CN113333741A - 一种铜铝氮化硼复合粉末及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜铝氮化硼复合粉末及其制备方法和应用，涉及表面工程领域，复合粉末原料包括以下组分：10～30份树枝状电解铜粉、40～75份铝粉以及15～30份六方氮化硼以及粘结剂；其中，树枝状电解铜粉可作为团聚颗粒的骨架，粒度更细且预混均匀的铝和氮化硼粉末可嵌入电解铜粉的树枝间隙内部，不易出现成分偏聚，解决了传统铝氮化硼复合粉末中铝和氮化硼仅依靠粘结剂局部粘连，在喷涂过程中铝和氮化硼易于脱离，氮化硼烧损严重导致涂层中氮化硼含量偏低而影响可磨耗性能等问题，将其用于封严涂层面层的喷涂，能够提高涂层的抗热震性和/或耐热性能，避免或减少涂层出现开裂、剥落掉块以及损伤等问题。

Description

一种铜铝氮化硼复合粉末及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及表面工程领域，具体而言，涉及一种铜铝氮化硼复合粉末及其制备方法和应用。
背景技术
航空发动机作为飞机的“心脏”，主要由压气机、燃烧室和涡轮三个核心部件以及一些附属设备组成。压气机将空气吸入到发动机内部并进行压缩，进入燃烧室后和航油充分混合并燃烧，产生出的高温高压气体推动涡轮叶片转动。为实现大推力、高效率和低油耗的发动机设计和制造目标，应尽量提高涡轮机进口气体温度，并减小转子与静子部件之间的间隙。然而，当发动机结构与所使用材料一定时，涡轮机进口气体温度提升区间有限。资料表明，典型发动机压气机径向间隙若增加0.076mm，单位耗油量将增大约1％；高压涡轮及叶片间隙若增加0.127mm，单位耗油量将增大约0.5％。此外，径向间隙过大还会导致发动机的气动特性在加速时遭到破坏而引发喘振。因此，减小发动机风扇、压气机、涡轮机叶尖与机匣之间间隙的气路封严技术成为了提高发动机性能的主要方法。通过运行过程中叶尖对可磨耗封严涂层的主动刮削作用，实现径向间隙封严控制，从而获得最大压差，可显著提高发动机效率并降低油耗。
可磨耗封严涂层材料大都是由一定比例的金属相和具有润滑作用的非金属相组成的复合粉末。其中，金属相具有可喷涂性，可形成涂层的骨架，起着抗冲蚀、抗氧化、保证自身涂层强度以及和基体结合强度的作用；非金属相提供可磨耗、减摩、抗黏附性能。采用这些原材料制备的热喷涂涂层对于控制压气机的径向间隙、减低单位耗油率、隔热、封严、耐磨等具有重要作用。因此，作为发动机的重要技术之一，封严涂层可改善飞机燃气轮机中旋转与固定部件之间的密封性，显著提高发动机的性能。
根据相关部件服役位置的环境区别，封严涂层可大致分为：低温(<500℃)封严涂层，中温(500～800℃)封严涂层，以及高温(>850℃)封严涂层。其中，铝基金属材料具有质轻价廉和耐蚀性好等优点，现有低温封严涂层多以铝基复合材料为主。其中，AlSi合金/聚酯涂层耐温可达320℃，具有良好的可磨耗性、自润滑性及抗冲蚀性，但聚合物在制备及服役过程中易被氧化以及AlSi合金室温下的时效硬化，直接影响到该涂层的服役性能。Al/石墨涂层耐温可达450℃，解决了聚合物易氧化的问题，但其抗微粒冲蚀性较差。Ni/石墨涂层耐温可达500℃，但是组分中的C在受热后常以CO或CO2的形式损失。另一种典型的封严涂层材料Al/BN，已在发动机风扇和压气机1～4级获得广泛应用，但由于Al和BN两组元均为密度低、质轻的材料，在简单的机械搅拌混合过程中，两种组分不易均匀分散，且Al和BN仅依靠粘结剂粘连在一起，易导致材料的成分不均匀而产生金属相和非金属相偏聚。同时，喷涂过程中可磨耗组分不易沉积导致粉末整体沉积率偏低。特别的，仅依靠粘结剂粘连在一起的包覆结构复合粉末颗粒在等离子焰流中加温加速时，其包覆结构不可避免的会有一定程度的破坏，裸露在外的BN组元易烧蚀，导致涂层中可磨耗组分偏低和硬度偏高，涂层长时服役过程中存在着抗氧化性、抗冲蚀性不足，抗热震性能和耐热性能变差而导致涂层开裂、剥落掉块及损伤对磨件等问题，对于飞行安全带来较大的隐患。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜铝氮化硼复合粉末及其制备方法和应用。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种铜铝氮化硼复合粉末，其原料包括：干粉组合料和粘结剂；
