一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料及其製備方法
2023-05-16 22:27:16
專利名稱：一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種可磨耗封嚴塗層材料及其製備方法，特別涉及一種等離子噴塗用高溫納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料，以及該種複合塗層材料的製備方法。
背景技術：
航空工業的迅猛發展對航空發動機提出了越來越高的要求，具有大推力、高的工作效率、低的油耗成為發動機設計和製造的總體目標，為實現這個目標，對發動機自身工作性能的提高必然成為研究工作的一部分，但是從目前這方面的研究成果來看，效果並不是十分明顯，因為發動機的工作是與外界條件聯繫在一起的，於是人們開始從總體上來尋求提高發動機工作性能的途徑，通過研究發現在發動機外部採用氣路封嚴技術能夠很好的提高發動機的工作性能，實驗表明，發動機的高壓渦輪葉尖間隙若平均減少0.254mm，渦輪效率就可提高約1％；如果渦輪的徑向間隙增加0.127mm，單位耗油率就增大約0.5％。此外，壓氣機的運轉間隙過大，它的氣動特性可能在發動機加速時遭到破壞，並引起喘振，極易產生事故。因此，為提高發動機運轉效率、使用壽命和降低油耗，應儘量減少轉子與靜子之間的運轉間隙。但是由於製造困難和部件在工作狀態下的結構變形，間隙過小，則旋轉中的動、靜件之間有幹涉摩擦的危險，這不僅會損傷機件，而且對壓氣機而言，其鈦合金葉片與鄰近的鈦合金零件形成鈦-鈦摩擦有起火的危險，因此希望有一個既能減少間隙又能緩衝幹涉摩擦的封嚴圈，熱穩定性和較小的摩擦係數以及具有抗氧化性。於是如何製造出這種合適的封嚴圈成為氣路封嚴技術的研究關鍵。目前國外、國內多採用噴塗的封嚴塗層來作為封嚴圈，製備的封嚴塗層位於發動機的壓氣機和渦輪機的機匣上，所處的位置和功能決定了該封嚴塗層要在較高溫度和高速氣流衝刷的條件下工作，因此可磨耗封嚴塗層材料必須具備以下性能(1)高溫穩定性封嚴材料所處的位置溫度較高，要求塗層在高溫作用下不發生相變，分解，不會失效等，在高溫條件下正常工作。
(2)可磨耗性轉子葉片的葉尖和封嚴材料相互作用時，封嚴材料本身被磨損和刮削，可在不損傷葉片的前提下，獲得發動機實際工作狀態下的最小間隙。
(3)結合強度和抗熱震性結合強度是指塗層與機匣基體之間粘結的牢固程度，足夠的結合強度能保證塗層不從機匣上剝離，抗熱震性是當溫度急劇變化時塗層不開裂、不剝層和不剝落的能力。
(4)抗衝蝕性飛機在飛行時，進入發動機的高速氣流會對封嚴材料產生強烈的衝刷作用；空氣中的固體粒子，尤其是在沙漠地帶空氣中的硬質砂粒會加劇這種衝刷作用，使封嚴材料產生衝蝕磨損。過量的衝蝕磨損會降低封嚴材料的封嚴效果，從而降低發動機的效率。
具有上述幾種性能的封嚴塗層才能夠起到很好的氣路封嚴的效果，很大程度的提高飛機發動機的工作效率，延長壽命。國外對可磨耗封嚴塗層的研究起步比較早，目前已有20多種適用於發動機封嚴的可磨耗封嚴塗層粉料。早期研製使用的封嚴塗層材料主要有NiAl、Al-Si、NiCrAl、NiCrAlY粉料，這幾種屬於合金塗層，耐溫達到650℃，與基體的結合強度很高，但是可磨耗性很差，在高溫下使用時容易發生熔化與葉片粘著，受熱變形導致塗層失效，並且對葉片的磨損非常大。隨後為了解決這種葉片與塗層粘著以及塗層硬度過高的問題，通過在塗層中添加軟相的方法對塗層的工作性能加以改善，這些軟相在基相材料中形成彌散分布，降低塗層的硬度，提高塗層的可磨耗性，防止塗層與葉片的粘著。這時使用的材料有Ni-石墨、Al-Si-聚酯、NiCrAl-氮化硼等，這些材料的耐溫最高達到800℃，其中的氮化硼、石墨、聚酯、硅藻土、膨潤土等作為軟相能夠不同程度上起到潤滑的作用，並且塗層具有一定的孔隙率，在耐熱性和抗熱震性能方面都要優於以前使用的合金塗層，但是這種塗層的結合強度和耐氣流衝蝕性並不理想。隨著發動機的發展，工作溫度已經達到1000℃以上，以往的塗層最高只能耐800℃的溫度，因此對高溫塗層的需求應用而生。
發明內容
本發明的目的在於提供一種高溫穩定性、可磨耗性、結合強度、抗衝蝕性好的納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料及其製備方法。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料，其特徵在於它包括基相材料、填充材料A、填充材料B、粘接劑和水原料製成。