多孔型高溫封嚴(yán)涂層的研制*

王年儒

(古德里奇航空結(jié)構(gòu)服務(wù)(中國)有限公司,天津 300308)

多孔型高溫封嚴(yán)涂層的研制*

王年儒

(古德里奇航空結(jié)構(gòu)服務(wù)(中國)有限公司,天津 300308)

蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)有助于調(diào)整在高溫下的硬度和粘結(jié)強(qiáng)度。采用溶膠凝膠法制備表面改性的PHB粉末,利用大氣等離子噴涂制備陶瓷基多孔性高溫封嚴(yán)涂層,微孔能夠降低陶瓷材料的硬度,增大其斷裂韌性,使其具有良好的可磨耗性能。

多孔型;高溫封嚴(yán)涂層;可磨耗性

0 引 言

航空發(fā)動機(jī)工作時,由于渦輪喘振作用,靜子與轉(zhuǎn)子之間會相互刮磨,容易損傷發(fā)動機(jī)部件。加大靜子部件與轉(zhuǎn)子部件之間的間隙可以減小刮磨,但是間隙的大小很大程度上影響了發(fā)動機(jī)的效率。在航空發(fā)動機(jī)的全部能量損耗中,葉片尖端縫隙的氣體泄漏占到了10%～40%。有資料顯示,典型發(fā)動機(jī)的高壓渦輪葉尖間隙若平均減少0.254 mm,渦輪效率就可提高約1%,如果渦輪的徑向間隙增加0.127 mm,單位耗油率就增大約0.5%[1-2]。

封嚴(yán)涂層是控制葉片與機(jī)匣之間間隙的重要手段。隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展速度的需要,航空發(fā)動機(jī)燃燒室中的燃?xì)馊肟跍囟仍絹碓礁?其中溫度最高部位為1 350℃左右,以往的封嚴(yán)涂層使用溫度大多低于1 000℃,在1 000℃以上的高溫下,這些封嚴(yán)涂層將容易發(fā)生熔化和葉片粘著,受熱變形導(dǎo)致涂層失效,達(dá)不到新型發(fā)動機(jī)的使用要求,一種有效方法就是使用高溫可磨耗封嚴(yán)涂層,是近年來國際高溫涂層領(lǐng)域研究最活躍,發(fā)展最快的研究內(nèi)容之一[3-4]。

氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)是一種理想的耐高溫材料,具有熔點(diǎn)高、熱導(dǎo)率很低、熱穩(wěn)定性好、高溫蠕變小、熱膨脹系數(shù)與金屬接近的特點(diǎn)。直接噴涂YSZ獲得的致密陶瓷涂層。不能滿足硬度及可磨耗性能的要求。因此在YSZ中添加聚酯,并通過等離子噴涂方法制備的封嚴(yán)涂層,由于聚酯的燒損,可以得到多孔的氧化鋯封嚴(yán)涂層。通過改變成分配比來調(diào)節(jié)涂層的孔隙率,可以獲得合適的硬度和可磨耗性能[6]。

1 試 驗(yàn)

1.1 制備粉末

試驗(yàn)所需粉為納米級的ZrO2-8%(重量)Y2O3 (20～60 nm,簡稱YPSZ),納米氧化鋁(15～30 nm) 和PHB粉末作為粉末原料。在60～70℃磁力攪拌下將氧化鋁溶膠和氧化鋯溶膠與PHB粉末進(jìn)行混合,干燥、冷卻、研磨和篩分之后,得到的直徑在100 μm以下的顆粒適用于作為粉末原料。此時的粉末中有YPSZ、氧化鋁和包覆性PHB粉末,通過超聲在乙醇中分散至少20 min。凝聚態(tài)的粉末要在進(jìn)口溫度為250～300℃出口溫度為30～50℃的噴霧干燥塔中通過噴霧干燥來造粉。

1.2 等離子噴涂

如表1所列為噴涂工藝參數(shù)。

表1 噴涂工藝參數(shù)

試驗(yàn)所選用的基體樣品為06Cr18Ni10Ti,為航空用鎳基高溫合金。噴涂前首先采用超聲清洗對基體清洗半小時,然后用白剛玉對基體進(jìn)行噴砂處理。噴涂粉末采用等比例的包覆型PHB粉末和非包覆型PHB粉末分別與YSZ混合,通過GP-80等離子噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂。

1.3 涂層特性檢測

涂層樣品經(jīng)切割后打磨拋光,再用掃描電鏡(JSM-5610LV,日本)分析研究其代表性的微觀組織結(jié)構(gòu)。通過傅里葉變換紅外光譜(Nexus,Thermo Nicolet4,美國)在4 000～400 cm-1(2.5～25μm)的紅外先來辨別其官能團(tuán)。表面硬度和粘接強(qiáng)度通過表面洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)(TH310,TME,美國)和液壓萬能試驗(yàn)機(jī)(WE-100A,中國)來檢測。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 粉末形貌

