一種基于溶膠-凝膠制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于封嚴(yán)涂層材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種基于溶膠-凝膠制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法。包含以下步驟：首先以Al、Si、Cr、Ti或稀土元素的無機(jī)鹽或有機(jī)醇鹽為前驅(qū)體制備Al2O3或SiO2或Cr2O3或ZrO2等氧化物溶膠或氧化物復(fù)合溶膠；然后將氧化物陶瓷基相粉末、潤滑相粉末以及造孔相粉末以一定的比例與氧化物溶膠或復(fù)合溶膠相混合，按需要加入一定量的粘接劑，經(jīng)球磨后得到混合均勻的可磨耗復(fù)合料漿；隨后以涂覆、浸漬-提拉或旋涂方式將可磨耗復(fù)合料漿制備于基體材料上，經(jīng)干燥、熱壓處理及高溫?zé)Y(jié)得到陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層。該方法制備的陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層呈均勻結(jié)構(gòu)，孔隙細(xì)小且在涂層中均勻分布。
【專利說明】—種基于溶膠-凝膠制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于封嚴(yán)涂層材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種基于溶膠-凝膠制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]可磨耗封嚴(yán)涂層作為一種功能性涂層在航空發(fā)動機(jī)殼體部位得到了非常廣泛的應(yīng)用。它通過被葉尖主動刮削可有效的減小轉(zhuǎn)子部件與靜子部件之間的徑向氣流間隙，從而獲得最大壓差，顯著提高航空發(fā)動機(jī)效率并降低油耗?？赡ズ姆鈬?yán)涂層一般由基相、潤滑相和造孔相組成，其中基相可以為金屬相或陶瓷相。對于應(yīng)用于高壓渦輪外環(huán)部位的可磨耗封嚴(yán)涂層，隨著先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)進(jìn)口氣體溫度的不斷提高，其涂層材料體系也由金屬基可磨耗涂層向具有更高承溫能力的陶瓷基可磨耗涂層發(fā)展，其中研究較為廣泛的是以ZrO2為基相、h-BN為潤滑相和聚酯為造孔相的高溫可磨耗封嚴(yán)涂層材料體系。
[0003]在制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層方面，現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的是等離子噴涂技術(shù)。該技術(shù)可一次性制備厚度較大且具有較多孔隙的陶瓷基可磨耗封嚴(yán)涂層。然而，該技術(shù)制備涂層在某些方面的性能仍有待改進(jìn)。首先，等離子噴涂涂層呈現(xiàn)明顯的片層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不利于松弛涂層在高溫冷熱循環(huán)中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而造成涂層的抗熱震性能較差。其次，等離子噴涂涂層中的孔隙尺寸較大，這就造成涂層在被葉片磨削時容易產(chǎn)生大塊脫落，從而影響發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，有必要開發(fā)研制制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層新工藝，從而為陶瓷基可磨耗封嚴(yán)涂層的發(fā)展提供新的理論和新的技術(shù)途徑。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明解決的問題在于提供`一種基于溶膠-凝膠制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，該方法可制備結(jié)構(gòu)均勻、孔隙細(xì)小均勻的陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層，且該方法對涂層材料的選擇范圍廣、對基體材料形狀無限制、成本較低且工藝簡便。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0006](I)以Al、S1、Cr、Ti或稀土元素的無機(jī)鹽或有機(jī)醇鹽為前驅(qū)體制備氧化物溶膠或氧化物復(fù)合溶膠；
[0007](2)將氧化物陶瓷基相粉末、潤滑相粉末以及造孔相粉末混合，其中潤滑相的含量為0.5~5wt%，造孔相的含量為4.5~10wt%，余量為陶瓷基相粉末，將混合粉末與氧化物溶膠或復(fù)合溶膠相混合，加入復(fù)合粉末與氧化物溶膠轉(zhuǎn)化為相應(yīng)氧化物的質(zhì)量比在5:1到9:1之間，經(jīng)球磨后得到混合均勻的可磨耗復(fù)合料漿；
[0008](3)在制備陶瓷基可磨耗封嚴(yán)涂層之前，在基體材料表面噴涂或沉積一層粘結(jié)底層，所述的粘結(jié)底層材料為NiCrAH或NiCoCrAlY,厚度為100~150μπι;