基相材料佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為70％～75％，基相材料的粒度為20nm～60nm；填充材料A佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為14％～20％，填充材料A的粒度為60～500nm；填充材料B佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為9％～15％，填充材料B的粒度為6μm～10μm；粘接劑的加入量為基相材料、填充材料A和填充材料B總重量的2％～5.5％；水的加入量為基相材料、填充材料A、填充材料B和粘接劑總重量的70％～78％；所述的基相材料為La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物與Y2O3穩定的ZrO2粉末，ZrO2的含量為82～85mol％，Y2O3的含量為5～7mol％，La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物的含量為10～13mol％；其中，La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比；所述的填充材料A為h-BN、石墨、硅藻土、膨潤土中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，為任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比；所述的填充材料B為聚苯酯、聚酯、芳香聚酯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，為任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比；所述的粘接劑為糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、聚苯乙烯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，任意二種或任意二種以上混合時，為任意配比。
所述的原料中加入高溫釺焊料，高溫釺焊料的加入量為基相材料、填充材料A、填充材料B和粘接劑重量的1.5～5％，高溫釺焊料為NiCuMnCo、CuNiTi或CoNiCrTi。
上述一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料的製備方法，其特徵在於它包括如下步驟1)、基相材料的製備按ZrO2的含量為82～85mol％，Y2O3的含量為5～7mol％，La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物的含量為10～13mol％，選取La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物、Y2O3和ZrO2混合，經研磨後於800-1600℃溫度下進行固溶穩定化燒結處理，得基相材料；其中，La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比。
2)、配料按基相材料佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為70％～75％，基相材料的粒度為20nm～60nm；填充材料A佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為14％～20％，填充材料A的粒度為60～500nm；填充材料B佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為9％～15％，填充材料B的粒度為6μm～10μm；選取基相材料、填充材料A和填充材料B；按粘接劑的加入量為基相材料、填充材料A和填充材料B總重量的2％～5.5％，選取粘接劑；按水的加入量為基相材料、填充材料A、填充材料B和粘接劑總重量的70％～78％，選取水；所述的填充材料A為h-BN、石墨、硅藻土、膨潤土中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，為任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比；所述的填充材料B為聚苯酯、聚酯、芳香聚酯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，為任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比；先將基相材料、填充材料A、填充材料B和粘接劑混合成為混合料，然後在混合料中加入水，調配成料漿，調整料漿的pH值，pH值為6-6.5。
3)、霧化乾燥將步驟2)所得到的料漿在噴霧乾燥塔內霧化乾燥，乾燥塔溫度控制在110～320℃範圍內；若採用離心霧化工藝時控制霧化盤的轉速，霧化盤的轉速為18000～21000rpm；製成空心團聚粉末；4)、篩分將步驟3)所得到的團聚粉末過篩，取40～90μm顆粒得產品；其餘粉末作為回爐料。
本發明得到的團聚粉末採用等離子噴塗製備塗層，等離子噴塗塗層時火焰溫度和速度極高，顆粒速度達400～600m/s，形成的塗層結合強度較高，而且塗層平整光滑，結構細膩，可精確控制厚度。
