CN113249676A - 具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层的结构及其制备方法，应用于航空发动机技术领域。本发明涂层结构包括依次层叠在高温合金表面的MCrAlY粘结层、Y2O3稳定ZrO2中间层以及稀土硅酸盐基可磨耗封严面层。可磨耗封严面层材料是由稀土硅酸盐主相、润滑相、造孔相等复合而成。本发明所设计的涂层具有良好的高温稳定性，是兼具可磨耗封严和隔热性能的复合涂层，有望解决涡轮等部件在服役过程中因相互摩擦造成的机械损伤，并克服材料在较高温度下发生氧化和性能衰退等难题，可以满足航空发动机涡轮等部件气路封严的需要，提高发动机效率。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层的结构及其制备方法。
背景技术
随着航空工业的迅速发展，对航空发动机的性能要求越来越高。大推力、高效率和低油耗是现阶段航空发动机设计和制造的总体目标。涡轮外环与叶片由于受离心力、热膨胀、高温蠕变等因素的影响，在服役过程中会发生形变，从而导致两者间的径向间隙改变；然而，当间隙过大时，气体泄漏会直接影响发动机效率，从而对发动机性能产生较大的影响。在涡轮外环表面沉积可磨耗封严涂层是解决这一问题的主要方法之一，当间隙改变时，封严涂层能提供良好的密封作用，而不损伤叶片。该可磨耗封严涂层由于其服役环境恶劣，需具备耐高温、可磨耗、低摩擦系数等性能。
目前常见的可磨耗封严涂层材料主要有铝基、镍基和氧化锆基等。金属基涂层由于熔点较低且易于氧化，限制了其在高温条件下的使用。陶瓷基涂层可以有效解决上述金属基涂层存在的问题，应用于更高的温度。目前，6～8wt.％Y2O3稳定ZrO2(YSZ)因其具有熔点高，热膨胀系数与高温合金接近的特点被广泛用做高温可磨耗封严涂层材料。然而，Y2O3在超过1250℃高温下容易析出，使YSZ涂层发生相变，相变伴随的体积膨胀会导致涂层开裂甚至剥落，进而严重影响发动机工作安全。同时，直接喷涂的YSZ涂层硬度较高，摩擦过程中会使叶片磨损严重，可磨耗性并不理想。因此，开发能够耐超过1300℃高温，具有良好热稳定性，兼具可磨耗封严和隔热的复合涂层及制备技术，减少叶片尖端与涡轮外环间的间隙，提高发动机效率，并解决航空发动机叶片在服役过程中的机械损伤，避免合金高温氧化及结构退化成为急需解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构及其制备方法，本发明涂层结构具有良好的高温稳定性，是兼具可磨耗封严和隔热性能的复合涂层，有望解决涡轮等部件在服役过程中因相互摩擦造成的机械损伤，并克服材料在较高温度下发生氧化和性能衰退等难题，可以满足航空发动机涡轮等部件气路封严的需要，提高发动机效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，具有表面涂层，作为稀土硅酸盐基可磨耗封严面层，利用Y2O3稳定ZrO2中间层将表面涂层和高温合金表面的MCrAlY粘结层结合在一起，使所述可磨耗封严涂层结构形成依次层叠在高温合金表面的MCrAlY粘结层、Y2O3稳定ZrO2中间层以及稀土硅酸盐基可磨耗封严面层组成的复合涂层结构，其中M为Ni。Y2O3稳定ZrO2简称YSZ。本发明采用稀土硅酸盐制备可磨耗封严面层的功能结构，稀土硅酸盐因其熔点高、硬度较低、高温相稳定性和耐腐蚀性能优异的特点，成为理想的高温热防护涂层材料，能够用做可磨耗封严涂层材料。本发明提供的涂层结构包括MCrAlY粘结层、YSZ中间层和稀土硅酸盐基可磨耗封严面层，能够兼具良好的可磨耗封严和隔热性能，同时具有良好的抗氧化、无有害相变、硬度和摩擦系数较低等的特点，有望解决用做航空发动机涡轮等部件的高温合金材料因摩擦导致的机械损伤，并克服材料高温氧化及性能衰退等难题。所述材料体系中，MCrAlY具有与高温合金材料相匹配的热膨胀系数，且化学相容性良好，可以有效预防高温合金在服役过程中氧化、硫化等腐蚀现象的发生，同时能够改善高温合金基体与陶瓷涂层的物理相容性，是理想的粘结层材料。YSZ作为中间层，具有低热导率，可以起隔热作用，同时能够缓解金属基体与陶瓷基可磨耗封严面层间因热膨胀系数差异产生的应力集中。
