一种基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法
【专利摘要】本发明属于封严涂层材料制备领域，具体涉及一种基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法。包含以下步骤：首先以Al、Si、Cr、Ti或稀土元素的无机盐或有机醇盐为前驱体制备Al2O3或SiO2或Cr2O3或ZrO2等氧化物溶胶或氧化物复合溶胶；然后将氧化物陶瓷基相粉末、润滑相粉末以及造孔相粉末以一定的比例与氧化物溶胶或复合溶胶相混合，按需要加入一定量的粘接剂，经球磨后得到混合均匀的可磨耗复合料浆；随后以涂覆、浸渍-提拉或旋涂方式将可磨耗复合料浆制备于基体材料上，经干燥、热压处理及高温烧结得到陶瓷基高温可磨耗封严涂层。该方法制备的陶瓷基高温可磨耗封严涂层呈均匀结构，孔隙细小且在涂层中均匀分布。
【专利说明】—种基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于封严涂层材料制备领域，具体涉及一种基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法。
【背景技术】
[0002]可磨耗封严涂层作为一种功能性涂层在航空发动机壳体部位得到了非常广泛的应用。它通过被叶尖主动刮削可有效的减小转子部件与静子部件之间的径向气流间隙，从而获得最大压差，显著提高航空发动机效率并降低油耗。可磨耗封严涂层一般由基相、润滑相和造孔相组成，其中基相可以为金属相或陶瓷相。对于应用于高压涡轮外环部位的可磨耗封严涂层，随着先进航空发动机进口气体温度的不断提高，其涂层材料体系也由金属基可磨耗涂层向具有更高承温能力的陶瓷基可磨耗涂层发展，其中研究较为广泛的是以ZrO2为基相、h-BN为润滑相和聚酯为造孔相的高温可磨耗封严涂层材料体系。
[0003]在制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层方面，现阶段应用最为广泛的是等离子喷涂技术。该技术可一次性制备厚度较大且具有较多孔隙的陶瓷基可磨耗封严涂层。然而，该技术制备涂层在某些方面的性能仍有待改进。首先，等离子喷涂涂层呈现明显的片层结构，该结构不利于松弛涂层在高温冷热循环中产生的热应力，从而造成涂层的抗热震性能较差。其次，等离子喷涂涂层中的孔隙尺寸较大，这就造成涂层在被叶片磨削时容易产生大块脱落，从而影响发动机的正常运转。因此，有必要开发研制制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层新工艺，从而为陶瓷基可磨耗封严涂层的发展提供新的理论和新的技术途径。
【发明内容】
[0004]本发明解决的问题在于提供`一种基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法，该方法可制备结构均匀、孔隙细小均匀的陶瓷基高温可磨耗封严涂层，且该方法对涂层材料的选择范围广、对基体材料形状无限制、成本较低且工艺简便。
[0005]本发明解决其技术问题采用以下技术方案:
[0006](I)以Al、S1、Cr、Ti或稀土元素的无机盐或有机醇盐为前驱体制备氧化物溶胶或氧化物复合溶胶；
[0007](2)将氧化物陶瓷基相粉末、润滑相粉末以及造孔相粉末混合，其中润滑相的含量为0.5~5wt%，造孔相的含量为4.5~10wt%，余量为陶瓷基相粉末，将混合粉末与氧化物溶胶或复合溶胶相混合，加入复合粉末与氧化物溶胶转化为相应氧化物的质量比在5:1到9:1之间，经球磨后得到混合均匀的可磨耗复合料浆；
[0008](3)在制备陶瓷基可磨耗封严涂层之前，在基体材料表面喷涂或沉积一层粘结底层，所述的粘结底层材料为NiCrAH或NiCoCrAlY,厚度为100~150μπι;
