石墨粉：60~90%，粒度≤50nm的硅粉不超过5%但不能为零；所述粒度≤50nm的镍粉、粒度≤50nm的石墨粉、粒度≤50nm的硅粉三者的总重量百分比含量为100%；其性能：涂层耐温度不低于480℃，HR15硬度不低于78，结合强度不低于10MPa。

2.如权利要求1所述的一种用于压缩机级间密封装置的涂料，其特征在于：所述粒度≤50nm的镍粉重量百分比含量在12~26%。

3.如权利要求1所述的一种用于压缩机级间密封装置的涂料，其特征在于：所述粒度≤50nm的石墨粉重量百分比含量在66~83%。

4.如权利要求1所述的一种用于压缩机级间密封装置的涂料，其特征在于：所述粒度≤50nm的硅粉重量百分比含量在0.8~4.3%。

5.如权利要求1所述的一种用于压缩机级间密封装置的涂料，其特征在于：所述涂料适用于在富含苯、萘、焦油、硫化物腐蚀性气体的工作环境的压缩机级间密封装置。