优选地，所述稀土硅酸盐采用Y2SiO5、Er2SiO5、Gd2SiO5、Yb2SiO5、Yb2Si2O7中的至少一种。
优选地，所述MCrAlY粘结层的厚度为50～500μm。进一步优选为50～200μm。若粘结层厚度过大，将会影响粘结层和基体的结合，粘结层在服役过程中容易脱落；而当粘结层厚度过小时，则无法有效预防合金基体在服役过程中的氧化和硫化等腐蚀现象的发生。
优选地，所述Y2O3稳定ZrO2中间层的厚度为50～500μm。进一步优选为150～300μm。
优选地，稀土硅酸盐基可磨耗封严面层的厚度为500～3000μm。进一步优选为500～2000μm。
优选地，稀土硅酸盐基可磨耗封严面层的主相为稀土硅酸盐，还包括润滑相和造孔相；所述润滑相为石墨、膨润土和六方氮化硼(h-BN)中的至少一种；所述造孔相为聚酰亚胺和聚苯酯(PHB)中的至少一种。本发明所述稀土硅酸盐基可磨耗封严面层以稀土硅酸盐为主相，石墨、膨润土和h-BN等为润滑相，聚酰亚胺和PHB等为造孔相。所述材料体系中，稀土硅酸盐作为主相，具有高熔点，良好相稳定性，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。h-BN等作为润滑相，是涂层中的软相，具有低的剪切强度，可以为涂层提供一定的润滑作用，降低涂层摩擦系数。PHB等作为造孔相，通过热处理在涂层中形成孔洞，可以降低涂层硬度，缓解涂层内部的应力集中，并提高涂层的可磨耗性。
优选地，所述稀土硅酸盐基可磨耗封严面层中还包括由造孔相在热处理过程中烧失后留下的孔洞。
优选地，按照质量百分比计算，在稀土硅酸盐基可磨耗封严面层中，稀土硅酸盐的含量为80～98.8％，润滑相的含量为0.2～10％，造孔相含量为1～10％。进一步优选地，润滑相的含量为0.5～5.0％，造孔相含量为3～5％。具体来说，h-BN具有较高的熔点，达到3000℃，其在等离子喷涂制备过程中无法完全熔融，且与基相材料润湿性不良，故其添加量不宜过高。造孔相PHB经热处理后会在涂层中形成孔洞，含量太高时会影响涂层抗高温氧化性能和抗冲蚀性能。
优选地，其表面稀土硅酸盐涂层的平均摩擦系数不高于0.233，体积磨损率不低于24.69×10-4mm3/N·m。
一种本发明具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构的制备方法，采用等离子喷涂方法在高温合金基体表面喷涂MCrAlY粘结层；然后，采用等离子喷涂方法在粘结层表面制备Y2O3稳定ZrO2中间层；再采用等离子喷涂方法在Y2O3稳定ZrO2中间层上制备稀土硅酸盐基可磨耗封严面层。本发明所述可磨耗封严面层的基相稀土硅酸盐涂层结构致密，且硬度较高，而润滑相石墨、膨润土和h-BN以及造孔相聚酰亚胺和PHB作为添加相具有低的剪切强度和低的硬度，可以起润滑作用，降低涂层摩擦系数，并提高涂层的孔隙率，降低涂层硬度，缓解涂层内部的应力集中，从而提高涂层的可磨耗性和抗粘着性。采用等离子喷涂技术，可以解决可磨耗封严面层中基相、润滑相和造孔相性能差异较大的问题，制备出性能优异的多组元陶瓷基可磨耗封严涂层，同时具有沉积效率高、操作简单，成本较低的特点。
优选地，制备MCrAlY粘结层时，采用MCrAlY粉体的粒径为10～100μm。
优选地，制备Y2O3稳定ZrO2中间层时，采用的Y2O3稳定ZrO2材料粉体的粒径为10～150μm。
优选地，制备稀土硅酸盐基可磨耗封严面层时，采用稀土硅酸盐粉体的粒径为10～150μm，其中，采用润滑相粉体粒径为10～150μm，采用造孔相粉体的粒径为10～150μm。
优选地，本发明具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构的制备方法包括步骤：
a.制备可磨耗封严面层所用的等离子喷涂复合粉体；
b.对清洁基体表面进行粗化，得到表面预处理的基体；
c.在预处理的基体表面喷涂MCrAlY涂层，得到MCrAlY粘结层；
