一种具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层及其制备方法与流程

1.本发明属于封严涂层技术领域，具体涉及一种具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层及其制备方法。


背景技术：

2.为提高航空发动机压气机效率，采用气路封严减少叶尖与机匣之间的间隙是提升效率、降低油耗的重要手段之一。然而在叶片使用过程中，由于零件加工保留的公差和装配偏差、高速旋转引起的叶片伸长、振动引起的轴向偏心等原因，叶片与机匣之间必须保留一定的间隙，防止叶片与机匣发生严重磨损甚至碰撞损伤。因此，必须使用可磨耗封严涂层这种简单且有效的方法来同时满足气路封严和防护叶尖的需求。
3.目前，压气机中常用的可磨耗封严涂层主要是金属基复合结构涂层。复合涂层中包括金属基相、润滑相以及孔隙相，其中金属基相主要以纯铝、铝基合金及镍基合金为主。金属基可磨耗封严涂层主要优点是与基体结合好，但存在硬度高，磨耗性差，对叶尖磨损严重，甚至引发粘着导致涂层失效等缺点。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层及其制备方法，以解决金属基可磨耗封严涂层硬度高，磨耗性差，对叶尖磨损严重，甚至引发粘着导致涂层失效等技术问题。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.本发明公开了一种具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层，其特征在于，包括粘结层和涂覆在粘结层表面的面层，所述面层由造孔剂，润滑剂和基相混合而成，所述粘结层厚度为造孔剂平均粒径的0.6～2倍；面层厚度为造孔剂平均粒径的10～100倍，面层中的孔隙均为闭孔；
7.所述造孔剂体积超过面层总体积的30％，所述润滑剂的热导率超过基相热导率的100倍；
8.所述具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层中原子序数大于9的杂质元素含量在可磨耗封严涂层中的质量百分比小于0.2。
9.进一步的，所述造孔剂为具有闭孔结构的酚醛树脂空心微球；润滑剂为球形石墨；粘结层和面层基相均采用环氧树脂粘结剂。
10.进一步的，所述酚醛树脂空心微球体积占面层总体积的百分比为50～70vol.％，平均外径为50～100μm，壁厚为2～4μm；球形石墨体积占面层总体积的百分比为5～10vol.％，平均粒径为5～20μm。
11.进一步的，所述环氧树脂粘结剂结合强度超过60mpa。
12.本发明还公开了上述具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层的制备方法，包括以下步骤：
13.1)粘结层浆料制备：将环氧树脂粘结剂在真空条件下进行处理，得到粘结层浆料备用；
14.2)面层浆料制备：将造孔剂、润滑剂与基相混合后搅拌均匀，得到面层浆料备用；
15.3)涂层涂覆与固化：依次将粘结层浆料和面层浆料均匀涂覆于基体表面，然后将涂覆有粘结层和面层的基体进行固化处理工艺，得到具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层。
16.优选地，步骤3)所述基体为钛合金基体；在步骤3)前对基体表面除油去污后进行粗化处理，表面粗化处理方法为喷砂处理或砂纸打磨处理中的任意一种；
17.优选地，所述喷砂处理砂粒粒径为20～100目；砂纸打磨处理砂纸规格为80～400目；粗化后基体表面粗糙度ra》0.5μm。
18.优选地，步骤1)所述环氧树脂粘结剂由多官能团环氧树脂和咪唑类固化剂按质量比10:1～2混合而成；真空条件为：真空度小于0.1mpa，处理时间不少于10min。
19.优选地，步骤2)所述造孔剂为酚醛树脂空心微球，润滑剂为球形石墨，基相采用由多官能团环氧树脂和咪唑类固化剂混合而成的环氧树脂粘结剂；面层浆料制备为将5～10vol.％球形石墨、50～70vol.％酚醛树脂空心微球依次加入多官能团环氧树脂中，然后加入咪唑类固化剂混合均匀。
20.优选地，步骤3)所述的固化处理工艺为两段固化：50℃固化3h后，100℃固化2h。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.本发明公开了一种具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层，其是一种面层中孔隙均为闭孔的结构涂层，具有良好的封严特性。所述粘结层厚度为造孔剂平均粒径的0.6～2倍，面层厚度为造孔剂平均粒径的10～100倍，可以保证造孔剂颗粒被基相完全包裹，实现粘结层与基体的致密结合。可磨耗面层中润滑剂的热导率超过基相热导率的100倍，在提高涂层导热性的同时可以降低涂层摩擦系数，涂层在与高速叶尖刮磨时可将产生的热量导出，从而避免由于摩擦高热对叶尖产生不利影响。具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层中原子序数大于9的杂质元素含量在可磨耗封严涂层中的质量百分比小于0.2，可以防止刮磨产生的涂层随气流在后续高温环境中不会产生氧化陶瓷相，避免对下游部件产生冲蚀破坏。
