一种长寿命高温封严涂层材料及其制备方法技术

一种长寿命高温封严涂层材料及其制备方法，属于航空发动机及燃气轮机技术领域。长寿命高温封严涂层材料，由NiCoCrAlY粉末、聚苯酯和粘结剂三种组分复合而成，以重量计三种组分百分比为：聚苯酯，6～15；粘结剂，0～7；NiCoCrAlY粉末，余量；其中，所述NiCoCrAlY粉末的化学成分，以重量计百分比为：Co，21～23；Cr，24～26；Al，6～8；Y，0～1；Ni，余量。本发明专利技术提供的长寿命高温封严涂层材料制备的多孔MCrAlY涂层，在1000℃循环氧化1700h不脱落，而常规方法制备的涂层在同等测试条件下循环氧化约500h即脱落,本发明专利技术得到的多孔MCrAlY涂层抗氧化寿命显著提高。

A long life high temperature sealing coating material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种长寿命高温封严涂层材料及其制备方法
本专利技术属于航空发动机及燃气轮机
，涉及一种用于航空发动机压气机气路间隙控制的可磨耗封严涂层材料及其制备方法。
技术介绍
现代航空发动机和燃气轮机为提高效率、降低油耗等，在其压气机和涡轮部位大量使用封严涂层。目前应用于航空发动机高压涡轮部位的封严涂层主要有两类，一类是金属基涂层，一类是陶瓷基涂层，金属基涂层由于其与镍基合金涡轮外环具有更优的热膨胀匹配性，目前应用较多，但是涂层的抗氧化性较差限制了其应用温度。多孔MCrAlY(M可以是Ni、Co或者NiCo)金属基封严涂层是目前应用较多的金属基高温封严涂层，其以MCrAlY合金为骨架组分，通过聚苯酯造孔获得孔隙率达20％～40％的多孔MCrAlY涂层。最常用的骨架组分成分是Ni-25Cr-5Al-0.5Y，以该成分MCrAlY为骨架组分的涂层在750℃及以下温度具有较好的抗氧化性，但是在更高温度下抗氧化性不足，特别是在1000℃高温下，涂层循环氧化500h即发生脱落，无法满足大型涡扇发动机1500h涂层寿命的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种长寿命高温封严涂层材料及其制备方法，采用该粉末材料制备的多孔MCrAlY涂层，1000℃循环氧化1700h不脱落，寿命显著提升。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种长寿命高温封严涂层材料，由NiCoCrAlY粉末、聚苯酯和粘结剂三种组分复合而成，以重量计三种组分百分比为：聚苯酯，6～15；粘结剂，0～7；NiCoCrAlY粉末，余量；其中，所述NiCoCrAlY粉末的化学成分，以重量计百分比为：Co，21～23；Cr，24～26；Al，6～8；Y，0～1；Ni，余量。本专利技术所提供的长寿命高温封严涂层材料，NiCoCrAlY粉末的化学成分是关键之处，该化学成分的NiCoCrAlY具有热膨胀系数随温度的升高和降低不发生突变的特性，能显著提高多孔NiCoCrAlY涂层在冷热循环工况下骨架表面热生长氧化膜的粘附性，从而显著提升涂层寿命。为了取得更优的技术效果，可以对NiCoCrAlY粉末中的杂质含量加以控制：O，≤600ppm；C，≤300ppm；N，≤200ppm。进一步地，所述NiCoCrAlY粉末采用雾化工艺制备，包括但不限于真空环境下的惰气雾化，惰气保护环境下的惰气雾化。进一步地，所述粘结剂选自：聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、环氧树脂、丙烯酸酯、羧甲基纤维素钠、偏硅酸钠中的一种或多种。所述长寿命高温封严涂层材料的制备方法，按照前述化学成分制备NiCoCrAlY粉末，按照前述比例准备NiCoCrAlY粉末、聚苯酯和粘结剂三种组分，然后采用团聚复合、喷雾干燥、机械包覆等粉末复合工艺中的一种或几种的组合将三种组分复合，得到长寿命高温封严涂层材料。进一步地，所述NiCoCrAlY粉末采用雾化工艺制备，包括但不限于真空环境下的惰气雾化，惰气保护环境下的惰气雾化。进一步地，所述粘结剂选自：聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、环氧树脂、丙烯酸酯、羧甲基纤维素钠、偏硅酸钠中的一种或多种。MCrAlY涂层的抗氧化性来源于其表面生成的防护性氧化膜，或称之为热生长氧化膜(ThermallyGrownOxidation，TGO)，其主要成分是氧化铝。TGO膜层的粘附性越强、生长速度越慢，涂层的抗氧化性越好。一般提高MCrAlY涂层抗氧化性的途径包括：(1)添加Hf、Si、Y等微量元素改善TGO与合金基体的界面质量；(2)提高涂层的致密性，减少氧扩散通道；(3)添加Ta、Re等元素降低Al的扩散速度等。本专利技术技术人员经过大量研究工作发现，对于多孔MCrAlY封严涂层，采取以上三种方式改善MCrAlY骨架组分，始终无法获得满意的涂层抗循环氧化性能。