一种可磨耗封严复合涂层材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可磨耗封严复合涂层材料及其制备方法，所述可磨耗封严复合涂层材料包括依次层叠在陶瓷基体材料表面的含Si或SiC内部粘结层，和稀土硅酸盐可磨耗封严面层；稀土硅酸盐为Y2SiO5、Er2SiO5、Gd2SiO5、Yb2SiO5、Yb2Si2O7中的至少一种。中的至少一种。中的至少一种。

【技术实现步骤摘要】
一种可磨耗封严复合涂层材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机
，具体涉及一种可以用于陶瓷基复合材料表面的可磨耗封严涂层材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]航空发动机在服役过程中，受离心力、热膨胀、高温蠕变等因素的影响，转子的零部件和机匣会发生形变，这将影响发动机的服役性能。解决这一问题的主要技术之一是在零部件表面沉积可磨耗封严涂层，当间隙改变时，它能提供良好的密封和封严作用，而不损伤转子叶片。该可磨耗封严涂层需满足耐高温、可磨耗、低摩擦系数和低硬度等要求。目前常见的可磨耗封严涂层材料主要有NiAl、AlSi、MCrAlY和YSZ等，这些材料主要是应用于高温合金基体表面。NiAl、AlSi、MCrAlY合金涂层材料与高温合金基体的结合强度高，但是可磨耗性差，在高温下使用时易软化/熔化，并与叶片粘着，对叶片的磨损较大。此外，针对高温合金材料的转子叶片，常用的可磨耗涂层为6～8wt.％Y2O3稳定的ZrO2(简称YSZ)陶瓷基材料。YSZ具有熔点高、热稳定性好、高温蠕变小、热膨胀系数与金属接近的特点，是目前高温封严涂层中应用较多的基相材料，但是直接喷涂的YSZ硬度高，可磨耗性并不理想。
[0003]随着高推重比航空发动机的发展，发动机叶片的使用温度已从20世纪70年代的1000℃发展为高于1300℃，高温合金不能满足发展的需求。陶瓷基复合材料，包括C/SiC和SiC/SiC等，具有低密度、良好的高温力学性能等特点，正逐步替代高温合金，应用于高推重比航空发动机的热端部件。由于陶瓷基复合材料热膨胀系数(4.5-5.9
×
10-6
K-1
)显著低于镍基高温合金材料(15-17
×
10-6
K-1
)，6～8wt.％Y2O3·
ZrO2陶瓷基材料的热膨胀系数(10-11.8
×
10-6
K-1
)与陶瓷基复合材料不匹配，且6～8％wt.％Y2O3·
ZrO2材料在1200℃以上工作，循环冷却过程中会发生四方相向立方相和单斜相转变，单斜相的产生会使涂层体积发生膨胀(4％左右)而开裂剥落，涂层需要频繁修理，影响发动机工作安全。因此，开发能够与陶瓷基复合材料相匹配的，并耐1300℃高温的可磨耗封严涂层及制备技术，可以解决陶瓷基复合材料在服役过程中的机械损伤，并避免陶瓷基复合材料的高温氧化及结构退化等问题。
[0004]稀土硅酸盐具有高熔点、较低硬度、较低的热膨胀系数、良好的高温相稳定性和优异的耐腐蚀性能等特点，是陶瓷基复合材料理想的防护涂层材料，可用于陶瓷基复合材料表面的可磨耗封严涂层。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供了一种可磨耗封严复合涂层材料及其制备方法。
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种用于陶瓷基体材料表面的复合涂层，其特征在于，包括依次层叠在陶瓷基体材料表面的含Si或SiC内部粘结层，和稀土硅酸盐可磨耗封严面层；稀土硅酸盐为Y2SiO5、Er2SiO5、Gd2SiO5、Yb2SiO5、Yb2Si2O7中的至少一种。
[0007]本专利技术提供的复合涂层材料包括Si或SiC内部粘结层和稀土硅酸盐可磨耗封严面
层，能够与C/SiC、SiC/SiC等陶瓷基复合材料热学性能相匹配，特别是热膨胀系数相匹配，同时具有抗氧化、无有害相变、具有较低硬度和低摩擦系数等的特点，有望解决陶瓷基复合材料在航空发动机涡轮等部件应用时因相互摩擦造成的机械损伤，并避免材料高温氧化及性能衰退等难题。所述材料体系中，Si或SiC与陶瓷基复合材料热膨胀系数相匹配，且化学相容性良好，是理想的粘结层材料，同时，其与稀土硅酸盐、陶瓷基复合材料的物理化学相容性较好，作为粘结层，有利于提高稀土硅酸盐与陶瓷基复合材料的结合性能。
[0008]较佳地，所述Si或SiC粘结层的厚度为50～500μm，优选为50～200μm。若粘结层太厚，粘结层在服役过程中易剥落，将会影响粘结层和基体的结合性能；而当粘结层太薄时，则无法有效缓解可磨耗封严面层与基体材料之间的热物性差异。
