[發明專利]一種四相陶瓷基高溫可磨耗封嚴涂層

無效

• 申請號: 201310540999.4
• 申請日: 2013-11-05
• 公開（公告）號: CN103572191A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 高俊國;湯智慧;王長亮;郭孟秋;崔永靜
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京航空材料研究院
• 主分類號: C23C4/10
• 分類號: C23C4/10;F01D5/28
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 李建英

技術領域

本發明屬于封嚴涂層材料技術領域，具體涉及一種四相陶瓷基高溫可磨耗封嚴涂層。

背景技術

航空工業的迅速發展對航空發動機提出了越來越高的要求，大推力、高效率、低油耗已成為發動機設計和制造的總體目標。然而，在發動機的制造和運行過程中，由于發動機組件的熱膨脹、軸的熱變形以及高速旋轉離心力引起葉片伸長等因素，無法將徑向間隙控制為零，總要預留2～3mm的間隙，而過大的間隙必將使氣體大量泄漏，導致發動機效率降低。因此，用于減小壓氣機、渦輪機葉尖與機匣之間間隙的可磨耗封嚴涂層技術就成為提高發動機性能的重要手段。通過運行過程中葉尖對可磨耗涂層的刮削作用，可有效地減小徑向氣流間隙，從而獲得最大壓差，顯著提高發動機效率并降低油耗。

常用的可磨耗封嚴涂層一般由基相、潤滑相和一定量的微小孔洞組成。基相的主要作用是作為支撐體，以確保涂層自身強度以及與基體的結合強度。根據使用溫度的不同，基相可以是金屬相或陶瓷相，常用的金屬相有鎳、鋁、銅及其合金等，常用陶瓷相主要是氧化釔穩定氧化鋯；潤滑相的主要作用是降低硬度、提高涂層的可磨耗性和抗粘著性，常用的潤滑相材料有石墨、硅藻土、膨潤土、六方氮化硼等；微小孔洞可以通過制備過程或加入特定的造孔相形成，其主要作用是降低涂層硬度，緩解涂層應力，提高涂層的可磨耗性并使涂層具有一定的隔熱能力，常用的造孔相為聚酯等高分子聚合物。經過數十年的研究發展，目前國內外已經形成了多種適用于不同溫度、不同部位要求的封嚴涂層材料，包括適用于350～650℃以AlSi-聚苯酯、AlSi-石墨和Ni-石墨為代表的低溫可磨耗封嚴涂層；適用于650～950℃以Ni-硅藻土、NiCrAl-膨潤土和NiCrAlY-BN為代表的中溫可磨耗封嚴涂層和適用于1000℃以上以ZrO₂為基相的陶瓷基高溫可磨耗封嚴涂層。其中，適用于中低溫段的多種可磨耗封嚴涂層已實現商品市場化并得到廣泛應用。

當前，航空發動機向高流量比、高推重比和高進口氣體溫度方向不斷發展，高壓渦輪部位的工作溫度已經達到1100℃以上，這就對高壓渦輪外環部位可磨耗封嚴涂層的高溫性能提出了越來越高的要求，尤其是涂層在滿足合適的可磨耗性能的條件下，涂層在高溫條件下的抗熱震性能和高溫穩定性就變得尤為重要。目前研究較多的高溫可磨耗封嚴涂層是以ZrO2為陶瓷基相，將其與潤滑相h-BN和造孔相聚酯相復合的兩相或三相陶瓷基可磨耗封嚴涂層。然而，在該涂層體系中，由于ZrO2作為一種氧離子導體并不能阻礙氧向涂層內部的擴散，并且涂層中較多孔洞的存在也為氧的快速擴散提供了途徑。氧向涂層內部及涂層/粘結層界面的快速擴散會促使界面處TGO層的快速生長以及缺陷的生成，從而導致封嚴涂層過早的發生開裂剝落而失效。因此，在現有封嚴涂層體系的基礎上研究開發可承受更高溫度且具有優越高溫穩定性和抗熱震性能的陶瓷基高溫可磨耗封嚴涂層具有重要的理論和應用價值。

發明內容

本發明解決的問題在于提供一種四相陶瓷基高溫可磨耗封嚴涂層，該涂層借助高溫抗氧化納米相的加入阻礙氧向涂層內部以及涂層/粘結層界面的擴散，從而有效的改善涂層的整體性以及涂層/粘結層的界面狀態，顯著提高陶瓷基高溫可磨耗封嚴涂層的高溫穩定性和抗熱震性能。

本發明解決其技術問題采用以下技術方案：

該涂層由陶瓷基相、潤滑相、造孔相和高溫抗氧化相四相組成，所用噴涂粉末按質量百分比計，其中：陶瓷基相為80～90wt%的Dy₂O₃部分穩定的ZrO₂，粒度為30～150μm；潤滑相為0.5～5wt%h-BN；造孔相為4.5～20wt%聚酯；高溫抗氧化相為5wt%～20wt%的納米SiO₂或Al₂O₃或Cr₂O₃，粒度為5～100nm；其中高溫抗氧化納米相以包覆微米級陶瓷基相的結構存在，采用等離子噴涂制備涂層，工藝參數為：電流500～650A，電壓60～80V，噴涂距離90～120mm，送粉速率25～40g/min，噴涂涂層的厚度800～1500μm。

所述的陶瓷基相為Dy₂O₃部分穩定的ZrO₂，其中Dy₂O₃的質量分數為8～10%，粉末的粒度為60～100μm。

所述的潤滑相h-BN的粒度為1～3μm。

所述的造孔相聚酯的粒度為50～80μm。