按重量份数计，所述干粉组合料包括以下组分：10～30份树枝状电解铜粉、40～75份铝粉以及15～30份六方氮化硼。
第二方面，本发明实施例提供了一种铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，其包括：采用如前述实施例所述的铜铝氮化硼复合粉末中的原料进行制备。
第三方面，本发明实施例提供了如前述实施例所述的铜铝氮化硼复合粉末或如前述实施例所述的铜铝氮化硼复合粉末的制备方法制备的铜铝氮化硼复合粉末在热喷涂封严涂层中的应用。
第四方面，本发明实施例提供了一种封严涂层，其面层的热喷涂材料为如前述实施例所述的铜铝氮化硼复合粉末或前述实施例所述的铜铝氮化硼复合粉末的制备方法制备的铜铝氮化硼复合粉末。
本发明具有以下有益效果：
铜铝氮化硼复合粉末中添加的树枝状电解铜粉可作为团聚颗粒的骨架，粒度更细且预混均匀的铝和氮化硼粉末可嵌入电解铜粉的树枝间隙内部，不易出现成分偏聚，同时还解决了传统铝氮化硼复合粉末中铝和氮化硼仅依靠粘结剂局部粘连，在喷涂过程中铝和氮化硼易于脱离，氮化硼烧损严重导致涂层中氮化硼含量偏低而影响可磨耗性能等问题。
本发明提供的铜铝氮化硼复合粉末包覆均匀致密、成分分布均匀、流动性优良、喷涂工艺适应性好，氮化硼组分烧损率低，将其用于封严涂层面层的喷涂，能够有效提高涂层的抗氧化性、抗冲蚀性、抗热震性和/或耐热性能，保留更多的氮化硼组分可以显著改善涂层的可磨耗性能，避免或减少涂层出现开裂、剥落掉块以及其他损伤等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1采用的电解铜粉表面形貌；
图2为实施例1制备获得的铜铝氮化硼复合粉末表面形貌。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明实施例提供了一种铜铝氮化硼复合粉末，其原料包括：干粉组合料和粘结剂；
按重量份数计，所述干粉组合料包括以下组分：10～30份树枝状电解铜粉、40～75份铝粉以及15～30份六方氮化硼。
本文中的“干粉组合料”中包括树枝状电解铜粉、铝粉以及六方氮化硼，在没有限定的情况下，这三种干粉可以为分装状态，也可以为混合状态。
传统铝氮化硼复合粉末中铝和氮化硼仅依靠粘结剂局部粘连，在粉末运输、搅拌和储存过程中，存在铝和氮化硼易于相互脱离和喷涂过程中氮化硼易烧损等现象。铜组分具有优良的延展性和导热性，特别的，树枝状电解铜粉可作为团聚复合颗粒的骨架，粒度更细且预混均匀的其它组分可充分嵌入树枝间隙内部，以保证各添加剂粉末混合时均匀分布而不容易产生混合离析。同时，喷涂过程中，粉末在焰流中加热熔化为熔滴时，铝和氮化硼被包裹于铜骨架的内部。相较于传统方法仅依靠粘结剂粘连在一起的包覆结构复合粉末颗粒在热喷涂焰流中加温加速时，其包覆结构不可避免的会有一定程度的破坏和烧损，进而影响到涂层的结构，本发明提供的复合组分和内部镶嵌结构有利于提高涂层的组织均匀性，并改善涂层的内聚强度。
具体地，树枝状电解铜粉的重量份数可以为10～30份中的任意份数，如10份、15份、20份、25份和30份；铝粉的重量份数可以为40～75份中的任意份数，如40份、45份、50份、55份、60份、65份、70份和75份；六方氮化硼的重量份数可以为15～30份中的任意份数，如15份、20份、25份和30份。
优选地，每1kg干粉组合料对应的粘结剂的用量可以为120～200mL，具体可以为120mL、140mL、160mL、180mL或200mL。
本发明采用的铜粉为电解方法制备的树枝状粉末。优选地，所述树枝状电解铜粉的粒径为20～100μm，具体可以为20μm、40μm、60μm、80μm或100μm；在该粒径范围内，更能充分地使干粉组合料达到充分地团聚。
铝粉选择雾化方法制备的微细球形粉末，优选地，所述铝粉的粒径为1～15μm，具体可以为1μm、2μm、4μm、6μm、8μm、10μm、12μm、14μm或15μm。铝粉密度低、价格低廉、耐蚀性好、可喷性好、延展性高，是复合粉末中占比最高的组分，在特定配比下，其和铜组分一起形成涂层的金属骨架，起着抗冲蚀、抗氧化、保证自身涂层强度以及与基体的结合强度的作用。