d.在粘结层表面喷涂制备YSZ中间层；
e.在中间层表面喷涂制备可磨耗封严面层。
优选地，本发明具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体制备：
通过机械混合的方式将稀土硅酸盐粉体与润滑相和造孔相粉体混合，制备可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体材料；其中，稀土硅酸盐粉体的粒径为10～150μm，润滑相粉体的粒径为10～150μm，造孔相粉体的粒径为10～150μm；稀土硅酸盐的质量分数为80～98.8％，所述润滑相的质量分数为0.5～5％，所述造孔相的质量分数为3～5％；进一步优选，所述MCrAlY粉体使用的粒径为10～100μm，所述YSZ粉体粒径为10～150μm；上述粉体粒径分布均匀，均适合等离子喷涂；
(2)基体的预处理：
采用涂预处理工艺方法，基体采用镍基高温合金等基体，并经表面喷砂预处理，其步骤如下：
采用喷砂压强为0.1～0.6MPa，在对镍基高温合金等基体经喷砂处理后，在无水乙醇溶液中超声清洗2～4次，每次5～8分钟，在80～120℃烘箱中烘干30～60分钟，完成基体的预处理过程；
(3)粘结层的制备：
在基体材料表面制备含MCrAlY粘结层，采用等离子喷涂法，采用MCrAlY粉体为原料，喷涂厚度为50～500μm的MCrAlY涂层，所述等离子喷涂工艺的参数包括：
电流500～800A，氩气流量40～60slm，氢气流量5～15slm，喷涂功率30～60kW，喷涂距离100～250mm，送粉速率10～35r/min，喷涂气压50～150mbar；
(4)中间层的制备：
在MCrAlY粘结层表面制备Y2O3稳定ZrO2中间层，采用等离子喷涂法，采用Y2O3稳定ZrO2材料粉体为原料，喷涂厚度为50～500μm的Y2O3稳定ZrO2中间层，所述等离子喷涂工艺的参数包括：
电流500～800A，氩气流量30～50slm，氢气流量5～15slm，喷涂功率30～60kW，喷涂距离100～250mm，送粉速率10～35r/min；
(5)面层的制备：
采用等离子喷涂法，将在所述步骤(1)中制得的可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体材料喷涂在带有粘结层和中间层的基体上，制备厚度为500～3000μm的面层，所述等离子喷涂工艺的参数包括：
电流500～800A，氩气流量30～50slm，氢气流量5～15slm，喷涂功率30～60kW，喷涂距离100～250mm，送粉速率10～35r/min。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明采用的稀土硅酸盐为基相的陶瓷基可磨耗封严涂层材料与常用的以ZrO2为基相的陶瓷基可磨耗封严涂层材料相比，具有更低的硬度和摩擦系数，高的磨损率，即涂层的可磨耗性能更优；在提高发动机效率的基础上，进一步降低可磨耗封严涂层摩擦系数，减少叶片磨耗损失；
2.本发明采用的稀土硅酸盐为基相的可磨耗封严涂层材料与以ZrO2为基相的可磨耗封严涂层材料相比，高温下不发生相变(ZrO2在～1200℃发生相变)，具有良好的高温稳定性，可保证航空发动机在服役过程中的安全性；
3.高温合金由于熔点、表面腐蚀和应力断裂等限制，其使用温度难以满足航空发动机高温服役的应用要求；本发明制备的可磨耗封严涂层结构兼具良好的可磨耗封严和隔热性能，能够对基体形成有效的防护，避免基体的高温氧化及结构退化等问题；
4.本发明采用YSZ作为中间层，能够缓解金属基体与稀土硅酸盐陶瓷基可磨耗封严面层间因热膨胀系数差异产生的应力集中，实现航空发动机在长寿命和高可靠性方面的应用；
5.本发明的涂层采用等离子喷涂法制备，该方法具有工艺简单，沉积效率高，厚度可控，重复性良好，适用材料范围广，适合工业化生产等特点。
附图说明
图1为为本发明高温合金基体表面可磨耗封严涂层的结构示意图。
具体实施方式
以下，通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