氧化鋯因熔點高，熱導率很低，熱穩定性好，高溫蠕變小，是一種理想的耐高溫材料，可以研究作為高溫封嚴塗層的基相。但純ZrO2材料一般不能直接用作耐熱塗層，這是因為它的晶型轉化會產生剝蝕現象。ZrO2有三種晶型單斜，四方，立方，低溫時為單斜相m-ZrO2；當加熱到約1200℃，轉變為四方相t-ZrO2，並伴隨7％～9％的體積收縮，超過2370℃，轉變為立方相c-ZrO2。當冷卻到1000℃時，變為單斜結構並體積膨脹，由於相變所造成的體積收縮和膨脹不是隨著溫度連續變化，因而塗層不穩定，會因內部的熱應力和體積應力，造成塗層過早開裂或剝落失效。若在ZrO2中摻入氧化釔(Y2O3)作穩定劑，能使ZrO2在高溫下獲得穩定化(YSZ)或部分穩定化(PYSZ)的晶體結構。而通常使用的是6～8mol％Y2O3部分穩定的ZrO2，它是由單斜相與四方相混合組成。此晶型結構在高溫下，單斜相發生體積收縮相變，而四方相則隨溫度升高而發生體積膨脹相變，膨脹與收縮相互抵消，從而使部分穩定的ZrO2/Y2O3晶體結構比完全穩定的ZrO2/Y2O3晶體結構具有更低的平均熱膨脹係數，與金屬的熱膨脹係數更接近，因而具有更好的抗熱衝擊性能以及更高的使用溫度。ZrO2基多元複合材料的研究比較深入，在ZrO2基相組織的耐熱性和熱穩定性方面，有學者用其他的一些稀土氧化物如La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3等其中的一種或者其中多種氧化物的混合物來做ZrO2的穩定劑，或對粉末做進一步的穩定化熱處理，結果表明採用多種稀土氧化物穩定的ZrO2在高溫時較ZrO2/Y2O3有更好的抗熱腐蝕性和相穩定性，因此製成的塗層能在更高的溫度下(1200℃以上)正常工作，更有研究表明，在1400℃時，Sc2O3+Y2O3穩定的ZrO2中亞穩定四方晶(T′相)的相穩定性比現在廣泛使用的6～8mol％Y2O3穩定的ZrO2中亞穩定四方晶(T′相)的相穩定性要好的多，而且Gd2O3+Y2O3、Ce2O3+Y2O3穩定的ZrO2在1400℃以上仍相當穩定。且塗層的韌性優於單一6～8mol％Y2O3穩定的ZrO2塗層。當陶瓷材料的晶粒控制在小於100nm時，因為量子效應會帶來材料性能的突變，材料強度和斷裂韌性顯著的提高，常溫下具有超塑性，所以納米ZrO2的性能更優。因此利用ZrO2的性能優點，通過摻雜和控制粒度對其性能進行改進，研究開發其作為耐熱基相在高溫封嚴塗層方面的應用，是本發明的目的。
石墨、h-BN、硅藻土、膨潤土等除具有諸如潤滑性，導熱性和良好的高溫性能好等特性外，作為彌散相改善複合材料的熱穩定性主要是增加其應變容量在材料內部引入大小和數量適宜的第二相粒子、由於不同物質熱膨脹係數有差異，在溫度變化時，材料內布將產生大量微小裂紋，這就是應變調整機制，因此增加了應變容量。在複合材料中添加一定量的石墨、h-BN、、硅藻土、膨潤土中的一種或幾種能夠很好的改善材料的應力分布，改善材料的脆性，並且由於其具有良好的自潤滑性，能夠有效的調節材料的硬度，在以前關於封嚴塗層的研究中已有涉及，如在NiCrAl-氮化硼、Al-Si-氮化硼、Ni-石墨等塗層中充當塗層的高溫潤滑相和軟相。因此，可以在塗層材料的設計時，研究在塗層中使用石墨、h-BN、硅藻土、膨潤土中的一種或幾種作為填充材料用以改善塗層性能。
聚苯酯與金屬的性能十分接近，在目前所有塑料中，聚苯酯導熱係數和在空氣中的熱穩定性最高。聚苯酯可在315℃下長期使用，短期使用溫度可高達370-425℃。據稱它是目前所有己知高分子材料中熱穩定性、熱容量、自潤滑性、硬度、耐磨耗性等綜合性能最好的品種。聚苯酯加熱到538℃也不熔融，而僅在427℃發生類似金屬的非粘性流動。它在320℃以下觀察不到因分解而引起的失重現象，直到425℃才開始出現明顯的失重。作為耐高溫的特種工程塑料，聚苯酯除了有很高的熱穩定性外，其導熱係數在所有塑料中是最大的。在塗層中添加的聚苯酯在高溫下燒掉，得到多孔低硬度面層。調節聚苯酯含量，在相同的工藝參數下噴塗，可得到不同孔隙率的塗層，對塗層的硬度和抗氣流衝蝕性能都有調節作用，能夠有助於協調和解決可磨耗性能和抗衝蝕性能兩者之間的矛盾。
基相材料為多種稀土氧化物穩定ZrO2粉末，如取La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的一種或幾種與Y2O3共同組成穩定劑穩定的ZrO2粉末，這種複合稀土氧化物穩定ZrO2粉末的粒度為20～60nm，該種ZrO2粉末由多種稀土氧化物穩定的目的是保證基相在≥1000℃條件下的組織高溫穩定性和抗熱震性能，而納米晶結構的ZrO2粉末則可以增加塗層與金屬基體的結合強度，提高其抗燃氣衝刷性能和磨耗的均勻性。填充材料A(填充材料之一)為熱膨脹係數小、軟質、層狀結構的高溫固體潤滑劑如h-BN、石墨、硅藻土、膨潤土，材料的粒度為60～500nm，可以用來調節塗層的硬度，用來改善≥1000℃條件下塗層與葉片之間的潤滑性，減小葉片的磨損性能，提高塗層的可磨耗性能。填充材料B(填充材料之二)為適量的高分子有機物，如聚苯酯、聚酯、芳香聚酯，粒度為6～10μm，可以降低塗層的硬度，在高溫下燒失時提高塗層孔隙率，形成微孔細小密布的面層，減少葉片的磨損，提高塗層的抗氣流衝蝕性能和抗熱震性能。
