一种导电可磨耗封严涂层材料及其制备方法与流程

1.本发明属于无机非金属材料领域，具体涉及一种导电可磨耗封严涂层材料及其制备方法。


背景技术：

2.碳化硅陶瓷基复合材料具有低密度、高比强、耐高温、抗氧化、高韧性等优点，有望替代传统ni基合金或单晶ni基合金作为航空发动机涡轮外环部件用结构材料。然而采用碳化硅陶瓷基复合材料制备的涡轮外环部件在高温高速环境下易被转子部件刮伤、擦伤和材料粘附，导致复合材料力学性能急剧下降，需要采用可磨耗封严涂层对复合材料基体进行防护。
3.常见的可磨耗封严涂层包含由硅/莫来石/钡锶铝硅和硅/莫来石/稀土硅酸盐两种体系，采用等离子喷涂或者物理气相沉积的方法制备。在航空发动机的工作环境下，为了提升转子部件和涡轮外环件间的气密性，通常需要在涡轮外环表面制备阻挡气流泄露的封严槽，这就需要对涡轮外环表面的可磨耗封严涂层进行表面构型加工。由于可磨耗封严涂层是一种陶瓷涂层，本身脆性较大、熔点较高，传统数铣加工可磨耗封严涂层存在涂层易开裂、剥落的难题，而采用激光的方法加工可磨耗封严涂层存在成本高、加工周期长的问题。电火花加工是通过放电使工件材料熔化、气化而被去除，不受工件的脆性、内聚强度和韧性等机械性能的影响，可用于难切削材料的加工，电火花加工需要材料本身具有一定导电性，目前可磨耗封严涂层体系均为稀土氧化物，不具备导电性，无法满足电火花加工要求。
4.总的来说，亟需开发一种加工周期短、成本低和涂层损伤小的加工方法，以满足涡轮外环制件气密性和刮擦匹配性的要求。


技术实现要素：

5.为解决现有技术问题，本发明目的在于提供一种导电可磨耗封严涂层粉体材料及其制备方法，本发明中的可磨耗封严涂层采用固相烧结和机械混合的方法制备粉体材料，利用等离子喷涂工艺制备可磨耗封严涂层，该涂层具有与陶瓷基复合材料基体界面匹配性好、抗水氧能力强和良好的导电性等优势，采用电火花工艺对涂层表面进行构型，可以有效提升可磨耗封严涂层与转子材料的刮擦匹配性。
6.导电可磨耗封严涂层粉体材料包含稀土硅酸盐、导电填料、润滑相和聚酯组成。其中以稀土硅酸盐作为骨架，在1500℃高温条件下相稳定性优异；粉末材料中以小尺寸导电填料、润滑相相和稀土硅酸盐混合烧结造粒，形成的导电填料弥散分布与稀土硅酸盐骨架间，同时导电填料具有良好的化学稳定性和较低的热膨胀系数，有效提高了稀土硅酸盐的导电性，进而改善涂层的电加工性能；粉末中以混合物形式添加大尺寸聚酯，保证粉末在喷涂过程中可以获得较高的孔隙率，高温下聚酯碳化形成无定型碳膜分布于涂层的层间结构和网状裂纹中，同时改善可磨耗封严涂层的刮擦性能和导电性能。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种导电可磨耗封严涂层粉体材料及其制备方
法，所述的导电可磨耗封严涂层粉体材料包含稀土硅酸盐、导电填料、润滑相和聚酯组成，其中重量百分比为：稀土硅酸盐60％～70％，导电填料20％～30％，润滑相相2.0％，聚酯：8.0％。采用固相烧结和机械混合的方法制备粉体材料，可磨耗封严涂层粉体材料的制备过程具体包括以下步骤：
8.料浆配制：将粒度10μm以下的稀土硅酸盐粉末、2μm以下的导电填料和润滑相粉末按比例混合，按粉体体积含量30％至38％加入去离子水进行球磨处理，加入粉体总重量0.5％烧结助剂和1.0％的分散剂，球磨时间4-24h，得到陶瓷浆料；
9.喷雾造粒：将球磨好的料将取出后在喷雾造粒塔内干燥制成团聚球形粉末，粉末粒径为45-120μm。