以下示例性说明本发明提供一种具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构及其制备方法。
可磨耗封严涂层结构包括：MCrAlY粘结层、YSZ中间层和稀土硅酸盐基复合材料的面层。其中，面层材料中稀土硅酸盐为陶瓷基主相，润滑相h-BN、造孔相PHB为添加相。具体地，图1示出了高温合金基体表面的可磨耗封严涂层的结构示意图，以镍基高温合金材料为基体、MCrAlY为粘结层、YSZ为中间层、稀土硅酸盐基复合涂层为面层所构成。其中粘结层和中间层结构均匀致密，涂层和基体以及涂层间结合紧密。面层结构包括均匀分布于主相稀土硅酸盐相中的润滑相和由造孔剂去除后留下的孔洞的结构。
通过机械混合的方式将稀土硅酸盐粉体，与润滑相和造孔相粉体混合制备可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体。其中，稀土硅酸盐粉体的粒径为10～150μm，润滑相粉体的粒径为10～150μm，造孔相粉体的粒径为10～150μm；所述稀土硅酸盐的质量分数为80％～98.8％，所述润滑相的质量分数为0.5％～5％，所述造孔相的质量分数为3％～5％。
基体的预处理：即喷涂预处理。所述基体为镍基高温合金等基体，并经表面喷砂等预处理。作为一个示例，喷砂压强为0.1～0.6MPa，将高温合金经喷砂处理后，在无水乙醇溶液中超声清洗2～4次，每次5～8分钟，在80～120℃烘箱中烘干30～60分钟。
粘结层的制备：在基体材料表面制备含MCrAlY粘结层，即采用等离子喷涂法，采用MCrAlY粉体为原料，喷涂MCrAlY涂层，所述等离子喷涂工艺的参数包括：电流500～800A，氩气流量40～60slm，氢气流量5～15slm，喷涂功率30～60kW，喷涂距离100～250mm，送粉速率10～35r/min，喷涂气压50～150mbar。粘结层的厚度为50～500μm，优选为50～200μm。
中间层的制备：在中间层表面制备YSZ涂层，即采用等离子喷涂法，采用YSZ粉体为原料，喷涂YSZ涂层，所述等离子喷涂工艺的参数包括：电流500～800A，氩气流量30～50slm，氢气流量5～15slm，喷涂功率30～60kW，喷涂距离100～250mm，送粉速率10～35r/min。粘结层的厚度为50～500μm，优选为50～200μm。
面层的制备：采用等离子喷涂法，将制得的可磨耗封严面层复合粉体喷涂在带有粘结层和中间层的基体上。所述等离子喷涂工艺的参数包括：电流500～800A，氩气流量30～50slm，氢气流量5～15slm，喷涂功率30～60kW，喷涂距离100～250mm，送粉速率10～35r/min。面层的厚度为500～3000μm，优选为500～2000μm。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，具有表面涂层，作为稀土硅酸盐基可磨耗封严面层，利用Y2O3稳定ZrO2中间层将表面涂层和高温合金表面的NiCrAlY粘结层结合在一起，使所述可磨耗封严涂层结构形成依次层叠在高温合金表面的NiCrAlY粘结层、Y2O3稳定ZrO2中间层以及稀土硅酸盐基可磨耗封严面层组成的复合涂层结构。
本实施例具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体制备：
通过机械混合的方式将稀土硅酸盐粉体与润滑相和造孔相粉体混合，制备可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体材料；其中，稀土硅酸盐粉体的粒径为150μm，润滑相粉体的粒径为150μm，造孔相粉体的粒径为150μm；稀土硅酸盐的质量分数为90％，所述润滑相的质量分数为5％，所述造孔相的质量分数为5％；
(2)基体的预处理：
采用涂预处理工艺方法，基体采用镍基高温合金等基体，并经表面喷砂预处理，其步骤如下：
采用喷砂压强为0.4MPa，在对镍基高温合金等基体经喷砂处理后，在无水乙醇溶液中超声清洗4次，每次5分钟，在120℃烘箱中烘干30分钟，完成基体的预处理过程；