同時通過研究發現，在複合塗層材料中加入少量的高溫釺料(NiCuMnCo、CuNiTi、CoNiCrTi)，釺料中的活性組分滲入基體與塗層的界面，參與界面反應，能夠有效的提高塗層與基體的結合強度。因此在塗層與基體結合強度要求較高時，可以加入適量高溫釺料加以改善。
本發明的有益效果是1.複合塗層材料基相為La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物與Y2O3穩定的ZrO2粉末，它的存在，使得塗層體系的工作溫度達到1000℃以上，塗層在≥1000℃的高溫下使用性能穩定，基相材料不會發生相變、分解，具有良好的耐高溫和熱穩定性能。
2.選用粒度為納米級的稀土氧化物穩定的ZrO2粉末為原料，使塗層的熱導率隨著晶粒的減小而降低，納米粉末的存在使團聚粒的晶粒不容易長大，保持了晶粒的尺寸，並且可以使刮削產物的尺寸保持微米級的，對後渦輪機內附近設備沒有危害。納米粉末具有大的比表面積，對填充材料的包裹更加有效，能夠獲得更加細膩的組織，同時納米晶結構增強塗層內聚力，有利於塗層體系整體結合強度的提高，提高了塗層的抗熱震、抗氣流衝刷性以及磨耗的均勻性。
3.熱膨脹係數小、軟質、層狀結構的高溫固體潤滑劑(h-BN、石墨、硅藻土、膨潤土中的一種)的加入在塗層中形成軟相，並且具有自潤滑性，不同的加入量可以控制和調節塗層的硬度，使塗層的硬度達到適宜刮削的範圍，有效改善≥1000℃條件下塗層與葉片之間的潤滑性，減小葉片的磨損性能，提高塗層的可磨耗性能。
4.有機物(聚苯酯、聚酯、芳香聚酯中的一種)的加入作為填充材料，在高溫下燒蝕後形成微孔細小密布的面層，並且在燒蝕掉的過程中帶走一部分熱量，有利於塗層的耐熱性能，同時增加了塗層的孔隙率，降低塗層的硬度，減少了葉片的磨損，提高了塗層體系的抗氣流衝蝕性能和抗熱震性能。
5.在複合塗層材料中加入適量的高溫釺料，釺料中的活性組分向基體和塗層材料的界面擴散滲入，參與界面反應，潤溼界面，有效的提高塗層與基體的結合強度。
6.製備複合塗層材料粉末時調整料漿的pH值，控制制粉過程，獲得中空球狀納米ZrO2團聚包裹填充微粉的噴塗粉末。
7.原料中所加的粘接劑屬低熔點有機物，在後續的等離子噴塗工藝製備塗層過程中，300℃以下就會全部燒掉或揮發掉，不會成為等離子噴塗塗層中的雜質。
8.整個製備工藝流程少，設備簡單，工藝參數易於控制，適合於連續化大規模生產。
9.能根據具體的工況要求，適當調整組分的配比，製備出適合於工況條件使用的滿意產品。
10.能起到良好的氣路封嚴效果，提高發動機工作效率。
具體實施例方式
為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限於下面的實施例。
實施例1取粒度為20～60nm的CeO2+Y2O3穩定ZrO2粉末3.28kg，粒度為60～500nm的h-BN0.675kg，粒度為6～10μm的聚苯酯0.54kg，再加入0.225kg的粘接劑，經充分混合後，加入3.5kg的蒸餾水攪拌均勻分散懸浮的料漿待用。所述的CeO2+Y2O3穩定ZrO2粉末中Y2O3的含量為5～7mol％，CeO2的含量為10～13mol％。所述的粘接劑為糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、聚苯乙烯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，任意二種或任意二種以上混合時，為任意配比。利用酸鹼度測試儀，通過滴加稀鹽酸來控制和調整料漿的pH值，pH值為6～6.5。
用乾燥純淨的壓縮空氣作攜帶氣體，氣體壓力控制在0.8MPa，採取二流式噴嘴將料漿噴入乾燥塔內。霧化的料漿依靠自身的表面張力收縮成團聚空心球形微粒，在熱風中乾燥，乾燥塔加熱器的加熱溫度控制在150～250℃之間，溫度的高低調節以粉末充分乾燥為限。隨後通過抽風機將乾燥的團聚粉末抽入旋風分離器內收集。將收集的粉末用機械分樣篩進行篩分，取粒度範圍為40～90μm的粉末，得產品(一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料)。
利用壓縮空氣將硬質磨料(金剛砂)高速噴射1Cr18Ni9Ti不鏽鋼基體表面，使其粗化。在處理過的基體表面噴塗一層厚0.08～0.12mm的粘接層(CoNiCrAlY2O3)，功率為25～30KW，電壓60～70V，電流300～450A。有粘接層的工件表面噴塗40～90μm的團聚顆粒，塗層厚度達1.5～2.5mm，噴塗用的功率為40～45KW，電壓75～85V，電流500～550A。
用霍爾流量計測定粉末的松裝密度和流動性，萬能試驗機測塗層的結合強度，全洛氏硬度計測量塗層的硬度，用掃描電鏡測定粉末和塗層的形貌，X射線粉晶衍射測定粉末的晶體結構，在不鏽鋼基體上製備該種粉末塗層，用千分尺測定塗層厚度，通過可磨耗試驗機對發動機內葉片對封嚴材料刮削磨損過程進行模擬。以塗層的最大載荷和屈服載荷來綜合表徵塗層材料的可磨耗性能，塗層的屈服點低、最大載荷點亦低，則塗層的可磨耗性好。以衝擊刮削韌性表徵塗層的抗衝蝕性能，衝擊刮削韌性值大，塗層的抗衝蝕性能好，否則抗衝蝕性能差。結果列於表1。
