一种基于骨架组分颗粒弱连接剥离磨耗机制设计的封严涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于封严涂层技术领域，具体涉及一种基于骨架组分颗粒弱连接剥离磨耗机制设计的封严涂层及其制备方法，封严涂层包括骨架组分、可磨耗组分和孔洞，经金相法测试，所述可磨耗组分的颗粒中，按数量计75%以上的颗粒满足：单个颗粒的一部分表面暴露在孔洞中，且暴露面积为单个颗粒表面积的15%

【技术实现步骤摘要】
一种基于骨架组分颗粒弱连接剥离磨耗机制设计的封严涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于封严涂层
，具体涉及一种基于骨架组分颗粒弱连接剥离磨耗机制设计的封严涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]封严涂层涂覆于发动机及燃气轮机的静子件内表明，其能够在转子和静子发生碰磨时通过自身主动磨耗保护转子零件不被磨损，起到气路封严作用，同时吸收碰磨能量减小振动，从而显著提升发动机的效率和运行安全性。
[0003]可磨耗涂层与转子件的碰磨一般发生在高速（最高达540m/s）高温（最高达1350℃）条件下，同时承受着流道内高温高速气流冲刷和异物冲蚀作用，以及腐蚀、氧化和烧结硬化等作用，工况环境十分恶劣。涂层不仅须在“可磨耗性”和“抗冲蚀性”这一对相互矛盾的性能之间取得良好的平衡，同时须在发动机恶劣工况环境下保持该平衡不被破坏，涂层的技术难度很高。
[0004]现有技术封严涂层设计多基于有限的实践经验，对其磨耗机理认识不足，涂层在使用中常存在因可磨耗性不足导致的磨损叶片、脱落掉块等问题，无法满足苛刻工况环境下的使用要求。基于磨耗机制机理科学设计封严涂层是本领域研究的重要课题。
[0005]封严涂层一般由骨架组分、可磨耗组分和孔洞构成，骨架组分赋予涂层一定的强度，而可磨耗组分和孔洞赋予涂层易于磨耗的可磨耗性，即在涂层受到刮削等外力作用下涂层在有可磨耗组分或孔洞的位置发生断裂进而涂层碎化磨耗。封严涂层多采用热喷涂工艺将含有骨架组分和可磨耗组分的材料喷涂制备而成，骨架组分一般为金属或合金，在热喷涂过程中易受热软化或熔化，可喷涂沉积性强；而可磨耗组分材料一般为石墨、氮化硼等易氧化的且不易塑性变形的材料，在热喷涂焰流中烧损掉或撞击到基体上反弹掉，喷涂沉积性差。为了顺利将可磨耗组分喷涂到涂层中，需要将可磨耗组分表面包覆一层金属或合金骨架组分，保护可磨耗组分在热喷涂焰流中不被烧损掉，同时借助金属或合金受热后软化或熔化易沉积特性将可磨耗组分组装到涂层中。
[0006]现有技术中粉末颗粒及涂层组织结构示意图如图1所示，骨架组分作为包覆层2包覆在可磨耗组分1外表面，其形成涂层后，涂层内部会形成孔洞3；为了获得良好的可磨耗组分沉积效果，现有技术要求其包覆完整并且包覆层厚度较大，一般为12
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40μm，采用这种颗粒粉末所制备的涂层，其组织中会保留骨架组分完整包裹可磨耗组分的形态。然而，现有技术的涂层在使用中常存在因可磨耗性不足导致的磨损叶片、脱落掉块等问题，无法满足苛刻工况环境下的使用要求。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了克服现有技术的涂层可磨耗性不足而无法满足苛刻工况环境下的使用要求的缺陷，提供一种基于骨架组分颗粒弱连接剥离磨耗机制设计的封严涂层
及其制备方法，该封严涂层在挤压力大或长期高温服役环境下，能够在可磨耗组分暴露的位置发生断裂，进而使涂层保持良好的可磨耗性。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供了一种基于骨架组分颗粒弱连接剥离磨耗机制设计的封严涂层，包括骨架组分、可磨耗组分和孔洞，经金相法测试，所述可磨耗组分的颗粒中，按数量计75%以上的颗粒满足：单个颗粒的一部分表面暴露在孔洞中，且暴露面积为单个颗粒表面积的15%
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95%；所述封严涂层的抗剪切强度为3
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15MPa。
[0009]优选情况下，所述可磨耗组分的颗粒中，按数量计75%以上的颗粒满足：单个颗粒的一部分表面暴露在孔洞中，且暴露面积为单个颗粒表面积的16%
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90%；所述封严涂层的抗剪切强度为3
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8MPa。
[0010]在一些优选实施方式中，所述封严涂层中骨架组分含量不低于65wt%，可磨耗组分含量不高于35wt%。
[0011]在一些优选实施方式中，经金相法测试，所述封严涂层中，所述孔洞和可磨耗组分的体积占比之和为20%
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70%，涂层组织均匀。
[0012]在一些优选实施方式中，所述封严涂层中，所述可磨耗组分的体积占比为5%
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30%，所述孔洞的体积占比为15%
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40%。
[0013]更优选地，所述封严涂层中，所述可磨耗组分的体积占比为20%
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30%，所述孔洞的体积占比为20%
‑
40%。
[0014]在一些优选实施方式中，所述封严涂层中，骨架组分的颗粒之间通过半冶金结合、机械嵌合、颗粒表面氧化物桥接中的至少一种弱连接方式构成。