兩種粉末的形態(tài)可以通過掃描電鏡來觀察,對這兩種粉末進(jìn)行EDS能譜分析后可以得知粉末表面成分。圖1(a)和(b)表示不同粉末放大1600倍后粉末的微觀形貌。

圖1(a) PHB粉末顯微形貌圖(1600×)

圖1(b) 包覆型PHB粉末顯微形貌(1600×)

由圖1(a)PHB粉末的顯微形貌和圖1(b)包覆型PHB粉末的顯微形貌可以看出,PHB粉末表面較為光滑,粒徑較小;而包覆型PHB粉末表面很粗糙,且粒徑相對PHB粉末要大。利用EDS能譜分析后可以得出,包覆在PHB表面的物質(zhì)為納米氧化鋁顆粒和納米氧化鋯顆粒。結(jié)合掃描電鏡和EDS能譜分析可以看出,氧化鋯包覆的PHB粉末尺寸較大。

2.2 涂層形貌

非包覆型PHB粉末與包覆型PHB粉末分別與YSZ粉末混合后利用大氣等離子噴涂后可得到兩種不同的涂層。涂層經(jīng)過磨拋后用電子顯微鏡觀察,得到如圖2(a)和(b)所示圖層的顯微組織結(jié)構(gòu)圖。

由圖2(a)可看出:涂層中孔隙形態(tài)尺寸各異且孔隙分布很不均勻,且孔隙率也較低,說明噴涂過程中PHB粉末在到達(dá)基體前就已經(jīng)燒損,造成孔隙率低;且由于粉末流動性差,容易造成團(tuán)聚現(xiàn)象,致使孔隙分布大小不均勻,斷裂韌性較差,可磨耗性能較差。

由圖2(b)可看出:圖層中孔隙形態(tài)和尺寸都很均勻,孔隙率也較高,說明噴涂過程中包覆型PHB粉末完好的保存了下來,并沒有被燒損;從孔隙分布均勻程度上也可以看出包覆型PHB粉末的分散性和流動性較好。

圖2(a) 非包覆性涂層顯微組織結(jié)構(gòu)圖(1000×)

圖2(b) 包覆型涂層顯微組織結(jié)構(gòu)圖(1000×)

2.3 可磨耗性能

表面硬度和孔隙率有關(guān),較高的孔隙率會導(dǎo)致較低的表面硬度,并且較高的孔隙率會導(dǎo)致涂層較低的粘接強(qiáng)度;微孔的尺寸、數(shù)量和均勻性會影響涂層的斷裂韌性,微孔的尺寸和數(shù)量一定時,分布越均勻,涂層的斷裂韌性越大,可磨耗性能越好。

3 結(jié) 論

利用納米氧化鋁和氧化鋯通過溶膠凝膠法與PHB混合,可得到表面改性的PHB粉末,使其熔點(diǎn)上升,分散性和流動性增強(qiáng),利于噴涂,達(dá)到造孔目的。

包覆型PHB粉末能作為造孔材料能使涂層中存在許多微孔,從而形成一個疏松的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu),使得陶瓷涂層在保證粘接性能達(dá)到要求的同時,降低硬度,保護(hù)葉片。

微孔的均勻性和分散性能有效提高涂層的斷裂韌性,葉片刮磨涂層不會造成損傷且刮磨后涂層呈粉末狀剝落,不會損傷下級葉片,可磨耗性能較好。

[1]楊貴銘,王明富,王廉士.渦槳發(fā)動機(jī)葉尖間隙的控制技術(shù)[J].航空制造工程,1997(9):23-24.

[2]田 曄,張淑婷,馬江虹,等.可磨耗封嚴(yán)涂層發(fā)展及應(yīng)用[J].有色金屬(冶煉部分),2006(增刊):96-99.

[3]Suhulz U,Leyens C,Frischer K,et al.Some recent trends in research and technology of advanced thermal barrier coatings[J].Aerospace Science and Technology,2003(7):73-801.

[4]Leyens C,Suhulz U,Frischer K,et al.Contemporarymaterials issues foradvanced EB-PVD thermal barrier coating systems[J]. Zeitschrift Fuer Metallkunde,2001,92(7):762-7721.

[5]王 磊,馬江虹,史鳳玲.高溫封嚴(yán)涂層的研究進(jìn)展[J].有色金屬(冶煉部分),2008(增刊):10-12.

Development of Porous Heat Seal Coating

WANG Nian-ru
(Goodrich Aerostructures Service(China)Co.,Ltd,Tianjin 300308,China)

Honeycomb porous structure helps to adjust the hardness and bond strength athigh temperature environment.Using the sol-gelmethod to acquire the surfacemodified PHB powder,then preparing the ceramic porous heatseal coating by the atmospheric plasma spraying,micro porosity can reduce hardness of the ceramic material,and increase its fracture toughness,thus could make it good abradability performance.

porous;heat seal coating;abradability

TG174.4

A

1007-4414(2015)06-079-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.028

2015-08-22

王年儒(1990-),男,山東菏澤人,技術(shù)員,研究方向:航空機(jī)械的性能研究。