10.烧结处理：将造粒后的粉体置于氩气保护气氛高温电阻炉中进行烧结处理，先升温至450℃保温4h，去除粉末中的有机物，再将炉温继续升高至900℃～1000℃保温4h，得到改性稀土硅酸盐粉末；
11.筛分：将上述改性稀土硅酸盐粉末进行分筛，选取粒度中值为75μm～90μm的改性稀土硅酸盐粉末待用；
12.机械混料：将改性稀土硅酸盐粉末与粒度为170μm～250μm的聚酯粉末进行机械搅拌混合，经干燥和真空封装处理即获得所需的粉体材料。
13.2)采用等离子喷涂技术制备可磨耗涂层，涂层厚度不低于0.5mm，获得涂层的表面电阻率不高于50ω
·
cm，涂层孔隙率满足20％～30％。
14.3)采用电火花加工工艺在可磨耗涂层表面进行造型加工，所采用的工艺参数为：电极材料为紫铜，脉冲宽度10～30μs，脉冲间隔1～3μs，主电源电压100～120v，峰值电流30～60a,加工深度0.50mm。
15.3)所述的导电填料为金属材料，热膨胀系数应满足4.0～5.5
×
10-6
/k,优选的是mo和w金属；
16.4)所述的导电填料为碳基材料或其改性材料，优选的是石墨、碳纳米管、ti3alc2和ti3sic2；
17.5)优选地，所述的稀土硅酸盐为硅酸镱、硅酸钇、硅酸镥或其改性产物中的一种。
18.6)优选地，所述的稀土硅酸盐粉末采用烧结破碎或者溶胶凝胶的方法制备，稀土硅酸盐的纯度≥99.5％。
19.7)所述润滑相为硼化物或硅化物，可以为硼化锆、硼化钼或硅化钼等
20.本发明的有益效果：
21.本发明中的可磨耗封严涂层材料具有与陶瓷基复合材料基体界面匹配性好、抗水氧能力强和良好的导电性等优势，采用电火花工艺对涂层表面进行结构造型，具有加工周期短、成本低和涂层损伤小等优势，可以有效提升可磨耗封严涂层与转子材料的刮擦匹配性。
22.具体优势如下：
23.1)本发明中针对陶瓷基复合材料涡轮外环零件表面构型的需求，设计了一种导电性良好的可磨耗封严涂层粉体材料，采用固相烧结和机械混合的方法制备粉体材料，最大限度的降低了导电填料、润滑相和聚酯相在粉末制备过程中的损失，提升了等离子喷涂的效率。
24.2)粉末材料以稀土硅酸盐作为骨架，1500℃条件下具有良好的高温相稳定性；粉末材料中以小尺寸导电填料、润滑相和稀土硅酸盐混合烧结造粒，形成的导电填料弥散分布与稀土硅酸盐骨架间，同时导电填料具有良好的化学稳定性和较低的热膨胀系数，有效提高了稀土硅酸盐的导电性，进而改善涂层的电加工性能；粉末中以混合物形式添加大尺寸聚酯，保证粉末在喷涂过程中可以获得较高的孔隙率，高温下聚酯碳化形成无定型碳膜分布于涂层的层间结构和网状裂纹中，同时改善可磨耗封严涂层的刮擦性能和导电性能。
25.3)本发明中制备的导电可磨耗封严涂层材料可采用电火花工艺进行表面构型加工，具有加工周期短、成本低和涂层损伤小的优势，可有效满足涡轮外环制件气密性和刮擦匹配性的要求。
附图说明
26.图1导电粉体材料
27.图2电火花加工表面构型试验件
具体实施方式
28.以下叙述并不限制本发明。
29.以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。应该理解的是，本发明实施例所述制备方法仅仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进都属于本发明要求保护的范围。
