一种可磨耗陶瓷复合封严涂层及其制备方法

1.本发明属于封严涂层技术领域，具体涉及了一种可磨耗陶瓷复合封严涂层及其制备方法。


背景技术：

2.国外对于可磨耗封严涂层研究较早，在上世纪70年代后期至今已经开发研制出20多种可磨耗封严涂层，可适用于各个部位与各个温度范围内。比如美国的metco307ns镍包石墨涂层、metco203ns氧化钇-氧化锆涂层、metco313、metco601ns铝硅聚苯酯涂层等；sulzer公司开发研制的nicral-hbn-聚酯材料等。我国在可磨耗封严涂层的研究起步较晚，最开始是引进国外的粉体，在国外的喷涂工艺参数的基础上研制了镍/硅藻土、镍铬/硅藻土可磨耗封严涂层，也取得了不错的成果。
3.但随着对飞机发动机的性能要求越来越高，发动机的叶片的最高使用温度也逐渐提高，已经从1000℃发展为大型客机的1500℃，而军用燃气式飞机最高可达到1700℃，这样对于可磨耗的封严涂层的使用温度也提出了同样的要求；材料的成分也从低熔点的金属基材料，发展到后来的高熔点陶瓷基材料。
4.另外随着对飞机发动机性能的提高，对于气路封闭技术的要求也越来越高，可磨耗封严涂层是实现气路密闭的重要手段。目前常用的可磨耗封严涂层，例如钇稳定氧化锆(ysz)陶瓷存在耐热冲击差，使用过程中性能下降过快，使用寿命短，涂层硬度与致密度不能同时提高等问题，另外ysz涂层在高温下的硬度较高，磨损率低，使得涂层的可磨耗性能较低。