六方氮化硼中氮和硼组成六角网状层面，互相重叠形成晶体，具有良好的电绝缘性、导热性、耐化学腐蚀性和润滑性，在复合粉末中与其他组分相互协同，提供可磨耗、减摩、抗黏附性能。
粘结剂通过填充于颗粒之间的缝隙将不同组分的固相粉末粘连到一起成为团聚体，解决混合粉末组分偏聚造成的涂层组织不均匀问题。优选地，所述粘结剂为无机粘结剂；优选地，所述粘结剂中包括硅酸盐、磷酸盐和铝酸盐中的至少一种化合物；优选地，所述粘结剂中包括钠、钾、镁、钙、铝、硅和磷中的至少一种元素；优选地，所述粘结剂包括：水玻璃和磷酸二氢钾中的至少一种。
本发明实施例还提供了一种铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，其包括采用如前述任意实施方式所述的铜铝氮化硼复合粉末的原料进行制备。
优选地，所述制备方法包括：将树枝状电解铜粉、铝粉和六方氮化硼按上述重量份数混合形成复合干粉后再与粘结剂混合。
优选地，树枝状电解铜粉、铝粉和六方氮化硼的混合条件为：机械混合4～12h，具体可以为4h、6h、8h、10h或12h；搅拌桨叶地搅拌速度优选为40～200rpm。
优选地，树枝状电解铜粉、铝粉和六方氮化硼的混合条件为：将铝粉和六方氮化硼粉末按上述重量份数比混合2～6h后，再加入树枝状电解铜粉继续混合2～6h。搅拌过程中，预混均匀的铝粉和氮化硼粉会逐渐嵌入电解铜粉的树枝间隙内，形成机械咬合，而树枝状铜粉则成为了复合粉体的支撑骨架。这种混合方式更有利于形成均匀的复合粉末，减少金属和陶瓷成分偏聚，从而进一步提高涂层的性能。
在一些实施例中，可以将复合干粉一次性与所述粘结剂混合。优选地，所述复合干粉与所述粘结剂的混合方式如下：向所述复合干粉中分两次或两次以上间歇性加入所述粘结剂，并持续搅拌至混合物粘度及粒度均匀状态。间歇性地加入粘结剂更有利于获得均匀的粉末。
优选地，所述复合干粉与所述粘结剂混合时，温度为5～30℃，具体可以为5℃、7℃、9℃、11℃、13℃、15℃、17℃、19℃、21℃、23℃、25℃、27℃、29℃或30℃。即混合温度可以在室温的条件下进行，易于操作。
优选地，所述制备方法还包括在原料的过程中，加入陶瓷球或金属球。
本文中的“混合原料”可以指混合树枝状电解铜粉、铝粉和六方氮化硼的混合，也可以指复合干粉与粘结剂的混合，还可以同时包括这两种混合。在一些实施方式中，陶瓷球或金属球也可以在添加粘结剂前取出。
球体的材料可以选自氧化锆、氧化铝、氮化硅、碳化硅和不锈钢中的至少一种。加入的球体可有效增加不同组分间的对流、剪切、扩散和渗合的复合运动，以获得适合的混合均匀度。
一方面，较粗的球体在混合粉末中随混粉设备的桨叶一起转动，可增加混合粉体的流动速度和改变流动轨迹，进而提高不同组分间的混合均匀性。另一方面，加入的球体不停地辗轧混合粉体和粘结剂，可提高复合粉末与粘结剂的结合面积，改善复合粉末的包覆致密性和团聚效果。此外，球体不断与搅拌容器壁碰撞摩擦，可防止粉末结块和与容器壁的粘连。
加入球体的重量与混合粉体总重量的比值可以为1:5～2:1。
优选地，所述制备方法还包括对所述复合粉末与所述粘结剂混合后的产物进行造粒烘干和/或筛分分级。
优选地，所述造粒烘干的温度为80～160℃，时间为4～12小时；具体地，烘干的温度可以为80℃、100℃、120℃、140℃或160℃，时间可以为4h、6h、8h、10h或12h。
进行造粒烘干前，还包括采用自动颗粒机或手工筛网，将上述经团聚的湿料尽快进行初步筛分，以防止湿料成团或结块。
经过湿料初步筛分的粉末中，仍存在部分较粗和较细的颗粒。若粉末粒度分布范围太宽，不利于喷涂参数的选择和工艺稳定性。其中，粒径较大的颗粒不能在喷涂焰流中完全熔融，会影响到与涂层中与其它颗粒的有效结合，并容易在磨耗过程中形成裂纹源而影响到涂层的服役性能。细颗粒中多为没有粘连到一起的铝粉或氮化硼粉末，会影响到涂层的组织均匀性。此外，细粉流动性较低，在喷涂送粉过程中易于粘连喷嘴且难以送到焰流中央，还会形成大量的扬尘和烟雾，必须予以去除。可采用振动筛、气流分级机或手工筛网将上述经烘干处理的粉末进行分级筛分，除去粗粉和细粉，得到粒度在40～200μm范围内的铜铝氮化硼复合粉末成品。
优选地，在限定粒度范围(40～200μm)内，按照粉末重量调配不同粒度级别粉末比例，增加粉末的批次稳定性。