表1實施例1所製得粉末與塗層的性能
實施例2取粒度為20～60nm的Sc2O3+Y2O3穩定ZrO2粉末7.5kg，粒度為60～500nm的h-BN1.5kg，粒度為6～10μm的聚苯酯1.5kg，再加入0.5kg的粘接劑，經充分混合後，加入7.8kg的蒸餾水攪拌均勻分散懸浮的料漿待用。所述的Sc2O3+Y2O3穩定ZrO2粉末中Y2O3的含量為5％～7mol％，Sc2O3的含量為10％～13mol％。所述的粘接劑為糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、聚苯乙烯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，任意二種或任意二種以上混合時，為任意配比。利用酸鹼度測試儀，通過滴加稀鹽酸來控制和調整料漿的pH值，pH值為6～6.5。
用乾燥純淨的壓縮空氣作攜帶氣體，氣體壓力控制在0.8MPa，採取二流式噴嘴將料漿噴入乾燥塔內，霧化的料漿依靠自身的表面張力收縮成團聚空心球形微粒，在熱風中乾燥，乾燥塔加熱器的加熱溫度控制在150～250℃之間，溫度的高低調節以粉末充分乾燥為限。隨後通過抽風機將乾燥的團聚粉末抽入旋風分離器內收集。將收集的粉末用機械分樣篩進行篩分，取粒度範圍為40～90μm粉末得產品(一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料)。
利用壓縮空氣將硬質磨料(金剛砂)高速噴射1Cr18Ni9Ti不鏽鋼基體表面，使其粗化。在處理過的基體表面噴塗一層厚0.08～0.12mm的粘接層(CoNiCrAlY2O3)，功率為25～30KW，電壓60～70V，電流300～450A。有粘接層的工件表面噴塗40～90μm的團聚顆粒，塗層厚度達1.5～2.5mm，噴塗用的功率為40～45KW，電壓75～85V，電流500～550A。
用霍爾流量計測定粉末的松裝密度和流動性，萬能試驗機測塗層的結合強度，全洛氏硬度計測量塗層的硬度，用掃描電鏡測定粉末和塗層的形貌，X射線粉晶衍射測定粉末的晶體結構，在不鏽鋼基體上製備該種粉末塗層，用千分尺測定塗層厚度，通過可磨耗試驗機對發動機內葉片對封嚴材料刮削磨損過程進行模擬。以塗層的最大載荷和屈服載荷來綜合表徵塗層材料的可磨耗性能，塗層的屈服點低、最大載荷點亦低，則塗層的可磨耗性好。以衝擊刮削韌性表徵塗層的抗衝蝕性能，衝擊刮削韌性值大，塗層的抗衝蝕性能好，否則抗衝蝕性能差。結果列於表2。
表2實施例2所製得粉末與塗層的性能
實施例3取粒度為20～60nm的Sc2O3+Y2O3穩定ZrO2粉末10.5kg，粒度為60～500nm的硅藻土3.0kg，粒度為6～10μm的聚酯1.5kg，再加入0.75kg的粘接劑，經充分混合後，加入12kg的蒸餾水攪拌均勻分散懸浮的料漿待用。所述的Sc2O3+Y2O3穩定ZrO2粉末中Y2O3的含量為5～7mol％，Sc2O3的含量為10～13mol％。所述的粘接劑為糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、聚苯乙烯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，任意二種或任意二種以上混合時，為任意配比。利用酸鹼度測試儀，通過滴加稀鹽酸來控制和調整料漿的pH值，pH值為6～6.5。
用乾燥純淨的壓縮空氣作攜帶氣體，氣體壓力控制在0.8MPa，採取二流式噴嘴將料漿噴入乾燥塔內，霧化的料漿依靠自身的表面張力收縮成團聚空心球形，在熱風中乾燥，乾燥塔加熱器的加熱溫度控制在150～250℃之間，溫度的高低調節以粉末充分乾燥為限。隨後通過抽風機將乾燥的團聚粉末抽入旋風分離器內收集。將收集的粉末用機械分樣篩進行篩分，取粒度範圍為40～90μm粉末，得產品(一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料)。
利用壓縮空氣將硬質磨料(金剛砂)高速噴射1Cr18Ni9Ti不鏽鋼基體表面，使其粗化。在處理過的基體表面噴塗一層厚0.08～0.12mm的粘接層(CoNiCrAlY2O3)，功率為25～30KW，電壓60～70V，電流300～450A。有粘接層的工件表面噴塗40～90μm的團聚顆粒，塗層厚度達1.5～2.5mm，噴塗用的功率為40～45KW，電壓75～85V，電流500～550A。
用霍爾流量計測定粉末的松裝密度和流動性，萬能試驗機測塗層的結合強度，全洛氏硬度計測量塗層的硬度，用掃描電鏡測定粉末和塗層的形貌，X射線粉晶衍射測定粉末的晶體結構，在不鏽鋼基體上製備該種粉末塗層，用千分尺測定塗層厚度，通過可磨耗試驗機對發動機內葉片對封嚴材料刮削磨損過程進行模擬。以塗層的最大載荷和屈服載荷來綜合表徵塗層材料的可磨耗性能，塗層的屈服點低、最大載荷點亦低，則塗層的可磨耗性好。以衝擊刮削韌性表徵塗層的抗衝蝕性能，衝擊刮削韌性值大，塗層的抗衝蝕性能好，否則抗衝蝕性能差。結果列於表3。