[0009](4)以涂覆、浸溃-提拉或旋涂方式将可磨耗复合料浆制备于基体材料上，经干燥、热压处理及高温烧结得到陶瓷基高温可磨耗封严涂层。[0010]所述的溶胶为Al2O3或SiO2或Cr2O3或TiO2或ZrO2或两种以上相复合的多种氧化物溶胶或氧化物复合溶胶。
[0011]所述的氧化物陶瓷基相粉末主要为ZrO2或Y、Yb、Dy、Ce元素稳定的ZrO2粉末，润滑相粉末主要为h-BN，造孔相粉末主要为聚酯或聚苯酯，复合粉末中润滑相的含量为
0.5~5wt%，造孔相的含量为4.5~10wt%o
[0012]所述的复合料浆中加入粘接剂，粘接剂为5~10wt%浓度的聚乙烯醇。
[0013]所述的复合料浆球磨处理的时间为8~12h。。
[0014]所述的得到陶瓷基高温可磨耗封严涂层的热处理工艺为80~100°C干燥2~4h，450~600°C热压处理I~3h，1000~1150°C高温烧结I~3h，升温速率小于5°C /min。
[0015]本发明具有以下有益的技术效果:
[0016]首先，本发明基于溶胶-凝胶制备方法，通过涂覆、干燥、热压和高温烧结工艺进行陶瓷基高温可磨耗封严涂层的制备。所制备涂层具有良好的均匀结构而非等离子喷涂典型的片层状结构，从而有利于改善涂层对高温热应力的松弛能力，使得涂层具有更为优良的高温抗热震性能。
[0017]其次，本发明工艺方法能够对涂层水分蒸发、有机物热解和陶瓷组分相变等过程进行精细控制，使涂层具有更为细小且均匀的孔隙分布，从而大大改善涂层在高温使用环境下的可磨耗性能。
[0018]最后，本发明通过液相组分调控更容易实现纳米粒子相的均匀掺杂，从而制备纳米相均匀掺杂的高性能陶瓷基可磨耗封严涂层。
【具体实施方式】
[0019]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0020]首先，以Al、S1、Cr、Ti或稀土元素的无机盐或有机醇盐为前驱体制备氧化物溶胶或两种以上的复合溶胶；
[0021]随后，将氧化物陶瓷基相粉末、润滑相粉末以及造孔相粉末混合，其中润滑相的含量为0.5~5wt%，造孔相的含量为4.5~10wt%，余量为陶瓷基相粉末；将混合粉末与氧化物溶胶或复合溶胶相混合，加入复合粉末与氧化物溶胶转化为相应氧化物的质量比控制在5:1到9:1之间，为了得到分布均匀的复合料浆，将复合粉末与溶胶球磨8~12h ;
[0022]在制备陶瓷基可磨耗封严涂层之前，在基体材料表面喷涂或沉积一层NiCrAH或NiCoCrAlY粘结底层，厚度控制在100~150 μ m ;
[0023]最后，以涂覆、浸溃-提拉或旋涂方式将可磨耗复合料浆制备于基体材料上，经干燥、热压处理及高温烧结得到陶瓷基高温可磨耗封严涂层。
[0024]实施例1
[0025]采用爆炸喷涂工艺在基体材料表面喷涂NiCoCrAH合金粉末制备厚度为150 μ m的粘结底层待用。以异丙醇铝为前驱体，加热将其溶于水中，滴加HNO3A解得到勃母石Al2O3溶胶，将陶瓷基可磨耗粉末(Y2O3稳定Zr02+2.5wt%h-BN+4.5wt%聚酯)以粉胶质量比9:1加入配好的Al2O3溶胶中，加入1/5体积10wt%聚乙烯醇，球磨12h获得溶胶-凝胶复合料浆；将复合料浆直接涂覆于粘结层上，经80°C干燥4h，600°C热压处理2h，1150°C高温烧结3h，获得纳米Al2O3弥散的ZrO2基陶瓷可磨耗封严涂层。[0026]实施例2
[0027]采用超音速火焰喷涂工艺在基体材料表面喷涂NiCoCrAH合金粉末制备厚度为100~150 μ m的粘结底层待用。以Cr(NO3)3为前驱体，将其与氨水反应，将沉淀过滤清洗后加入去离子水，滴加HNO3调节pH值得到Cr2O3溶胶，将陶瓷基可磨耗粉末(Yb2O3稳定ZrO2+1.0wt%h-BN+4.5wt%聚酯)以粉胶质量比8:1加入配好的Cr2O3溶胶中，加入1/10体积的10被％聚乙烯醇，球磨IOh获得溶胶-凝胶复合料浆；采用浸溃-提拉法将料浆涂覆于粘结层上，经80°C干燥2h，550°C热压处理lh，1050°C高温烧结2h，获得Cr2O3掺杂ZrO2基高温可磨耗封严涂层。