本发明实施例还提供了如前述任意实施例所述的铜铝氮化硼复合粉末或如前述任意实施例所述的铜铝氮化硼复合粉末的制备方法制备的铜铝氮化硼复合粉末在热喷涂封严涂层中的应用。
封严涂层通常在金属基体表面先制备一层金属粘结层以增强面层与基体的结合强度，再在其表面制备封严面层。
具体地，所述应用是指将本发明实施例提供的铜铝氮化硼复合粉末作为热喷涂材料用于封严涂层面层的喷涂。所述喷涂方法优选为大气等离子喷涂，该技术以直流电驱动的等离子电弧作为热源，迅速将送入焰流中心的材料加热至熔融或半熔融状态，并高速撞击经过喷砂粗化及预热等处理的工件或已沉积涂层表面，逐层堆垛而形成附着牢固的涂层。
此外，本发明实施例还提供了一种封严涂层，其热喷涂材料为如前述任意实施例所述的铜铝氮化硼复合粉末或如前述任意实施例所述的铜铝氮化硼复合粉末的制备方法制备的铜铝氮化硼复合粉末。
本发明提供的复合粉末有利于提高涂层的组织均匀性，降低氮化硼组分的烧损率，并改善涂层的内聚强度。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，其包括以下步骤：
(1)称取粒度在3～4μm范围的气雾化球形铝粉1000g，粒度d50约10μm且纯度>99％的六方氮化硼粉末500g，并手工预混；
(2)将经预混的铝粉和六方氮化硼粉末放入混料容器内，加入直径3mm的氧化锆球800g，混料3小时，搅拌桨叶的搅拌速度为60rpm；
(3)加入粒度30～75μm的树枝状电解铜粉500g，继续搅拌3小时；
(4)分3次向混合均匀的复合粉末中加入水玻璃320ml，每次加入后继续搅拌12min；
(5)取出湿料，用30目筛颗粒机作过筛处理，将筛分的湿粉放入不锈钢托盘内，置于150℃烘箱内6小时，随炉自然冷却。
(6)将干粉利用振动筛进行分级处理，去除180μm以上粗粉和54μm以下细粉，收集54～180μm之间的成品粉末。
树枝状电解铜粉的表面形貌见图1，复合粉末的表面形貌见图2。由图2可知，复合粉末包覆均匀致密、成分分布均匀、粒度适中，适宜于作为热喷涂封严涂层原材料粉末。
实施例2
本实施例提供了一种铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，其包括以下步骤：
(1)称取粒度在5～6μm范围的气雾化球形铝粉1100g，粒度d50约3μm且纯度>98.5％的六方氮化硼粉末450g，并手工预混；
(2)将经预混的铝粉和六方氮化硼粉末放入混料斗内，混料4小时，搅拌桨叶的搅拌速度为120rpm；
(3)加入粒度40～90μm的树枝状电解铜粉600g，继续搅拌4小时；
(4)分2次向混合均匀的复合粉末中加入磷酸二氢铝合计350ml，每次加入后继续搅拌15min；
(5)取出湿料，用40目手工钢筛作过筛处理，将筛分的湿粉放入不锈钢托盘内，置于100℃烘箱内12小时，随炉自然冷却。
(6)将干粉利用手工钢筛进行分级处理，去除200μm以上粗粉和60微米以下细粉，收集60～200μm之间的成品粉末。
实施例3
本实施例提供了一种铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，其包括以下步骤：
(1)称取粒度在1～2μm范围的气雾化球形铝粉2150g，粒度d50约5μm且纯度>99％的六方氮化硼粉末1000g，并手工预混；
(2)将经预混的铝粉和六方氮化硼粉末放入混料斗内，加入直径4mm的氧化铝球3000g，混料4小时，搅拌桨叶的搅拌速度为150rpm；
(3)加入粒度48～100μm的树枝状电解铜粉850g，继续搅拌4小时，筛分去除氧化铝球后，将复合干粉倒回混料斗内；
(4)分4次向混合均匀的复合粉末中加入水玻璃合计720ml，每次加入后继续搅拌10min；
(5)取出湿料，用40目筛颗粒机作过筛处理，将筛分的湿粉放入不锈钢托盘内，置于120℃烘箱内10小时，随炉自然冷却。
(6)将干粉利用气流分级机进行分级处理，去除160μm以上粗粉和55微米以下细粉，收集55～160μm之间的成品粉末。
实施例4
提供了一种铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，大致与实施例1相同，区别在于，复合粉末中组分之间的配比不同，区别如下：铝粉为2000g，六方氮化硼粉末为1100g，树枝状电解铜粉为900g。