表3實施例3所製得粉末與塗層的性能
實施例4取粒度為20～60nm的(La2O3、CeO2)+Y2O3穩定ZrO2粉末10.5kg，粒度為60～500nm的h-BN2.25kg，粒度為6～10μm的聚酯2.25kg，再加入0.75kg的粘接劑，經充分混合後，加入11.8kg的蒸餾水攪拌均勻分散懸浮的料漿待用。所述的(La2O3、CeO2)+Y2O3穩定ZrO2粉末中Y2O3的含量為5％～7mol％，(La2O3、CeO2)的含量為10％～13mol％，其中La2O3的含量為6～8mol％。所述的粘接劑為糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、聚苯乙烯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，任意二種或任意二種以上混合時，為任意配比。利用酸鹼度測試儀，通過滴加稀鹽酸來控制和調整料漿的pH值，pH值為6～6.5。
採取離心式霧化盤將料漿噴入乾燥塔內，霧化盤的轉速為18000～21000rpm，霧化的料漿依靠自身的表面張力收縮成團聚空心球形，在熱風中乾燥，乾燥塔加熱器的加熱溫度控制在150～250℃之間，溫度的高低調節以粉末充分乾燥為限。隨後通過抽風機將乾燥的團聚粉末抽入旋風分離器內收集。將收集的粉末用機械分樣篩進行篩分，取粒度範圍為40～90μm粉末，得產品(一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料)。
利用壓縮空氣將硬質磨料(金剛砂)高速噴射1Cr18Ni9Ti不鏽鋼基體表面，使其粗化。在處理過的工件表面噴塗一層厚0.08～0.12mm的粘接層(CoNiCrAlY2O3)，功率為25～30KW，電壓60～70V，電流300～450A。有粘接層的工件表面噴塗40～90μm的團聚顆粒，塗層厚度達1.5～2.5mm，噴塗用的功率為40～45KW，電壓75～85V，電流500～550A。
用霍爾流量計測定粉末的松裝密度和流動性，萬能試驗機測塗層的結合強度，全洛氏硬度計測量塗層的硬度，用掃描電鏡測定粉末和塗層的形貌，X射線粉晶衍射測定粉末的晶體結構，在不鏽鋼基體上製備該種粉末塗層，用千分尺測定塗層厚度，通過可磨耗試驗機對發動機內葉片對封嚴材料刮削磨損過程進行模擬。以塗層的最大載荷和屈服載荷來綜合表徵塗層材料的可磨耗性能，塗層的屈服點低、最大載荷點亦低，則塗層的可磨耗性好。以衝擊刮削韌性表徵塗層的抗衝蝕性能，衝擊刮削韌性值大，塗層的抗衝蝕性能好，否則抗衝蝕性能差。結果列於表4。
表4實施例4所製得粉末與塗層的性能
實施例5
取粒度為20～60nm的Gd2O3+Y2O3穩定ZrO2粉末8.64kg，粒度為60～500nm的硅藻土1.92kg，粒度為6～10μm的芳香聚酯1.44kg，加入0.6kg的粘接劑，再加入粒度為5～10μm的高溫釺料CoNiCrTi粉末0.2kg，經充分混合後，加入9.44kg的蒸餾水攪拌均勻分散懸浮的料漿待用。所述的Gd2O3+Y2O3穩定ZrO2粉末中Y2O3的含量為5～7mol％，Gd2O3的含量為10～13mol％。所述的粘接劑為糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、聚苯乙烯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，任意二種或任意二種以上混合時，為任意配比。利用酸鹼度測試儀，通過滴加稀鹽酸來控制和調整料漿的pH值，pH值為6～6.5。
採取離心式霧化盤將料漿噴入乾燥塔內，霧化盤的轉速為18000～21000rpm，霧化的料漿依靠自身的表面張力收縮成團聚空心球形，在熱風中乾燥，乾燥塔加熱器的加熱溫度控制在150～250℃之間，溫度的高低調節以粉末充分乾燥為限。隨後通過抽風機將乾燥的團聚粉末抽入旋風分離器內收集。將收集的粉末用機械分樣篩進行篩分，取粒度範圍為40～90μm粉末，得產品(一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料)。
利用壓縮空氣將硬質磨料(金剛砂)高速噴射1Cr18Ni9Ti不鏽鋼基體表面，使其粗化。在處理過的基體表面噴塗一層厚0.08～0.12mm的粘接層(CoNiCrAlY2O3)，功率為25～30KW，電壓60～70V，電流300～450A。有粘接層的工件表面噴塗40～90μm的團聚顆粒，塗層厚度達1.5～2.5mm，噴塗用的功率為40～45KW，電壓75～85V，電流500～550A。
用霍爾流量計測定粉末的松裝密度和流動性，萬能試驗機測塗層的結合強度，全洛氏硬度計測量塗層的硬度，用掃描電鏡測定粉末和塗層的形貌，X射線粉晶衍射測定粉末的晶體結構，在不鏽鋼基體上製備該種粉末塗層，用千分尺測定塗層厚度，通過可磨耗試驗機對發動機內葉片對封嚴材料刮削磨損過程進行模擬。以塗層的最大載荷和屈服載荷來綜合表徵塗層材料的可磨耗性能，塗層的屈服點低、最大載荷點亦低，則塗層的可磨耗性好。以衝擊刮削韌性表徵塗層的抗衝蝕性能，衝擊刮削韌性值大，塗層的抗衝蝕性能好，否則抗衝蝕性能差。結果列於表5。