[0009](4)以涂覆、浸潰-提拉或旋涂方式將可磨耗復(fù)合料漿制備于基體材料上，經(jīng)干燥、熱壓處理及高溫?zé)Y(jié)得到陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層。[0010]所述的溶膠為Al2O3或SiO2或Cr2O3或TiO2或ZrO2或兩種以上相復(fù)合的多種氧化物溶膠或氧化物復(fù)合溶膠。
[0011]所述的氧化物陶瓷基相粉末主要為ZrO2或Y、Yb、Dy、Ce元素穩(wěn)定的ZrO2粉末，潤滑相粉末主要為h-BN，造孔相粉末主要為聚酯或聚苯酯，復(fù)合粉末中潤滑相的含量為
0.5~5wt%，造孔相的含量為4.5~10wt%o
[0012]所述的復(fù)合料漿中加入粘接劑，粘接劑為5~10wt%濃度的聚乙烯醇。
[0013]所述的復(fù)合料漿球磨處理的時間為8~12h。。
[0014]所述的得到陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的熱處理工藝為80~100°C干燥2~4h，450~600°C熱壓處理I~3h，1000~1150°C高溫?zé)Y(jié)I~3h，升溫速率小于5°C /min。
[0015]本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0016]首先，本發(fā)明基于溶膠-凝膠制備方法，通過涂覆、干燥、熱壓和高溫?zé)Y(jié)工藝進(jìn)行陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的制備。所制備涂層具有良好的均勻結(jié)構(gòu)而非等離子噴涂典型的片層狀結(jié)構(gòu)，從而有利于改善涂層對高溫?zé)釕?yīng)力的松弛能力，使得涂層具有更為優(yōu)良的高溫抗熱震性能。
[0017]其次，本發(fā)明工藝方法能夠?qū)ν繉铀终舭l(fā)、有機(jī)物熱解和陶瓷組分相變等過程進(jìn)行精細(xì)控制，使涂層具有更為細(xì)小且均勻的孔隙分布，從而大大改善涂層在高溫使用環(huán)境下的可磨耗性能。
[0018]最后，本發(fā)明通過液相組分調(diào)控更容易實(shí)現(xiàn)納米粒子相的均勻摻雜，從而制備納米相均勻摻雜的高性能陶瓷基可磨耗封嚴(yán)涂層。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0020]首先，以Al、S1、Cr、Ti或稀土元素的無機(jī)鹽或有機(jī)醇鹽為前驅(qū)體制備氧化物溶膠或兩種以上的復(fù)合溶膠；
[0021]隨后，將氧化物陶瓷基相粉末、潤滑相粉末以及造孔相粉末混合，其中潤滑相的含量為0.5~5wt%，造孔相的含量為4.5~10wt%，余量為陶瓷基相粉末；將混合粉末與氧化物溶膠或復(fù)合溶膠相混合，加入復(fù)合粉末與氧化物溶膠轉(zhuǎn)化為相應(yīng)氧化物的質(zhì)量比控制在5:1到9:1之間，為了得到分布均勻的復(fù)合料漿，將復(fù)合粉末與溶膠球磨8~12h ;
[0022]在制備陶瓷基可磨耗封嚴(yán)涂層之前，在基體材料表面噴涂或沉積一層NiCrAH或NiCoCrAlY粘結(jié)底層，厚度控制在100~150 μ m ;
[0023]最后，以涂覆、浸潰-提拉或旋涂方式將可磨耗復(fù)合料漿制備于基體材料上，經(jīng)干燥、熱壓處理及高溫?zé)Y(jié)得到陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層。
[0024]實(shí)施例1
[0025]采用爆炸噴涂工藝在基體材料表面噴涂NiCoCrAH合金粉末制備厚度為150 μ m的粘結(jié)底層待用。以異丙醇鋁為前驅(qū)體，加熱將其溶于水中，滴加HNO3A解得到勃母石Al2O3溶膠，將陶瓷基可磨耗粉末(Y2O3穩(wěn)定Zr02+2.5wt%h-BN+4.5wt%聚酯)以粉膠質(zhì)量比9:1加入配好的Al2O3溶膠中，加入1/5體積10wt%聚乙烯醇，球磨12h獲得溶膠-凝膠復(fù)合料漿；將復(fù)合料漿直接涂覆于粘結(jié)層上，經(jīng)80°C干燥4h，600°C熱壓處理2h，1150°C高溫?zé)Y(jié)3h，獲得納米Al2O3彌散的ZrO2基陶瓷可磨耗封嚴(yán)涂層。[0026]實(shí)施例2
[0027]采用超音速火焰噴涂工藝在基體材料表面噴涂NiCoCrAH合金粉末制備厚度為100~150 μ m的粘結(jié)底層待用。以Cr(NO3)3為前驅(qū)體，將其與氨水反應(yīng)，將沉淀過濾清洗后加入去離子水，滴加HNO3調(diào)節(jié)pH值得到Cr2O3溶膠，將陶瓷基可磨耗粉末(Yb2O3穩(wěn)定ZrO2+1.0wt%h-BN+4.5wt%聚酯)以粉膠質(zhì)量比8:1加入配好的Cr2O3溶膠中，加入1/10體積的10被％聚乙烯醇，球磨IOh獲得溶膠-凝膠復(fù)合料漿；采用浸潰-提拉法將料漿涂覆于粘結(jié)層上，經(jīng)80°C干燥2h，550°C熱壓處理lh，1050°C高溫?zé)Y(jié)2h，獲得Cr2O3摻雜ZrO2基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層。
[0028]實(shí)施例3
