[发明专利]一种基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法

说明书

技术领域

本发明属于封严涂层材料制备领域，具体涉及一种基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法。

背景技术

可磨耗封严涂层作为一种功能性涂层在航空发动机壳体部位得到了非常广泛的应用。它通过被叶尖主动刮削可有效的减小转子部件与静子部件之间的径向气流间隙，从而获得最大压差，显著提高航空发动机效率并降低油耗。可磨耗封严涂层一般由基相、润滑相和造孔相组成，其中基相可以为金属相或陶瓷相。对于应用于高压涡轮外环部位的可磨耗封严涂层，随着先进航空发动机进口气体温度的不断提高，其涂层材料体系也由金属基可磨耗涂层向具有更高承温能力的陶瓷基可磨耗涂层发展，其中研究较为广泛的是以ZrO₂为基相、h-BN为润滑相和聚酯为造孔相的高温可磨耗封严涂层材料体系。

在制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层方面，现阶段应用最为广泛的是等离子喷涂技术。该技术可一次性制备厚度较大且具有较多孔隙的陶瓷基可磨耗封严涂层。然而，该技术制备涂层在某些方面的性能仍有待改进。首先，等离子喷涂涂层呈现明显的片层结构，该结构不利于松弛涂层在高温冷热循环中产生的热应力，从而造成涂层的抗热震性能较差。其次，等离子喷涂涂层中的孔隙尺寸较大，这就造成涂层在被叶片磨削时容易产生大块脱落，从而影响发动机的正常运转。因此，有必要开发研制制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层新工艺，从而为陶瓷基可磨耗封严涂层的发展提供新的理论和新的技术途径。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法，该方法可制备结构均匀、孔隙细小均匀的陶瓷基高温可磨耗封严涂层，且该方法对涂层材料的选择范围广、对基体材料形状无限制、成本较低且工艺简便。

本发明解决其技术问题采用以下技术方案：

(1)以Al、Si、Cr、Ti或稀土元素的无机盐或有机醇盐为前驱体制备氧化物溶胶或氧化物复合溶胶；

(2)将氧化物陶瓷基相粉末、润滑相粉末以及造孔相粉末混合，其中润滑相的含量为0.5～5wt%，造孔相的含量为4.5～10wt%，余量为陶瓷基相粉末，将混合粉末与氧化物溶胶或复合溶胶相混合，加入复合粉末与氧化物溶胶转化为相应氧化物的质量比在5:1到9:1之间，经球磨后得到混合均匀的可磨耗复合料浆；

(3)在制备陶瓷基可磨耗封严涂层之前，在基体材料表面喷涂或沉积一层粘结底层，所述的粘结底层材料为NiCrAlY或NiCoCrAlY，厚度为100～150μm；

（4）以涂覆、浸渍-提拉或旋涂方式将可磨耗复合料浆制备于基体材料上，经干燥、热压处理及高温烧结得到陶瓷基高温可磨耗封严涂层。

所述的溶胶为Al₂O₃或SiO₂或Cr₂O₃或TiO₂或ZrO₂或两种以上相复合的多种氧化物溶胶或氧化物复合溶胶。

所述的氧化物陶瓷基相粉末主要为ZrO₂或Y、Yb、Dy、Ce元素稳定的ZrO₂粉末，润滑相粉末主要为h-BN，造孔相粉末主要为聚酯或聚苯酯，复合粉末中润滑相的含量为0.5～5wt%，造孔相的含量为4.5～10wt%。

所述的复合料浆中加入粘接剂，粘接剂为5～10wt%浓度的聚乙烯醇。

所述的复合料浆球磨处理的时间为8～12h。。

所述的得到陶瓷基高温可磨耗封严涂层的热处理工艺为80～100℃干燥2～4h，450～600℃热压处理1～3h，1000～1150℃高温烧结1～3h，升温速率小于5℃/min。

本发明具有以下有益的技术效果：

首先，本发明基于溶胶-凝胶制备方法，通过涂覆、干燥、热压和高温烧结工艺进行陶瓷基高温可磨耗封严涂层的制备。所制备涂层具有良好的均匀结构而非等离子喷涂典型的片层状结构，从而有利于改善涂层对高温热应力的松弛能力，使得涂层具有更为优良的高温抗热震性能。

其次，本发明工艺方法能够对涂层水分蒸发、有机物热解和陶瓷组分相变等过程进行精细控制，使涂层具有更为细小且均匀的孔隙分布，从而大大改善涂层在高温使用环境下的可磨耗性能。

最后，本发明通过液相组分调控更容易实现纳米粒子相的均匀掺杂，从而制备纳米相均匀掺杂的高性能陶瓷基可磨耗封严涂层。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。