(3)粘结层的制备：
在基体材料表面制备含NiCrAlY粘结层，采用等离子喷涂法，采用NiCrAlY粉体为原料，喷涂厚度为500μm的NiCrAlY涂层，所述等离子喷涂工艺的参数见表1：
表1等离子喷涂NiCrAlY粘结层的工艺参数
| 等离子体气体Ar | 45slpm | 粉末载气Ar | 2.5slpm | 电流 | 700A |
| 等离子体气体H<sub>2</sub> | 9slpm | 喷涂距离 | 150mm | 喷涂气压 | 150mbar |
| 喷涂功率 | 33kW | 送粉速率 | 15rpm |
(4)中间层的制备：
在NiCrAlY粘结层表面制备Y2O3稳定ZrO2中间层，采用等离子喷涂法，采用Y2O3稳定ZrO2材料粉体为原料，喷涂厚度为500μm的Y2O3稳定ZrO2中间层，所述等离子喷涂工艺的参数见表2：
表2等离子喷涂YSZ中间层的工艺参数
(5)面层的制备：
采用等离子喷涂法，将在所述步骤(1)中制得的可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体材料喷涂在带有粘结层和中间层的基体上，制备厚度为3000μm的Yb2Si2O7-0.625wt.％h-BN-4.375wt.％PHB复合涂层，所述等离子喷涂工艺的参数见表3：
表3大气等离子喷涂Yb2Si2O7-0.625wt.％h-BN-4.375wt.％PHB涂层的工艺参数
| 等离子体气体Ar | 38slpm | 粉末载气Ar | 2.5slpm | 电流 | 520A |
| 等离子体气体H<sub>2</sub> | 8slpm | 喷涂距离 | 140mm | ||
| 喷涂功率 | 37kW | 送粉速率 | 20rpm |
本实施例制备了具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，涂层结构包括依次层叠在高温合金表面的NiCrAlY粘结层、Y2O3稳定ZrO2中间层以及稀土硅酸盐基可磨耗封严面层。可磨耗封严面层材料是由稀土硅酸盐主相、润滑相、造孔相等复合而成。
对比例1
以镍基高温合金作为基体，采用等离子喷涂法制备NiCrAlY层作为粘结层，中间层为YSZ，面层为Yb2Si2O7，喷涂工艺参数同实施例1。所制备的可磨耗封严面层洛氏硬度为(83.55±2.15)HR45Y。采用摩擦磨损实验对涂层可磨耗性能进行考核，考核条件同实施例1。该涂层的平均摩擦系数为0.257±0.029，体积磨损率为(10.79±1.21)×10-4mm3/N·m，IDR为93.42％。
对比例2
以镍基高温合金作为基体，采用等离子喷涂法制备NiCrAlY层作为粘结层，中间层为YSZ，面层为YSZ-0.625wt.％h-BN-4.375wt％PHB，其中粘结层和中间层的喷涂工艺参数同实施例1，面层YSZ基复合涂层的喷涂参数见表2。所制备的可磨耗封严YSZ基面层洛氏硬度为(81.50±1.94)HR45Y。采用摩擦磨损实验对涂层可磨耗性能进行考核，考核条件同实施例1。该涂层的平均摩擦系数为0.243±0.041，体积磨损率为(4.47±0.61)×10-4mm3/N·m，IDR为962.77％。
实施例一采用洛氏硬度计测得表面稀土硅酸盐涂层的洛氏硬度为(70.12±1.85)HR45Y。采用摩擦磨损实验对涂层可磨耗性能进行考核，其条件为：销-盘摩损方式，对磨材料为轴承钢，载荷为15N，线速度0.5m/s，时间15min。通过与摩擦设备相连的电脑自动读取涂层的摩擦系数；采用轮廓仪测量并计算涂层的磨损率。采用游标卡尺测量对磨件的磨损深度，并通过对磨件磨损深度与涂层磨损深度的比值(IDR)表征涂层的可磨耗性能。该涂层的平均摩擦系数为0.201±0.032，体积磨损率为(26.53±1.84)×10-4mm3/N·m，IDR值为8.16％。与对比例1中Yb2Si2O7涂层相比，硬度降低了16.07％，摩擦系数降低了21.79％，体积磨损率提高了145.88％。与对比例2中YSZ-0.625wt.％h-BN-4.375wt％PHB涂层相比，硬度降低了13.96％，摩擦系数降低了17.28％，体积磨损率提高了493.51％，显示优异的低摩擦系数和高磨损率性能。
