[发明专利]一种高温陶瓷基可磨耗封严涂层结构及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高温陶瓷基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涡轮外环零件基体表面的NiCoCrAlTaY高温抗氧化材料的底层以及Sc₂O₃、Y₂O₃二元稀土氧化物共掺杂ZrO₂材料、CaF₂材料、聚苯酯材料三种材料混合的面层；其中，所述面层材料中，聚苯酯为造孔材料，CaF₂为高温减摩自润滑陶瓷材料。本发明的高温陶瓷基可磨耗封严涂层可应用于航空发动机及地面燃气轮机高压涡轮气路封严，工作温度可达1300℃，可满足先进航空发动机、地面燃气轮机高压涡轮气路封严的需要。

技术领域

本发明涉及航空发动机及地面燃气轮机高温涂层制备技术领域，特别是指一种高温可磨耗封严涂层结构及其制备方法。

背景技术

高压涡轮可磨耗封严是指为防止高温燃气从高压侧沿叶片尖部向低压侧泄漏而采取的气路密封封严手段。高温可磨耗封严涂层，是一种用于控制燃气涡轮发动机气路间隙的功能涂层。发动机涡轮外环与转子叶片叶尖之间的径向间隙直接影响涡轮的效率，从而对发动机的性能产生很大的影响，为使燃气涡轮发动机获得优异的性能，应尽量减小转子叶片叶尖与涡轮外环间的径向间隙。许多因素可以引起径向间隙的变化，如工作时由离心力、热膨胀、高温蠕变所引起的叶片和涡轮盘的伸长、机匣受热膨胀及不均匀变形、转子和静子的偏心度、部件震动等。解决这一问题的主要技术措施之一是在涡轮外环上涂覆一层可磨耗封严涂层，当间隙改变时它能提供良好的密封而不损伤转子叶片。该封严涂层必须耐高温、可磨耗、低摩擦系数。涂层硬度应低于转子叶片材料，这样涂层对转子叶片磨损小而又能起到密封封严作用，从而保持发动机的效率和推力。

现有的等离子喷涂6～8％Y₂O₃·ZrO₂陶瓷基封严涂层高温烧结硬化明显，对转子叶片磨损严重。且6～8％Y₂O₃·ZrO₂材料在1200℃以上工作后冷却过程中会发生四方相向立方相和单斜相转变，单斜相的产生会使涂层体积反常膨胀(4％左右)而开裂剥落，涂层需要频繁修理，因此6～8％Y₂O₃·ZrO₂陶瓷基封严涂层工作温度不能超过1200℃。现在使用的等离子喷涂镍铬铝钇基、钴镍铬铝钇基及钴铬铝钇基高温封严涂层虽然工作温度可达1100℃，但涂层摩擦系数大、硬度高，对发动机叶片磨损严重，高温工作过程中涂层氧化明显，涂层常发生剥落掉块，影响发动机工作安全。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种新型高温陶瓷基可磨耗封严涂层的结构及其制备方法，该涂层具有抗氧化、无有害相变、低硬度、可磨耗、低摩擦系数、自润滑、涂层与高温合金涡轮外环结合力高的特点，涂层具有封严和隔热复合功能，工作温度可达1300℃，大幅度提高涂层工作温度、封严效果、可靠性及使用寿命，可应用于先进航空发动机及地面燃气轮机高压涡轮气路封严。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

一方面，提供一种高温陶瓷基可磨耗封严涂层结构，包括：

依次层叠在高温合金涡轮外环基体表面的NiCoCrAlTaY高温抗氧化材料的底层以及Sc₂O₃、Y₂O₃二元稀土氧化物共掺杂ZrO₂、CaF₂、聚苯酯混合材料的面层；

其中，所述高温陶瓷基可磨耗封严材料中聚苯酯是造孔材料、CaF₂是高温减摩自润滑陶瓷材料，造孔材料聚苯酯经热处理去除后形成的孔隙。