表5實施例5所製得粉末與塗層的性能
實施例6取粒度為20～60nm的(Nd2O3、CeO2)+Y2O3穩定ZrO2粉末11.25kg，粒度為60～500nm的膨潤土2.4kg，粒度為6～10μm的芳香聚酯1.44kg，加入0.7kg的粘接劑，再加入粒度為5～10μm的高溫釺料CoNiCrTi粉末0.25kg，經充分混合後，加入12kg的蒸餾水攪拌均勻分散懸浮的料漿待用。所述的(Nd2O3、CeO2)+Y2O3穩定ZrO2粉末中Y2O3的含量為5～7mol％，(Nd2O3、CeO2)的含量為10～13mol％，其中Nd2O3的含量為6～8mol％。所述的粘接劑為糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、聚苯乙烯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，任意二種或任意二種以上混合時，為任意配比。利用酸鹼度測試儀，通過滴加稀鹽酸來控制和調整料漿的pH值，pH值為6～6.5。
採取離心式霧化盤將料漿噴入乾燥塔內，霧化盤的轉速為18000～21000rpm，霧化的料漿依靠自身的表面張力收縮成團聚空心球形，在熱風中乾燥，乾燥塔加熱器的加熱溫度控制在150～250℃之間，溫度的高低調節以粉末充分乾燥為限。隨後通過抽風機將乾燥的團聚粉末抽入旋風分離器內收集。將收集的粉末用機械分樣篩進行篩分，取粒度範圍為40～90μm粉末，得產品(一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料)。
利用壓縮空氣將硬質磨料(金剛砂)高速噴射1Cr18Ni9Ti不鏽鋼基體表面，使其粗化。在處理過的基體表面噴塗一層厚0.08～0.12mm的粘接層(CoNiCrAlY2O3)，功率為25～30KW，電壓60～70V，電流300～450A。有粘接層的工件表面噴塗40～90μm的團聚顆粒，塗層厚度達1.5～2.5mm，噴塗用的功率為40～45KW，電壓75～85V，電流500～550A。
用霍爾流量計測定粉末的松裝密度和流動性，萬能試驗機測塗層的結合強度，全洛氏硬度計測量塗層的硬度，用掃描電鏡測定粉末和塗層的形貌，X射線粉晶衍射測定粉末的晶體結構，在不鏽鋼基體上製備該種粉末塗層，用千分尺測定塗層厚度，通過可磨耗試驗機對發動機內葉片對封嚴材料刮削磨損過程進行模擬。以塗層的最大載荷和屈服載荷來綜合表徵塗層材料的可磨耗性能，塗層的屈服點低、最大載荷點亦低，則塗層的可磨耗性好。以衝擊刮削韌性表徵塗層的抗衝蝕性能，衝擊刮削韌性值大，塗層的抗衝蝕性能好，否則抗衝蝕性能差。結果列於表6。
表6實施例6所製得粉末與塗層的性能
本發明的基相材料、填充材料A、填充材料B、粘接劑、水、高溫釺焊料原料的上下限取值以及區間值都能實現本發明，以及基相材料、填充材料A、填充材料B、粘接劑、高溫釺焊料的各具體原料都能實現本發明，在此就不一一列舉實施例。
權利要求
1.一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料，其特徵在於它包括基相材料、填充材料A、填充材料B、粘接劑和水原料製成，基相材料佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為70％～75％，基相材料的粒度為20nm～60nm；填充材料A佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為14％～20％，填充材料A的粒度為60～500nm；填充材料B佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為9％～15％，填充材料B的粒度為6μm～10μm；粘接劑的加入量為基相材料、填充材料A和填充材料B重量的2％～5.5％；水的加入量為基相材料、填充材料A、填充材料B和粘接劑重量的70％～78％；所述的基相材料為La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物與Y2O3穩定的ZrO2粉末，ZrO2的含量為82～85mol％，Y2O3的含量為5～7mol％，La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物的含量為10～13mol％；其中，La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比；所述的填充材料A為h-BN、石墨、硅藻土、膨潤土中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，為任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比；所述的填充材料B為聚苯酯、聚酯、芳香聚酯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，為任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比。