[0009]较佳地，所述可磨耗封严面层的厚度为500～3000μm，优选为500～2000μm。
[0010]本专利技术所述稀土硅酸盐可磨耗封严面层以稀土硅酸盐为主相，优选还含有润滑相。所述润滑相通过在稀土硅酸盐粉末中添加润滑剂经热处理后形成。润滑剂为h-BN、石墨、氟化钙、聚苯酯(PHB)中的至少一种。所述材料体系中，稀土硅酸盐作为主相，具有良好高温稳定性，良好高温稳定性以及较低的硬度，能耐高温氧化、抗气流或微粒的冲蚀，并提供一定的强度。润滑相(润滑剂)为h-BN等，润滑相作为涂层中的软相，大多具有低的剪切强度和摩擦系数，可以为涂层提供一定的润滑作用，降低涂层硬度，并提高涂层的可磨耗性和抗粘着性。
[0011]在一个优选方案中，所述稀土硅酸盐可磨耗封严面层中还包括造孔相。所述造孔相为通过在稀土硅酸盐粉末中添加造孔剂经热处理后形成的孔洞。造孔剂优选为聚苯酯和聚酰亚胺等聚合物中的至少一种。聚合物作为造孔剂，如聚苯酯可以在425℃左右发生分解，在涂层中留下较多孔洞。孔洞的存在可以降低涂层硬度，缓解涂层内部的应力集中并提高涂层可磨耗性，孔隙率优选为6％～40％。
[0012]较佳地，所述可磨耗封严面层中稀土硅酸盐的质量分数为60％～100％，h-BN等润滑相或聚苯酯等造孔相或二者混合质量分数为0％～40％。
[0013]较佳地，所述润滑剂含量为5％～20％，所述造孔剂含量为3％～20％。润滑相h-BN熔点较高(3000℃)，在等离子喷涂制备过程中熔融状态不佳，且与陶瓷基相材料润湿性不良，故其掺杂量不宜太高。PHB含量太高则会降低涂层抗高温氧化性能和抗冲蚀性能。
[0014]第二方面，本专利技术提供了一种陶瓷基体材料表面复合涂层的制备方法，其特征在于：采用等离子喷涂技术依次在陶瓷基体表面喷涂含Si内部粘结层和稀土硅酸盐复合材料可磨耗封严面层。本专利技术所述复合涂层的基相硅酸镱涂层结构较致密，且硬度较高，而h-BN、石墨、氟化钙和聚苯酯等润滑剂和造孔剂作为软相具有低的剪切强度和低的摩擦系数，可以为涂层提供一定的润滑作用，降低涂层硬度，缓解涂层内部的应力集中并提高涂层的可磨耗性和抗粘着性。且本专利技术所述复合涂层的基相、软相和造孔剂性能差异较大，采用等离子热喷涂技术可以解决复合涂层中材料性能差异的问题，制备性能优异的多组元可磨耗封严涂层。
[0015]所述复合涂层的制备方法包括：(1)制备可磨耗封严面层所用的等离子喷涂粉体；(2)对清洁基体表面进行喷砂处理，得到表面预处理的基体；(3)在预处理的基体表面喷涂硅层，得到硅粘结层；或者得到硅层后在真空气氛炉中于
1450～1800℃热处理1～4小时，使Si层原位反应形成SiC粘结层。(4)在粘结层表面喷涂制备可磨耗封严面层。
[0016]Si具有高温塑性，并且与稀土硅酸盐与硅基陶瓷材料的物理化学相容性较好，可以提高稀土硅酸盐与硅基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于陶瓷基体材料表面的可磨耗封严复合涂层，其特征在于，包括依次层叠在陶瓷基体材料表面的含Si或SiC内部粘结层，和稀土硅酸盐可磨耗封严面层；稀土硅酸盐为Y2SiO5、Er2SiO5、Gd2SiO5、Yb2SiO5、Yb2Si2O7中的至少一种。2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于所述Si或SiC粘结层的厚度为50～500μm，优选为50～200μm。3.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，稀土硅酸盐可磨耗封严面层的厚度为500～3000 μm，优选为500～2000μm。4.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，稀土硅酸盐可磨耗封严面层以稀土硅酸盐为主相，还包括润滑相；所述润滑相由h-BN、石墨、氟化钙中的至少一种的润滑剂形成。5.根据权利要求1-4中任何一项所述的复合涂层，其特征在于，所述稀土硅酸盐可磨耗封严面层中还包括由造孔剂在热处理过程中烧失后留下的均匀孔洞。6.根据权利要求5所述的复合涂层，其特征在于，造孔剂为聚苯酯和聚酰亚胺等聚合物中的至少一种。7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛亚然，秦丹丹，钟鑫，李红，郑学斌，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：