23.进一步的，本发明可磨耗封严涂层主要由有机材料和石墨组成，在服役过程中与高速旋转金属叶尖发生刮磨时，不会产生粘着，且刮除的涂层碎屑可随气流在后续高温环境中燃烧殆尽，不会对下游部件造成冲蚀损伤。
24.进一步的，本发明加入的造孔剂酚醛空心微球与润滑剂石墨均为球形，可有效降低涂层内中的应力集中，面层中基相连续且与粘结层具有相同的成分，因此涂层具有显著的抗剥落能力。
25.进一步的，本发明采用50～100μm大尺度酚醛空心颗粒作为造孔剂，可通过改变空心微球的添加量，实现涂层高孔隙率，大幅降低涂层硬度，因此可有效减小叶尖与涂层碰磨时叶尖的损伤。
26.本发明还公开了可磨耗封严涂层的制备方法，涂层固化采用两段固化工艺，可以防止环氧树脂快速固化过程中不可控的大气泡产生对涂层整体结构的破坏。
附图说明
27.图1为本发明的具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层示意图。
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
29.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
30.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
31.参见图1，此处结合图1对本发明提出的一种具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层的结构进行简要说明。参见图1，本发明公开的一种具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层由粘结层和面层两部分构成，其中面层包含酚醛空心微球造孔剂、球形石墨润滑剂和环氧树脂粘结剂基相三部分。
32.本发明环氧树脂粘结剂购置于上海华谊树脂有限公司，具体的型号为e-7胶，是由多功能环氧树脂和咪唑类固化剂组成的。
33.实施例1
34.以具有完全闭孔结构的环氧树脂基可磨耗封严涂层为例，其制备方法包含以下几个步骤：
35.(1)基体表面预处理：使用240目砂纸对钛合金基体进行单向打磨处理，直至形成均匀单一方向的磨痕，然后用干燥的压缩空气吹扫打磨面备用；
36.(2)粘结层浆料制备：按7:1的质量比配置多官能团环氧树脂和咪唑类固化剂混合物，机械搅拌10min以上，待组分混合均匀后，放置于真空度小于0.1mpa的环境中不少于10min，得到粘结层浆料备用；
37.(3)面层浆料制备：取平均粒径9μm，占面层总体积百分比10vol.％的球形石墨和平均外径90μm，壁厚2～4μm，占面层总体积百分比70vol.％的酚醛树脂空心微球依次加入多官能团环氧树脂中，机械搅拌20min以上，然后按比例加入咪唑类固化剂机械搅拌20min以上，待组分混合均匀，得到面层浆料备用；
38.(4)涂层涂覆与固化：依次将粘结层浆料和面层浆料均匀涂覆于预处理后的基体表面，粘结层厚度为100μm，面层厚度为5mm，然后将涂覆有粘结层和面层的基体置于烘箱固化，固化工艺为：50℃固化3h后，100℃固化2h，最终得到具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层的样品。
39.实施例2
40.以具有完全闭孔结构的环氧树脂基可磨耗封严涂层为例，其制备方法包含以下几个步骤：
41.(1)基体表面预处理：使用240目砂纸对钛合金基体进行单向打磨处理，直至形成均匀单一方向的磨痕，然后用干燥的压缩空气吹扫打磨面备用；
42.(2)粘结层浆料制备：按10:1的质量比配置多官能团环氧树脂和咪唑类固化剂混合物，机械搅拌10min以上，待组分混合均匀，放置于真空度小于0.1mpa的环境中不少于10min，得到粘结层浆料备用；
43.(3)面层浆料制备：取平均粒径9μm，占面层总体积百分比5vol.％的球形石墨和平均外径90μm，壁厚2～4μm，占面层总体积百分比50vol.％的酚醛树脂空心微球依次加入多官能团环氧树脂中，机械搅拌20min以上，然后按比例加入咪唑类固化剂机械搅拌20min以上，待组分混合均匀，得到面层浆料备用；
44.(4)涂层涂覆与固化：依次将粘结层浆料和面层浆料均匀涂覆于预处理后的基体表面，粘结层厚度为100μm，面层厚度为5mm，然后将涂覆有粘结层和面层的基体置于烘箱固化，固化工艺为：50℃固化3h后，100℃固化2h，最终得到具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层的样品。
45.实施例3
46.以具有完全闭孔结构的环氧树脂基可磨耗封严涂层为例，其制备方法包含以下几个步骤：