实施例和上述对比例的摩擦实验结果总结于表4，可以看出本发明的复合涂层与纯Yb2Si2O7和YSZ基复合涂层相比，具有低的摩擦系数和高的磨损率，同时实现了摩擦系数降低和磨损率提高。此外，本发明复合涂层的IDR值远小于纯Yb2Si2O7和YSZ基复合涂层的IDR值，说明本发明可获得具有良好可磨耗性能的涂层。
表4本发明是实施例一与对比例的摩擦实验结果对比表
本发明实施例一采用的稀土硅酸盐为基相的陶瓷基可磨耗封严涂层材料与常用的以ZrO2为基相的陶瓷基可磨耗封严涂层材料相比，具有更低的硬度和摩擦系数，高的磨损率，即涂层的可磨耗性能更优。在提高发动机效率的基础上，进一步降低可磨耗封严涂层摩擦系数，减少叶片磨耗损失。本发明实施例方法采用的稀土硅酸盐为基相的可磨耗封严涂层材料与以ZrO2为基相的可磨耗封严涂层材料相比，高温下不发生相变，具有良好的高温稳定性，可保证航空发动机在服役过程中的安全性。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，具有表面涂层，作为稀土硅酸盐基可磨耗封严面层，利用Y2O3稳定ZrO2中间层将表面涂层和高温合金表面的NiCrAlY粘结层结合在一起，使所述可磨耗封严涂层结构形成依次层叠在高温合金表面的NiCrAlY粘结层、Y2O3稳定ZrO2中间层以及稀土硅酸盐基可磨耗封严面层组成的复合涂层结构。
本实施例具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体制备：
通过机械混合的方式将稀土硅酸盐粉体与润滑相和造孔相粉体混合，制备可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体材料；其中，稀土硅酸盐粉体的粒径为150μm，润滑相粉体的粒径为150μm，造孔相粉体的粒径为150μm；稀土硅酸盐的质量分数为90％，所述润滑相的质量分数为5％，所述造孔相的质量分数为5％；
(2)基体的预处理：
采用涂预处理工艺方法，基体采用镍基高温合金等基体，并经表面喷砂预处理，其步骤如下：
采用喷砂压强为0.6MPa，在对镍基高温合金等基体经喷砂处理后，在无水乙醇溶液中超声清洗2次，每次8分钟，在80℃烘箱中烘干60分钟，完成基体的预处理过程；
(3)粘结层的制备：
在基体材料表面制备含NiCrAlY粘结层，采用等离子喷涂法，采用NiCrAlY粉体为原料，喷涂厚度为50μm的NiCrAlY涂层，所述等离子喷涂工艺的参数见表5：
表5等离子喷涂NiCrAlY粘结层的工艺参数
| 等离子体气体Ar | 57.5slpm | 粉末载气Ar | 2.5slpm | 电流 | 800A |
| 等离子体气体H<sub>2</sub> | 15slpm | 喷涂距离 | 250mm | 喷涂气压 | 50mbar |
| 喷涂功率 | 60kW | 送粉速率 | 35rpm |
(4)中间层的制备：
在NiCrAlY粘结层表面制备Y2O3稳定ZrO2中间层，采用等离子喷涂法，采用Y2O3稳定ZrO2材料粉体为原料，喷涂厚度为50μm的Y2O3稳定ZrO2中间层，所述等离子喷涂工艺的参数见表6：
表6等离子喷涂YSZ中间层的工艺参数
(5)面层的制备：
采用等离子喷涂法，将在所述步骤(1)中制得的可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体材料喷涂在带有粘结层和中间层的基体上，制备厚度为500μm的Yb2Si2O7-0.625wt.％h-BN-4.375wt.％PHB复合涂层，所述等离子喷涂工艺的参数见表7：
表7大气等离子喷涂Yb2Si2O7-0.625wt.％h-BN-4.375wt.％PHB涂层的工艺参数
| 等离子体气体Ar | 47.5slpm | 粉末载气Ar | 2.5slpm | 电流 | 800A |
