[发明专利]氧化钛锶和由其制得的可磨损涂料

说明书

本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2006/042400，国际申请日为2006年10月31日，进入中国国家阶段的申请号为200680041046.1，名称为″氧化钛锶和由其制得的可磨损涂料″的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及氧化钛锶(strontium titanium oxides)和它们在涂料中的应用。特别地，氧化钛锶可以用于陶瓷或金属涂料中以便为燃气轮机、涡轮增压器、压缩机、汽轮机等提供可磨损涂料(abradable coatings)。

背景技术

容易以受控方式磨损的材料用于一些应用中，包括用作可磨损密封物。旋转的部分和固定的可磨损密封物之间的接触造成可磨损材料腐蚀成一定的形态，该形态在接触区与运动的部分密切吻合并适合运动的部分。换句话说，运动的部分磨损掉一部分可磨损的密封物以便该密封物呈现一种与运动部分精确配合的几何构型，即密合间隙(close clearance gap)。这能有效地形成具有极其严格的容限的密封。

可磨损密封物的一种特定的应用是它们在轴向流燃气轮机中的使用。轴向流燃气轮机的旋转压缩机或转子是由数个依附在轴上的叶片组成的，轴安装在保护罩内。操作时，轴和叶片在保护罩内旋转。在发动机的压缩机部分和“热”燃烧部分中，轮机保护罩的内表面最优地涂布可磨损材料。在保护罩中轴和叶片组合的初始布局使得叶片尖端尽可能与可磨损涂层靠近。

本领域的技术人员会理解，减少轴向流燃气轮机中的回流以便使轮机的效率最大化很重要。这一点是通过使叶片尖端和保护罩内壁之间的间隙最小化来实现的。然而，当轮机叶片旋转时，由于离心力原因它们在一定程度上膨胀。然后，旋转的叶片尖端接触可磨损材料并在涂层中精确地刻划规定的凹槽而不接触保护罩本身。这些凹槽提供允许叶片在上升的温度下旋转所需的精确的间隙，并由此为轮机提供基本上适合定制的密封。

为了使涡轮机叶片在可磨损涂层中切出凹槽，形成该涂层的材料必须较容易磨损而不会磨损叶片尖端。这需要仔细平衡涂料中的材料。在这种环境中，可磨损涂料也必须对颗粒腐蚀性和在上升的温度下的其它退化作用显示出良好的抗性。

抗腐蚀性对于在发动机的整个寿命中保持统一的间隙是必须的，否则发动机的使用性能会受到不利的影响。作为约3000次发动后密封腐蚀的结果，常规的商业轮机发动机显示在叶片尖端周围的气流增加2％。这多数归功于可磨损密封物和叶片尖端翼剖面(blade airfolil tip)的腐蚀，和叶片尖端和密封物之间的摩擦相互作用。在气路速度较高的军用发动机应用中，抗腐蚀性极其重要。

在燃气发动机或航空发动机的压缩机部分使用的气密物有几种。历史上最老的是金属毛毡(feltmetal)，它包含数种金属纤维。这种密封物的缺点包括，它必须铜焊到基材上并且它是高度多孔的。人们已经提出几种其它的可磨损涂料，包括蜂窝状的或多孔的金属结构；硬性陶瓷，诸如ZrO₂和MgO；具有包埋的聚合物颗粒的铝-硅金属基质；或六方形的氮化硼粉末颗粒。后者这些涂料的缺点是它们的温度限制性，聚合物涂料的温度限制是315℃，六方氮化硼涂料的温度限制是480℃。

在高温下用于轮机发动机的压缩机部分的可磨损材料也包括NiCrAl/膨润土涂料和诸如美国专利第5434210号中描述的可磨损物质，该专利公开了一种用于热喷涂的复合物粉末，该复合物粉末包含三种组分：金属或陶瓷基质材料中的一种、固体润滑剂和聚合物。一般就这样喷涂的涂料包含具有分散的六方氮化硼颗粒和聚合物的Co合金基质。然后将聚合物烧尽，最终高多孔的结构仅含有分散在整个以Co为基础的基质中的六方氮化硼颗粒。由这种材料制得的涂料具有可接受的可磨损性，但是抗腐蚀性低。

寻求用于轮机压缩机部分的合适的材料是朝着发动机燃烧室步进的更高热水平问题的结果。更高的温度需要工作温度更高的材料。对高温氧化作用敏感的材料，诸如塑料、石墨或六方氮化硼，在它们的工作温度以上变成短效材料，仅剩下对高腐蚀敏感的弱化的框架或完全退化和剥落。其它材料，诸如含有膨润土的材料，在上升的温度下能改变硬度，变成研磨剂。