经过专利技术人的不懈努力，发现常规致密MCrAlY涂层的TGO一般仅生长在涂层表面，而多孔MCrAlY涂层的TGO不仅生长在涂层表面，而且还大量生长在涂层内部孔洞的内表面。TGO的主要成分是氧化铝，其热膨胀系数约为7×10-6/℃，而MCrAlY合金的热膨胀系数约为13×10-6/℃，两者热膨胀系数差异很大，在冷热循环工况下产生的体积应力易导致TGO脱落，降低涂层抗氧化性。对于常规致密MCrAlY涂层，其表面较平整且TGO生长在开放的表面上，因此膨胀系数的差异仅在TGO厚度较大时(约3～5μm)才导致TGO脱落。而多孔MCrAlY涂层中的TGO不仅生长在涂层表面，而且还大量生长在内部孔洞表面，其生长表面是曲率大的曲面并且是一个闭合面，因此多孔MCrAlY涂层中的TGO更易受热膨胀系数差异影响而发生脱落。致密MCrAlY和多孔MCrAlY涂层TGO生长状态示意图如图1a和图1b所示。经过专利技术人的不懈努力，发现Ni-25Cr-5Al-0.5Y的热膨胀系数在800℃～900℃有一个明显的突变，呈现热膨胀系数随温度升高和下降非线性变化的特征，与热膨胀系数随温度升高和下降呈线性变化的涂层相比，这造成TGO与MCrAlY之间体积应力增大、应力状态变复杂，使得TGO在冷热循环条件下更容易脱落。由此本专利技术技术人员想到，通过优化MCrAlY合金成分，获得热膨胀系数随温度改变呈线性变化的MCrAlY骨架材料，可提高涂层的抗循环氧化性能。经过专利技术人的不懈努力，发现引起Ni-25Cr-5Al-0.5Y热膨胀系数随温度变化出现突变的原因在于其在从低温升至800℃～900℃时组织发成了α-Cr相到β-NiAl相的转变，而从在降温过程中又发生组织的回复。α-Cr相膨胀系数约为8.1×10-6/℃，而β-NiAl相的膨胀系数约为12×10-6/℃，因此随着相变的发生Ni-25Cr-5Al-0.5Y热膨胀系数发生突然升高和降低。由此本专利技术技术人员想到，通过成分优化消除α-Cr相可消除相变，从而获得具有线性热膨胀系数的MCrAlY骨架组分。经过专利技术人的不懈努力，优化出了NiCoCrAlY成分，通过在NiCrAlY成分体系种引入Co，可抑制α-Cr相的生成。但是Cr含量降低会影响涂层的抗氧化和抗热腐蚀性，因此适当提高Al的含量作为补充。经本专利技术技术人员不懈的努力，借助于模拟计算和大量的试验研究，获得了具有线性热膨胀系数并且具有较好的抗氧化和耐腐蚀性平衡，化学成分以重量计为：Co，21～23；Cr，24～26；Al，6～8；Y，0～1；Ni，余量。该成分涂层与Ni-25Cr-5Al-0.5Y热膨胀系数随温度变化曲线对比如图2所示。专利技术人经过大量实验，发现将所述NiCoCrAlY骨架组分粉末与聚苯酯粉末以特定配比相复合获得的喷涂材料，方能制备出抗循环氧化性能优异的多孔MCrAlY封严涂层。所述特定配比是指，以重量计三种组分百分比为：聚苯酯，6～15；粘结剂，0～7；NiCoCrAlY，余量。在复合粉末中聚苯酯的含量低于6％，则所制备涂层中聚苯酯(经烧除后成为孔洞)含量不足，涂层硬度过高(大于80HR45Y)而无法用作封严涂层；在复合粉末中聚苯酯的含量高于15％，则所制备涂层中聚苯酯含量过大，涂层组织中NiCoCrAlY组分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种长寿命高温封严涂层材料，其特征在于，由NiCoCrAlY粉末、聚苯酯和粘结剂三种组分复合而成，以重量计三种组分百分比为：聚苯酯，6～15；粘结剂，0～7；NiCoCrAlY粉末，余量；其中，所述NiCoCrAlY粉末的化学成分，以重量计百分比为：Co，21～23；Cr，24～26；Al，6～8；Y，0～1；Ni，余量。/n

【技术特征摘要】
1.一种长寿命高温封严涂层材料，其特征在于，由NiCoCrAlY粉末、聚苯酯和粘结剂三种组分复合而成，以重量计三种组分百分比为：聚苯酯，6～15；粘结剂，0～7；NiCoCrAlY粉末，余量；其中，所述NiCoCrAlY粉末的化学成分，以重量计百分比为：Co，21～23；Cr，24～26；Al，6～8；Y，0～1；Ni，余量。


2.如权利要求1所述的长寿命高温封严涂层材料，其特征在于，所述NiCoCrAlY粉末中的杂质含量：O，≤600ppm；C，≤300ppm；N，≤200ppm。


3.如权利要求1所述的长寿命高温封严涂层材料，其特征在于，所述NiCoCrAlY粉末采用雾化工艺制备，雾化工艺包括真空环境下的惰气雾化、惰气保护环境下的惰气雾化。


4.如权利要求1所述的长寿命高温封严涂层材料，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：于月光，刘建明，章德铭，沈婕，刘通，张鑫，郭丹，黄凌峰，王帅，吴超，
申请(专利权)人：北京矿冶科技集团有限公司，北矿新材科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11