| 等离子体气体H<sub>2</sub> | 15slpm | 喷涂距离 | 250mm | ||
| 喷涂功率 | 60kW | 送粉速率 | 35rpm |
本实施例制备了具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，涂层结构包括依次层叠在高温合金表面的NiCrAlY粘结层、Y2O3稳定ZrO2中间层以及稀土硅酸盐基可磨耗封严面层。可磨耗封严面层材料是由稀土硅酸盐主相、润滑相、造孔相等复合而成。
实施例3：
在本实施例中，一种具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，具有表面涂层，作为稀土硅酸盐基可磨耗封严面层，利用Y2O3稳定ZrO2中间层将表面涂层和高温合金表面的NiCrAlY粘结层结合在一起，使所述可磨耗封严涂层结构形成依次层叠在高温合金表面的NiCrAlY粘结层、Y2O3稳定ZrO2中间层以及稀土硅酸盐基可磨耗封严面层组成的复合涂层结构。所述稀土硅酸盐采用Y2SiO5、Er2SiO5、Gd2SiO5、Yb2SiO5中的至少一种。稀土硅酸盐因其熔点高、硬度较低、高温相稳定性和耐腐蚀性能优异的特点，成为理想的高温热防护涂层材料，能够用做可磨耗封严涂层材料。
综上所述，上述实施例涉及一种具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层的结构及其制备方法。涂层结构包括依次层叠在高温合金表面的MCrAlY粘结层、Y2O3稳定ZrO2(简称YSZ)中间层以及稀土硅酸盐基可磨耗封严面层。可磨耗封严面层材料是由稀土硅酸盐主相、润滑相、造孔相等复合而成。上述实施例方法制备的涂层具有良好的高温稳定性，是兼具可磨耗封严和隔热性能的复合涂层，有望解决涡轮等部件在服役过程中因相互摩擦造成的机械损伤，并克服材料在较高温度下发生氧化和性能衰退等难题，可以满足航空发动机涡轮等部件气路封严的需要，提高发动机效率。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，其特征在于：具有表面涂层，作为稀土硅酸盐基可磨耗封严面层，利用Y2O3稳定ZrO2中间层将表面涂层和高温合金表面的MCrAlY粘结层结合在一起，使所述可磨耗封严涂层结构形成依次层叠在高温合金表面的MCrAlY粘结层、Y2O3稳定ZrO2中间层以及稀土硅酸盐基可磨耗封严面层组成的复合涂层结构，其中M为Ni。
2.根据权利要求1所述具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，其特征在于：所述稀土硅酸盐采用Y2SiO5、Er2SiO5、Gd2SiO5、Yb2SiO5、Yb2Si2O7中的至少一种。
3.根据权利要求1所述具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，其特征在于：所述MCrAlY粘结层的厚度为50～500μm；
或者，所述Y2O3稳定ZrO2中间层的厚度为50～500μm；
或者，稀土硅酸盐基可磨耗封严面层的厚度为500～3000μm。
4.根据权利要求1所述具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，其特征在于：稀土硅酸盐基可磨耗封严面层的主相为稀土硅酸盐，还包括润滑相和造孔相；
所述润滑相为石墨、膨润土和六方氮化硼(h-BN)中的至少一种；
所述造孔相为聚酰亚胺和聚苯酯(PHB)中的至少一种。
5.根据权利要求4中任何一项所述具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，其特征在于，所述稀土硅酸盐基可磨耗封严面层中还包括由造孔相在热处理过程中烧失后留下的孔洞。
6.根据权利要求5所述具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，其特征在于，按照质量百分比计算，在稀土硅酸盐基可磨耗封严面层中，稀土硅酸盐的含量为80～98.8％，润滑相的含量为0.2～10％，造孔相含量为1～10％。