2.根據權利要求1所述的一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料，其特徵在於所述的粘接劑為糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素、聚苯乙烯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，任意二種或任意二種以上混合時，為任意配比。
3.根據權利要求1所述的一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料，其特徵在於所述的原料中加入高溫釺焊料，高溫釺焊料的加入量為基相材料、填充材料A、填充材料B和粘接劑重量的1.5～5％，高溫釺焊料為NiCuMnCo、CuNiTi或CoNiCrTi。
4.如權利要求1所述的一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料的製備方法，其特徵在於它包括如下步驟1)、基相材料的製備按ZrO2的含量為82～85mol％，Y2O3的含量為5～7mol％，La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物的含量為10～13mol％，選取La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物、Y2O3和ZrO2混合，經研磨後於800-1600℃溫度下進行固溶穩定化燒結處理，得基相材料；其中，La2O3、CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Nd2O3中的任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比；2)、配料按基相材料佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為70％～75％，基相材料的粒度為20nm～60nm；填充材料A佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為14％～20％，填充材料A的粒度為60～500nm；填充材料B佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為9％～15％，填充材料B的粒度為6μm～10μm；選取基相材料、填充材料A和填充材料B；按粘接劑的加入量為基相材料、填充材料A和填充材料B總重量的2％～5.5％，選取粘接劑；按水的加入量為基相材料、填充材料A、填充材料B和粘接劑總重量的70％～78％，選取水；所述的填充材料A為h-BN、石墨、硅藻土、膨潤土中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，為任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比；所述的填充材料B為聚苯酯、聚酯、芳香聚酯中的任意一種或任意二種或任意二種以上的混合物，為任意二種或任意二種以上混合時，混合配比為任意比；先將基相材料、填充材料A、填充材料B和粘接劑混合成為混合料，然後在混合料中加入水，調配成料漿.3)、霧化乾燥將步驟2)所得到的料漿在噴霧乾燥塔內霧化乾燥，乾燥塔溫度控制在110～320℃範圍內，製成空心團聚粉末；4)、篩分將步驟3)所得到的團聚粉末過篩，取40～90μm顆粒得產品。
全文摘要
本發明涉及一種可磨耗封嚴複合塗層材料。一種納米氧化鋯基可磨耗封嚴複合塗層材料，其特徵在於它包括基相材料、填充材料A、填充材料B、粘接劑和水原料製成，基相材料佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為70％～75％，填充材料A佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為14％～20％，填充材料B佔基相材料、填充材料A和填充材料B的重量百分比為9％～15％；粘接劑的加入量為基相材料、填充材料A和填充材料B重量的2％～5.5％；水的加入量為基相材料、填充材料A、填充材料B和粘接劑重量的70％～78％。本發明具有高溫穩定性、可磨耗性、結合強度、抗衝蝕性好的特點。
文檔編號C09D125/00GK1923909SQ20061012443
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月1日 優先權日2006年9月1日
發明者程旭東, 高忠寶, 顧少軒, 楊章富, 張子軍, 鄧飛飛 申請人:武漢理工大學