[0029]采用超音速火焰噴涂工藝在基體材料表面噴涂NiCoCrAH合金粉末制備厚度為100~120 μ m的粘結(jié)底層待用。以ZrOCl2為前驅(qū)體，將其與氨水反應(yīng)，將沉淀過濾清洗后加入去離子水，滴加HNO3調(diào)節(jié)pH值得到ZrO2溶膠，將陶瓷基可磨耗粉末(Y2O3穩(wěn)定ZrO2+1.0wt%h-BN+4.5wt%聚酯)以粉膠質(zhì)量比7:1加入配好的ZrO2溶膠中，加入1/10體積的10被％聚乙烯醇，球磨12h獲得溶膠-凝膠復(fù)合料漿；采用浸潰-提拉法將料漿涂覆于粘結(jié)層上，經(jīng)80°C干燥2h，550°C熱壓處理lh，1050°C高溫?zé)Y(jié)2h，獲得ZrO2基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層。
[0030]實(shí)施例4
[0031]采用多弧離子鍍工藝在基體材料表面沉積厚度為IOOym的NiCoCrAH合金粘結(jié)底層待用。以Y(NO3)3和Ce(NO3)3為前驅(qū)體，將其與氨水反應(yīng)，將沉淀過濾清洗后加入去離子水，滴加HNO3調(diào)節(jié)pH值得到Y(jié)203+Ce203復(fù)合溶膠，將陶瓷基可磨耗粉末(Zr02+3.0wt%h-BN+5.0wt%聚酯)以粉膠質(zhì)量比9:1加入配好的Y203+Ce203復(fù)合溶膠中，加入1/8體.積的10wt%聚乙烯醇，球磨IOh獲得溶膠-凝膠復(fù)合料漿；采用浸潰-提拉法將料漿涂覆于粘結(jié)層上，經(jīng)80°C干燥2h，600°C熱壓處理1.5h，1150°C高溫?zé)Y(jié)2h，獲得納米Y203+Ce203摻雜的ZrO2基陶瓷可磨耗封嚴(yán)涂層。
[0032]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于溶膠-凝膠制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，包含以下步驟: (1)以Al、S1、Cr、Ti或稀土元素的無機(jī)鹽或有機(jī)醇鹽為前驅(qū)體制備氧化物溶膠或氧化物復(fù)合溶膠； (2)將氧化物陶瓷基相粉末、潤滑相粉末以及造孔相粉末混合，其中潤滑相的含量為0.5~5wt%，造孔相的含量為4.5~10wt%，余量為陶瓷基相粉末，將混合粉末與氧化物溶膠或復(fù)合溶膠相混合，加入復(fù)合粉末與氧化物溶膠轉(zhuǎn)化為相應(yīng)氧化物的質(zhì)量比在5:1到9:1之間，經(jīng)球磨后得到混合均勻的可磨耗復(fù)合料漿； (3)在制備陶瓷基可磨耗封嚴(yán)涂層之前，在基體材料表面噴涂或沉積一層粘結(jié)底層，所述的粘結(jié)底層材料為NiCrAH或NiCoCrAlY,厚度為100~150 μ m ; (4)以涂覆、浸潰-提拉或旋涂方式將可磨耗復(fù)合料漿制備于基體材料上，經(jīng)干燥、熱壓處理及高溫?zé)Y(jié)得到陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溶膠-凝膠制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所述的溶膠為Al2O3或SiO2或Cr2O3或TiO2或ZrO2或兩種以上相復(fù)合的多種氧化物溶膠或氧化物復(fù)合溶膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溶膠-凝膠制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所述的氧化物陶瓷基相粉末主要為ZrO2或Y、Yb、Dy、Ce元素穩(wěn)定的ZrO2粉末，潤滑相粉末主要為h-BN，造孔相粉末主要為聚酯或聚苯酯，復(fù)合粉末中潤滑相的含量為0.5~5wt%，造孔相的含量為4.5~10wt%o
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溶膠-凝膠制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所述的復(fù)合料衆(zhòng)中加入粘接劑，粘接劑為5~10wt%濃度的聚乙烯醇。`
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溶膠-凝膠制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所述的復(fù)合料漿球磨處理的時間為8~12h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于溶膠-凝膠制備陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的方法，其特征在于，所述的得到陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的熱處理工藝為80~100°C干燥2~4h，450~600°C熱壓處理I~3h，1000~1150°C高溫?zé)Y(jié)I~3h，升溫速率小于5°C /min。
【文檔編號】C04B35/01GK103588469SQ201310540968
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】高俊國, 湯智慧, 王長亮, 郭孟秋 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院