30.一种导电可磨耗封严涂层粉体材料及其制备方法，所述的导电可磨耗封严涂层粉体材料包含稀土硅酸盐、导电填料、润滑相和聚酯组成，其中重量百分比为：稀土硅酸盐60％～70％，导电填料20％～30％，润滑相2.0％，聚酯：8.0％。
31.1)采用固相烧结和机械混合的方法制备粉体材料，可磨耗封严涂层粉体材料的制备过程具体包括以下步骤：
32.料浆配制：将粒度10μm以下的稀土硅酸盐粉末、2μm以下的导电填料和润滑相粉末按比例混合，按粉体体积含量30％至38％加入去离子水进行球磨处理，加入粉体总重量0.5％烧结助剂和1.0％的分散剂，球磨时间4-24h，得到陶瓷浆料；
33.喷雾造粒：将球磨好的料将取出后在喷雾造粒塔内干燥制成团聚球形粉末，粉末粒径为45-120μm。
34.烧结处理：将造粒后的粉体置于氩气保护气氛高温电阻炉中进行烧结处理，先升温至450℃保温4h，去除粉末中的有机物，再将炉温继续升高至900℃～1000℃保温4h，得到改性稀土硅酸盐粉末；
35.筛分：将上述改性稀土硅酸盐粉末进行分筛，选取粒度中值为75μm～90μm的改性稀土硅酸盐粉末待用；
36.机械混料：将改性稀土硅酸盐粉末与粒度为170μm～250μm的聚酯粉末进行机械搅拌混合，经干燥和真空封装处理即获得所需的粉体材料。
37.2)采用等离子喷涂技术制备可磨耗涂层，涂层厚度不低于0.5mm，获得涂层的表面电阻率不高于50ω
·
cm，涂层孔隙率满足20％～30％。
38.3)采用电火花加工工艺在可磨耗涂层表面进行造型加工，电极材料为紫铜，所采
用的工艺参数为：脉冲宽度10～30μs，脉冲间隔1～3μs，主电源电压100～120v，峰值电流30～60a,加工深度0.50mm。
39.3)所述的导电填料为金属材料，热膨胀系数应满足4.0～5.5
×
10-6
/k，优选的是mo和w金属；
40.4)所述的导电填料为碳基材料或其改性材料，优选的是石墨、碳纳米管、ti3alc2和ti3sic2；
41.5)优选地，所述的稀土硅酸盐为硅酸镱、硅酸钇、硅酸镥或其改性产物中的一种。
42.6)优选地，所述的稀土硅酸盐粉末采用烧结破碎或者溶胶凝胶的方法制备，稀土硅酸盐的纯度≥99.5％。
43.7)所述润滑相为硼化物或硅化物，可以为硼化锆、硼化钼或硅化钼等。
44.实施例1
45.典型涡轮外环构件，基体材料为熔渗sicf/sic复合材料。采用丙酮对构件表面进行超声清洗，表面用压缩空气吹干后，放入电阻炉进行烘干处理。
46.采用多菱角结构的sic砂粒对机加后的表面进行喷砂处理，sic砂粒粒径为100目，工作气体压力为0.3mpa，喷砂后表面粗糙度为ra3.2μm。
47.利用真空等离子工艺在构件表面喷涂硅层，以氩气和氢气为工作气体，控制喷枪功率为40kw，氩气流量为55l/min，氢气流量为10l/min，喷涂距离300mm，真空室压力200pa。喷涂后涂层厚度为0.06mm，涂层结合强度为26mpa，涂层孔隙率为0.8％，氧含量为0.5％。
48.采用大气等离子喷涂工艺制备莫来石和钡锶铝硅的混合层，控制喷枪功率为60kw，氩气流量为45l/min，氢气流量为10l/min，喷涂距离150mm。喷涂后涂层厚度为0.06mm。
49.可磨耗封严面层粉末材料由硅酸镱、片状ti3sic2、硼化钼和聚酯组成，其中重量百分比为：硅酸镱70％，片状ti3sic220％，硼化钼2.0％，聚酯：8.0％。可磨耗封严面层粉末材料的制备过程具体包括以下步骤：