实施例5
提供了一种铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，大致与实施例1相同，区别在于，复合粉末中组分之间的配比不同，区别如下：铝粉为2000g，六方氮化硼粉末为800g，树枝状电解铜粉为800g。
实施例6
提供了一种铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，大致与实施例1相同，区别在于，复合粉末中组分之间的配比不同，区别如下：铝粉为2000g，六方氮化硼粉末为900g，树枝状电解铜粉为1100g。
对比例1
提供了一种传统铝氮化硼复合粉末方法，大致与实施例3相同，区别在于，复合粉末中原始组分的粒度和配比不同，区别如下：粒度在30～74μm的铝粉1500g，六方氮化硼粉末为500g，没有树枝状电解铜粉。
试验例1
采用实施例1～6以及对比例1提供的制备方法进行铜铝氮化硼复合粉末的制备，然后通过大气等离子喷涂技术将获得的铜铝氮化硼复合粉末用于封严涂层的制备，复合粉末以及涂层的性能见表1所示。
表1粉末及等离子喷涂涂层性能
Figure BDA0003140512470000111
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铜铝氮化硼复合粉末，其特征在于，其原料包括：干粉组合料和粘结剂；
按重量份数计，所述干粉组合料包括以下组分：10～30份树枝状电解铜粉、40～75份铝粉以及15～30份六方氮化硼。
2.根据权利要求1所述的铜铝氮化硼复合粉末，其特征在于，所述树枝状电解铜粉的粒径为20～100μm；
优选地，所述铝粉的粒径为1～15μm。
3.根据权利要求2所述的铜铝氮化硼复合粉末，其特征在于，每1kg干粉组合料对应的粘结剂用量为120～200mL；
优选地，所述粘结剂为无机粘结剂；
优选地，所述粘结剂中包括硅酸盐、磷酸盐和铝酸盐中的至少一种化合物。
4.一种铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，其特征在于，其包括采用如权利要求1～3任一项所述的铜铝氮化硼复合粉末的原料进行制备；
优选地，所述制备方法包括：将树枝状电解铜粉、铝粉和六方氮化硼按重量份数混合形成复合干粉后再与粘结剂混合。
5.根据权利要求4所述的铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，其特征在于，树枝状电解铜粉、铝粉和六方氮化硼的混合条件为：机械混合4～12h；
优选地，树枝状电解铜粉、铝粉和六方氮化硼的混合条件为：将铝粉和六方氮化硼粉末混合2～6h后，再加入树枝状电解铜粉继续混合2～6h。
6.根据权利要求4所述的铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，其特征在于，所述复合干粉与所述粘结剂的混合方式如下：向所述复合干粉中分两次或两次以上间歇性加入所述粘结剂；
优选地，所述复合干粉与所述粘结剂混合时，温度为5～30℃。
7.根据权利要求4所述的铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在混合原料的过程中，加入陶瓷球或金属球。
8.根据权利要求4～7任一项所述的铜铝氮化硼复合粉末的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括对所述复合粉末与所述粘结剂混合后的产物进行造粒烘干和/或筛分分级；
优选地，所述造粒烘干的温度为80～160℃，时间为4～12小时；
优选地，所述筛分分级时，筛选粒度为40～200μm的粉末作为最终产品。
9.如权利要求1～3任一项所述的铜铝氮化硼复合粉末或如权利要求4～7任一项所述的铜铝氮化硼复合粉末的制备方法制备的铜铝氮化硼复合粉末在热喷涂封严涂层中的应用。
10.一种封严涂层，其特征在于，其面层的热喷涂材料为如权利要求1～3任一项所述的铜铝氮化硼复合粉末或如权利要求4～7任一项所述的铜铝氮化硼复合粉末的制备方法制备的铜铝氮化硼复合粉末。
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