47.(1)基体表面预处理：使用240目砂纸对钛合金基体进行单向打磨处理，直至形成均匀单一方向的磨痕，然后用干燥的压缩空气吹扫打磨面备用；
48.(2)粘结层浆料制备：按7:1的质量比配置多官能团环氧树脂和咪唑类固化剂混合物，机械搅拌10min以上，待组分混合均匀，放置于真空度小于0.1mpa的环境中不少于10min，得到粘结层浆料备用；
49.(3)面层浆料制备：取平均粒径9μm，占面层总体积百分比10vol.％的球形石墨和平均外径90μm，壁厚2～4μm，占面层总体积百分比70vol.％的酚醛树脂空心微球依次加入多官能团环氧树脂中，机械搅拌20min以上，然后按比例加入咪唑类固化剂机械搅拌20min以上，待组分混合均匀，得到面层浆料备用；
50.(4)涂层涂覆与固化：依次将粘结层浆料和面层浆料均匀涂覆于预处理后的基体表面，粘结层厚度为60μm，面层厚度为1mm，然后将涂覆有粘结层和面层的基体置于烘箱固化，固化工艺为：50℃固化3h后，100℃固化2h，最终得到具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层的样品。
51.实施例4
52.以具有完全闭孔结构的环氧树脂基可磨耗封严涂层为例，其制备方法包含以下几个步骤：
53.(1)基体表面预处理：使用240目砂纸对钛合金基体进行单向打磨处理，直至形成均匀单一方向的磨痕，然后用干燥的压缩空气吹扫打磨面备用；
54.(2)粘结层浆料制备：按7:1的质量比配置多官能团环氧树脂和咪唑类固化剂混合物，机械搅拌10min以上，待组分混合均匀，放置于真空度小于0.1mpa的环境中不少于
10min，得到粘结层浆料备用；
55.(3)面层浆料制备：取平均粒径9μm，占面层总体积百分比5vol.％的球形石墨和平均外径90μm，壁厚2～4μm，占面层总体积百分比50vol.％的酚醛树脂空心微球依次加入多官能团环氧树脂中，机械搅拌20min以上，然后按比例加入咪唑类固化剂机械搅拌20min以上，待组分混合均匀，得到面层浆料备用；
56.(4)涂层涂覆与固化：依次将粘结层浆料和面层浆料均匀涂覆于预处理后的基体表面，粘结层厚度为60μm，面层厚度为1mm，然后将涂覆有粘结层和面层的基体置于烘箱固化，固化工艺为：50℃固化3h后，100℃固化2h，最终得到具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层的样品。
57.实施例5
58.以具有完全闭孔结构的环氧树脂基可磨耗封严涂层为例，其制备方法包含以下几个步骤：
59.(1)基体表面预处理：使用240目砂纸对钛合金基体进行单向打磨处理，直至形成均匀单一方向的磨痕，然后用干燥的压缩空气吹扫打磨面备用；
60.(2)粘结层浆料制备：按7:1的质量比配置多官能团环氧树脂和咪唑类固化剂混合物，机械搅拌10min以上，待组分混合均匀，放置于真空度小于0.1mpa的环境中不少于10min，得到粘结层浆料备用；
61.(3)面层浆料制备：取平均粒径5μm，占面层总体积百分比10vol.％的球形石墨和平均外径50μm，壁厚2～4μm，占面层总体积百分比70vol.％的酚醛树脂空心微球依次加入多官能团环氧树脂中，机械搅拌20min以上，然后按比例加入咪唑类固化剂机械搅拌20min以上，待组分混合均匀，得到面层浆料备用；
62.(4)涂层涂覆与固化：依次将粘结层浆料和面层浆料均匀涂覆于预处理后的基体表面，粘结层厚度为100μm，面层厚度为5mm，然后将涂覆有粘结层和面层的基体置于烘箱固化，固化工艺为：50℃固化3h后，100℃固化2h，最终得到具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层的样品。
63.实施例6
64.以具有完全闭孔结构的环氧树脂基可磨耗封严涂层为例，其制备方法包含以下几个步骤：
65.(1)基体表面预处理：使用240目砂纸对钛合金基体进行单向打磨处理，直至形成均匀单一方向的磨痕，然后用干燥的压缩空气吹扫打磨面备用；
66.(2)粘结层浆料制备：按5:1的质量比配置多官能团环氧树脂和咪唑类固化剂混合物，机械搅拌10min以上，待组分混合均匀，放置于真空度小于0.1mpa的环境中不少于10min，得到粘结层浆料备用；
67.(3)面层浆料制备：取平均粒径5μm，占面层总体积百分比5vol.％的球形石墨和平均外径50μm，壁厚2～4μm，占面层总体积百分比50vol.％的酚醛树脂空心微球依次加入多官能团环氧树脂中，机械搅拌20min以上，然后按比例加入咪唑类固化剂机械搅拌20min以上，待组分混合均匀，得到面层浆料备用；
68.(4)涂层涂覆与固化：依次将粘结层浆料和面层浆料均匀涂覆于预处理后的基体表面，粘结层厚度为100μm，面层厚度为5mm，然后将涂覆有粘结层和面层的基体置于烘箱固
化，固化工艺为：50℃固化3h后，100℃固化2h，最终得到具有完全闭孔结构的可磨耗封严涂层的样品。
69.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。