50.料浆配制：将粒度5μm的硅酸镱粉末、粒度1μm的片状ti3sic2和粒度1μm的硼化钼粉末按比例混合，按粉体体积含量30％加入去离子水进行球磨处理，加入粉体总重量0.5％烧结助剂和1.0％的分散剂，球磨时间24h，得到陶瓷浆料；
51.喷雾造粒：将球磨好的料将取出后在喷雾造粒塔内干燥制成团聚球形粉末，粉末粒径为45-120μm。
52.烧结处理：将造粒后的粉体置于氩气保护气氛高温电阻炉中进行烧结处理，先升温至450℃保温4h，去除粉末中的有机物，再将炉温继续升高至900保温4h，得到改性稀土硅酸盐微球；
53.筛分：将上述改性稀土硅酸盐粉体进行分筛，选取粒度中值为75～90μm的改性稀土硅酸盐粉体待用；
54.机械混料：将改性稀土硅酸盐粉末与粒度为170μm的聚酯粉末进行机械搅拌混合，其中聚酯粉末的含量为：8.0％。
55.3)选用制备好的可磨耗面层粉末，采用大气等离子喷涂技术制备可磨耗面层，涂层厚度1000μm。
56.4)将喷涂后的涡轮外环零件放入保护气氛电阻炉进行热处理，去除涂层中的有机
物，最终获得涂层电阻率为20ω
·
cm，涂层孔隙率为32％。
57.5)采用电火花加工的方法将涡轮外环可磨耗封严涂层加工至所需的尺寸，并加工表面构型，具体工艺参数为：脉冲宽度30μs，脉冲间隔3μs，主电源电压120v，峰值电流40a,加工深度0.50mm，加工速率为0.2mm3/min，加工时间为1.0小时。
58.实施例2
59.典型涡轮外环构件，基体材料为cvi工艺sicf/sic复合材料。采用丙酮对构件表面进行超声清洗，表面用压缩空气吹干后，放入电阻炉进行烘干处理。
60.可磨耗封严面层粉末材料由硅酸镥、钼、硅化钼和聚酯组成，其中重量百分比为：稀硅酸镥65％，纳米钼25％，硅化钼2.0％，聚酯：8.0％。可磨耗封严面层粉末材料的制备过程具体包括以下步骤：
61.料浆配制：将粒度2μm的硅酸镥粉末、粒度100nm的纯钼粉和粒度1μm的硅化钼粉末按比例混合，按粉体体积含量30％加入去离子水进行球磨处理，加入粉体总重量0.5％烧结助剂和1.0％的分散剂，球磨时间24h，得到陶瓷浆料；
62.喷雾造粒：将球磨好的料将取出后在喷雾造粒塔内干燥制成团聚球形粉末，粉末粒径为45-120μm。
63.烧结处理：将造粒后的粉体置于氩气保护气氛高温电阻炉中进行烧结处理，先升温至450℃保温4h，去除粉末中的有机物，再将炉温继续升高至900保温4h，得到改性稀土硅酸盐微球；
64.筛分：将上述改性稀土硅酸盐粉体进行分筛，选取粒度中值为75～90μm的改性稀土硅酸盐粉体待用；
65.机械混料：将改性稀土硅酸盐粉末与粒度为250μm的聚酯粉末进行机械搅拌混合，其中聚酯粉末的含量为：8.0％。
66.3)选用制备好的可磨耗面层粉末，采用大气等离子喷涂技术制备可磨耗面层，喷涂工艺参数：喷枪功率为62kw，氩气流量为65l/min，氢气流量为5l/min，喷涂距离150mm。涂层厚度1200μm。
67.4)将喷涂后的涡轮外环零件放入保护气氛电阻炉进行热处理，去除涂层中的有机物，最终获得涂层电阻率为35ω
·
cm，涂层孔隙率为28％。
68.5)采用电火花加工的方法将涡轮外环可磨耗封严涂层加工至所需的尺寸，并加工表面构型，具体工艺参数为：脉冲宽度10μs，脉冲间隔1μs，主电源电压120v，峰值电流40a,加工深度0.50mm，加工速率为0.1 4mm3/min，加工时间为1.5小时。