[0015]本专利技术第二方面提供一种第一方面所述的封严涂层的制备方法，包括：采用低速火焰喷涂工艺，将喷涂粉末喷涂制备得到封严涂层；所述低速火焰喷涂工艺的条件包括：氧气流量为13
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18L/min，乙炔流量为20
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28L/min，送粉速率为30
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90g/min，喷涂距离为200
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300mm；其中，所述喷涂粉末中至少包含一种颗粒结构为骨架组分包覆可磨耗组分的第一包覆型粉末，第一包覆型粉末中可磨耗组分的粒度为30
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120μm，骨架组分包覆形成的包覆层厚度为0.1
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10μm。
[0016]在一些优选实施方式中，所述制备方法还包括：通过调节低速火焰喷涂工艺条件来控制喷涂粉末在垂直于沉积面方向的飞行速度为20
‑
40m/s，温度为2450
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3100℃。
[0017]在一些优选实施方式中，所述低速火焰喷涂工艺条件包括：氧气流量为14
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16L/min，乙炔流量为22
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24L/min，送粉速率为40
‑
70g/min，喷涂距离为210
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270mm。
[0018]在一些优选实施方式中，所述喷涂粉末还包括由骨架组分构成的单一组分粉末和/或第二包覆型粉末，所述第二包覆型粉末中芯部和包覆层分别采用不同的骨架组分。
[0019]在一些优选实施方式中，所述第一包覆型粉末采用化学包覆或机械包覆方法制备得到。
[0020]本专利技术的专利技术人经过大量研究发现，采用现有技术制备的封严涂层，在挤压力大或长期高温服役环境下，会因为可磨耗组分被金属或合金骨架组分完整包裹而不易断裂碎化，即无法表现出良好的可磨耗性导致磨损叶片叶尖。专利技术人进一步研究发现，为提高可磨耗涂层的性能，应该遵循骨架颗粒组分弱连接剥离磨耗机制设计封严涂层，在确保可磨耗组分能够顺利组装到涂层中的同时，使涂层中可磨耗组分不被金属或合金骨架组分完全包裹，可磨耗组分颗粒的一部分暴露在孔洞中，则涂层即使在挤压力大或长期高温服役环境
下能够在可磨耗组分暴露的位置发生断裂，进而使涂层保持良好的可磨耗性。基于此，提出本专利技术。
[0021]本专利技术通过上述技术方案，尤其是控制涂层中的可磨耗组分颗粒按数量计75%以上颗粒的一部分表面暴露在涂层孔洞中，暴露面积为单个颗粒表面积本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于骨架组分颗粒弱连接剥离磨耗机制设计的封严涂层，包括骨架组分、可磨耗组分和孔洞，其特征在于，经金相法测试，所述可磨耗组分的颗粒中，按数量计75%以上的颗粒满足：单个颗粒的一部分表面暴露在孔洞中，且暴露面积为单个颗粒表面积的15%
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95%；所述封严涂层的抗剪切强度为3
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15MPa。2.根据权利要求1所述的封严涂层，其特征在于，所述封严涂层中骨架组分含量不低于65wt%，可磨耗组分含量不高于35wt%；和/或，所述可磨耗组分的颗粒中，按数量计75%以上的颗粒满足：单个颗粒的一部分表面暴露在孔洞中，且暴露面积为单个颗粒表面积的16%
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90%；所述封严涂层的抗剪切强度为3
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8MPa。3.根据权利要求1或2所述的封严涂层，其特征在于，经金相法测试，所述封严涂层中，所述可磨耗组分的体积占比为5%
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30%，所述孔洞的体积占比为15%
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40%。4.根据权利要求3所述的封严涂层，其特征在于，所述封严涂层中，所述可磨耗组分的体积占比为20%
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30%，所述孔洞的体积占比为20%
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40%。5.根据权利要求1所述的封严涂层，其特征在于，所述封严涂层中，骨架组分的颗粒之间通过半冶金结合、机械嵌合、颗粒表面氧化物桥接中的至少一种弱连接方式构成。6.一种如权利要求1
‑
5中任一项所述的封严涂层的制备方法，其特征在于，包括：采用低速火焰喷涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：于月光，刘建明，沈婕，刘通，章德铭，郭丹，吴超，
申请(专利权)人：北矿新材科技有限公司，
类型：发明
国别省市：