技术实现要素：

5.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种可磨耗陶瓷复合封严涂层及其制备方法，以解决目前钇稳定氧化锆(ysz)陶瓷用作封严涂层时，在高温下的硬度较高，磨损率低，使得涂层的可磨耗性能较低的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
7.一种可磨耗陶瓷复合封严涂层，该封严涂层的原料为ysz-ti3alc2复合粉末，所述ysz-ti3alc2复合粉末中ti3alc2的含量为2wt.％～10wt.％。
8.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
9.现有技术中ysz封严涂层抗热冲击性能较差，形成的涂层虽然致密度高，但会导致硬度的升高，从而造成可磨耗性能下降。而降低致密度又容易导致涂层内部缺陷增多，过早发生剥落失效。同时在服役过程中涂层在应力累积的作用下出现硬度下降，磨损率过量的升高，又缩短了涂层使用寿命。
10.而本方案通过引入适量的ti3alc2，ti3alc2相可以降低封严涂层的孔隙率的同时，作为软质相提升涂层可磨耗性。在服役过程中tic、al2o3硬质相的形成可以延缓涂层硬度的下降，稳定涂层的磨损速率，保持封严涂层的使用性能，延长涂层服役寿命。
11.进一步，所述ti3alc2的含量为3wt.％～9wt.％。
12.有益效果：通过实验的验证，ti3alc2在该含量下的可磨耗性能最佳以及服役寿命较长。
13.进一步，本发明还公开了一种可磨耗陶瓷复合封严涂层的制备方法，准备ysz-ti3alc2复合粉末，将ysz-ti3alc2复合粉末通过等离子喷涂工艺进行喷涂，得到了ysz-ti3alc2涂层。
14.有益效果：采用等离子喷涂工艺制备封严涂层，操作简单，且耗时短，能够快速将ysz-ti3alc2混合粉末融化后，送到基体上形成封严涂层。
15.进一步，所述ysz-ti3alc2混合粉末的平均粒径为5～30μm。
16.有益效果：这样的平均粒径使得混合粉末能够通过等离子喷涂的喷枪。
17.进一步，所述等离子喷涂工艺的参数包括：电流为400～500a，电压为50～55v，喷涂距离为80～100mm，喷枪扫描速度为4～8mm/s，送风速率为30～60g/min。
18.有益效果：通过实验的验证，在该喷涂参数下，能够得到可磨耗性能好的封严涂层。
附图说明
19.图1为实施例1中ysz-2wt.％ti3alc2涂层在100μm下的微观形貌图。
20.图2为实施例1中ysz-2wt.％ti3alc2涂层在40μm下的微观形貌图。
21.图3为实施例3中ysz-5wt.％ti3alc2涂层在100μm下的微观形貌图。
22.图4为实施例3中ysz-5wt.％ti3alc2涂层在40μm下的微观形貌图。
23.图5为实施例6中ysz-10wt.％ti3alc2涂层在10μm下的微观形貌图。
24.图6为实施例6中ysz-10wt.％ti3alc2涂层在100μm下的微观形貌图。
25.图7为本发明实施例1、实施例3和实施例5的磨损量随ti3alc2含量的变化图。
具体实施方式
26.以下结合说明书附图对本发明作进一步详细说明，并给出具体实施方式。
27.实施例1：
28.一种可磨耗陶瓷复合封严涂层，该封严涂层的原料为ysz-ti3alc2粉末，其中ysz-ti3alc2粉末的平均粒径为5～30μm，其中ti3alc2粉末的含量为2wt.％。
29.上述可磨耗陶瓷复合封严涂层的制备方法，准备含量为2wt.％ti3alc2粉末的ysz-ti3alc2粉末，将ysz-ti3alc2粉末通过等离子喷涂工艺进行喷涂，得到了ysz-2wt.％ti3alc2涂层。
30.喷涂采用的喷枪为美科f210喷枪，喷涂采用单路送粉的方式，其中喷涂的参数如下表1所示：
31.表1为实施例1中等离子喷涂工艺的参数
[0032][0033]
实施例2～实施例6：
[0034]
与实施例1的区别在于，实施例2～实施例6中ti3alc2粉末的含量不同，具体如下表2所示。
[0035]
表2为实施例2～实施例6中ti3alc2粉末的含量
[0036][0037]
实施例7：
[0038]
与实施例1的区别在于，实施例7中等离子喷涂工艺的参数不同，具体如下表3所示。
[0039]
表3为实施例7中等离子喷涂工艺的参数
[0040][0041]
实施例8：
[0042]
与实施例1的区别在于，实施例8中等离子喷涂工艺的参数不同，具体如下表4所示。
[0043]
表4为实施例8中等离子喷涂工艺的参数
[0044][0045][0046]
另外设置两组对比例进行对比试验：
[0047]
对比例1：
[0048]
与实施例1的区别在于，对比例1中ti3alc2粉末的含量为15wt.％。
[0049]
对比例2：
[0050]
与实施例1的区别在于，对比例2中等离子喷涂工艺的参数中，喷涂距离为50mm。
[0051]
将实施例1～8以及对比例1～2得到的包括ysz-ti3alc2涂层的样品进行如下试验。
[0052]
1、扫描电镜分析：
[0053]
通过扫描电镜分析样品的原始形貌，以实施例1、实施例3和实施例6为例，其中图1为实施例1中ysz-2wt.％ti3alc2涂层在100μm下的微观形貌图，图2为实施例1中ysz-2wt.％ti3alc2涂层在40μm下的微观形貌图；从图1和图2可以观察到，ysz-2wt.％ti3alc2涂层的内部存在较多孔洞，这是由于ysz熔点较高，喷涂过程中存在较多未熔融颗粒，在沉积过程中铺展不充分造成孔洞形成。并且在图2中还可以观察到微观裂纹的存在，而涂层内部的孔洞与微观裂纹可以有效降低涂层的硬度，使得ysz-2wt.％ti3alc2封严涂层具有较高的磨损率，提升涂层的可磨耗性能。
[0054]
图3为实施例3中ysz-5wt.％ti3alc2涂层在100μm下的微观形貌图，而图4为实施例3中ysz-5wt.％ti3alc2涂层在40μm下的微观形貌图；通过图3和图4可以观察到，随着ti3alc2含量的增加，涂层内部孔洞在减少，原因在于ti3alc2颗粒更易熔化，使得在喷涂过程中可以较好的填补涂层内部孔洞，在不过多提升涂层的硬度同时，得到致密度更高的涂层，从而能够延缓涂层在高温服役环境中由于孔洞及裂纹尖端位置容易出现应力集中而使裂纹快速扩展，进而导致涂层剥落失效；使得涂层在保持优良的可磨耗性能，延长封严涂层使用寿命。
[0055]
图5为实施例6中ysz-10wt.％ti3alc2涂层在10μm下的微观形貌图，而图6为实施例6中ysz-10wt.％ti3alc2涂层在100μm下的微观形貌图；从图5和图6可以观察到，当涂层中ti3alc2的含量达到10wt.％时，在涂层内部形成了连续的层片状结构，而这些ti3alc2层片在服役过程中可以逐渐反应生成tic、al2o3等硬质相，并且随着反应的不断进行，持续对封严涂层产生强化效果，有效延缓封严涂层在高温环境中涂层硬度的快速下降的问题。因此在保持具有一定的初始可磨耗性能的基础上，可以调控涂层在高温服役过程中的涂层磨耗量，减少涂层长期使用中磨损速率的波动，进一步延缓封严涂层的失效过程，提升封严涂层使用寿命。
[0056]
2、磨损试验：
[0057]
采用摩擦磨损试验机对涂层进行测试：在镍基高温合金表面制备ysz-ti3alc2复合涂层并进行摩擦学试验，试验是在室温干燥条件下进行，将样品固定磨损试验台上，摩擦圆盘接触样品并进行端面滑动摩擦试验，圆盘转动速度为2800转/分，每个试样的试验时间为10秒。磨损试验后，将所有试样在酒精中清洗并进行称重，根据磨损前后试样质量差值计算磨损率。
[0058]
以实施例1中的ysz-2wt.％ti3alc2涂层、实施例3中的ysz-5wt.％ti3alc2涂层和实施例5中的ysz-10wt.％ti3alc2涂层的可磨耗性能测试为例，得到的磨损量随ti3alc2含量的变化图，如图7所示。
[0059]
图7中ysz-2wt.％ti3alc2涂层的磨损率为8.3
×
10-5
mm3/nm；ysz-5wt.％ti3alc2涂层的磨损率为7.9
×
10-5
mm3/nm；ysz-10wt.％ti3alc2涂层的磨损率为6.5
×
10-5
mm3/nm；从图7中可以观察到，随着涂层内部ti3alc2含量的增加，涂层内部孔洞减少，对裂纹起到的愈合作用增加，造成涂层内部缺陷减少，同时tic、al2o3硬质相的形成，使得涂层的抗磨损性能得
到提升，进而导致了封严涂层的磨损率随ti3alc2含量的增加而降低，从而使得当ti3alc2的含量过高时，涂层的可磨耗性能严重下降。
[0060]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0061]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。