7.根据权利要求1所述具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构，其特征在于，其表面稀土硅酸盐涂层的平均摩擦系数不高于0.233，体积磨损率不低于24.69×10- 4mm3/N·m。
8.一种权利要求1-7中任何一项所述具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂方法在高温合金基体表面喷涂MCrAlY粘结层；
然后，采用等离子喷涂方法在粘结层表面制备Y2O3稳定ZrO2中间层；
再采用等离子喷涂方法在Y2O3稳定ZrO2中间层上制备稀土硅酸盐基可磨耗封严面层。
9.根据权利要求8所述具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构的制备方法，其特征在于：制备MCrAlY粘结层时，采用MCrAlY粉体的粒径为10～100μm；
制备Y2O3稳定ZrO2中间层时，采用的Y2O3稳定ZrO2材料粉体的粒径为10～150μm；
制备稀土硅酸盐基可磨耗封严面层时，采用稀土硅酸盐粉体的粒径为10～150μm，采用润滑相粉体粒径为10～150μm，采用造孔相粉体的粒径为10～150μm。
10.根据权利要求8所述具有低摩擦系数和高磨损率的可磨耗封严涂层结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体制备：
通过机械混合的方式将稀土硅酸盐粉体与润滑相和造孔相粉体混合，制备可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体材料；其中，稀土硅酸盐粉体的粒径为10～150μm，润滑相粉体的粒径为10～150μm，造孔相粉体的粒径为10～150μm；稀土硅酸盐的质量分数为80～98.8％，所述润滑相的质量分数为0.5～5％，所述造孔相的质量分数为3～5％；
(2)基体的预处理：
采用涂预处理工艺方法，基体采用镍基高温合金等基体，并经表面喷砂预处理，其步骤如下：
采用喷砂压强为0.1～0.6MPa，在对镍基高温合金等基体经喷砂处理后，在无水乙醇溶液中超声清洗2～4次，每次5～8分钟，在80～120℃烘箱中烘干30～60分钟，完成基体的预处理过程；
(3)粘结层的制备：
在基体材料表面制备含MCrAlY粘结层，采用等离子喷涂法，采用MCrAlY粉体为原料，喷涂厚度为50～500μm的MCrAlY涂层，所述等离子喷涂工艺的参数包括：
电流500～800A，氩气流量40～60slm，氢气流量5～15slm，喷涂功率30～60kW，喷涂距离100～250mm，送粉速率10～35r/min，喷涂气压50～150mbar；
(4)中间层的制备：
在MCrAlY粘结层表面制备Y2O3稳定ZrO2中间层，采用等离子喷涂法，采用Y2O3稳定ZrO2材料粉体为原料，喷涂厚度为50～500μm的Y2O3稳定ZrO2中间层，所述等离子喷涂工艺的参数包括：
电流500～800A，氩气流量30～50slm，氢气流量5～15slm，喷涂功率30～60kW，喷涂距离100～250mm，送粉速率10～35r/min；
(5)面层的制备：
采用等离子喷涂法，将在所述步骤(1)中制得的可磨耗封严复合涂层面层所用的粉体材料喷涂在带有粘结层和中间层的基体上，制备厚度为500～3000μm的面层，所述等离子喷涂工艺的参数包括：
电流500～800A，氩气流量30～50slm，氢气流量5～15slm，喷涂功率30～60kW，喷涂距离100～250mm，送粉速率10～35r/min。
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2021
- 2021-04-08 CN CN202110377514.9A patent/CN113249676A/zh active Pending
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