[0028]实施例3
[0029]采用超音速火焰喷涂工艺在基体材料表面喷涂NiCoCrAH合金粉末制备厚度为100~120 μ m的粘结底层待用。以ZrOCl2为前驱体，将其与氨水反应，将沉淀过滤清洗后加入去离子水，滴加HNO3调节pH值得到ZrO2溶胶，将陶瓷基可磨耗粉末(Y2O3稳定ZrO2+1.0wt%h-BN+4.5wt%聚酯)以粉胶质量比7:1加入配好的ZrO2溶胶中，加入1/10体积的10被％聚乙烯醇，球磨12h获得溶胶-凝胶复合料浆；采用浸溃-提拉法将料浆涂覆于粘结层上，经80°C干燥2h，550°C热压处理lh，1050°C高温烧结2h，获得ZrO2基高温可磨耗封严涂层。
[0030]实施例4
[0031]采用多弧离子镀工艺在基体材料表面沉积厚度为IOOym的NiCoCrAH合金粘结底层待用。以Y(NO3)3和Ce(NO3)3为前驱体，将其与氨水反应，将沉淀过滤清洗后加入去离子水，滴加HNO3调节pH值得到Y203+Ce203复合溶胶，将陶瓷基可磨耗粉末(Zr02+3.0wt%h-BN+5.0wt%聚酯)以粉胶质量比9:1加入配好的Y203+Ce203复合溶胶中，加入1/8体.积的10wt%聚乙烯醇，球磨IOh获得溶胶-凝胶复合料浆；采用浸溃-提拉法将料浆涂覆于粘结层上，经80°C干燥2h，600°C热压处理1.5h，1150°C高温烧结2h，获得纳米Y203+Ce203掺杂的ZrO2基陶瓷可磨耗封严涂层。
[0032]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，包含以下步骤: (1)以Al、S1、Cr、Ti或稀土元素的无机盐或有机醇盐为前驱体制备氧化物溶胶或氧化物复合溶胶； (2)将氧化物陶瓷基相粉末、润滑相粉末以及造孔相粉末混合，其中润滑相的含量为0.5~5wt%，造孔相的含量为4.5~10wt%，余量为陶瓷基相粉末，将混合粉末与氧化物溶胶或复合溶胶相混合，加入复合粉末与氧化物溶胶转化为相应氧化物的质量比在5:1到9:1之间，经球磨后得到混合均匀的可磨耗复合料浆； (3)在制备陶瓷基可磨耗封严涂层之前，在基体材料表面喷涂或沉积一层粘结底层，所述的粘结底层材料为NiCrAH或NiCoCrAlY,厚度为100~150 μ m ; (4)以涂覆、浸溃-提拉或旋涂方式将可磨耗复合料浆制备于基体材料上，经干燥、热压处理及高温烧结得到陶瓷基高温可磨耗封严涂层。
2.根据权利要求1所述的基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，所述的溶胶为Al2O3或SiO2或Cr2O3或TiO2或ZrO2或两种以上相复合的多种氧化物溶胶或氧化物复合溶胶。
3.根据权利要求1所述的基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，所述的氧化物陶瓷基相粉末主要为ZrO2或Y、Yb、Dy、Ce元素稳定的ZrO2粉末，润滑相粉末主要为h-BN，造孔相粉末主要为聚酯或聚苯酯，复合粉末中润滑相的含量为0.5~5wt%，造孔相的含量为4.5~10wt%o
4.根据权利要求1所述的基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，所述的复合料衆中加入粘接剂，粘接剂为5~10wt%浓度的聚乙烯醇。`
5.根据权利要求1所述的基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，所述的复合料浆球磨处理的时间为8~12h。
6.根据权利要求1所述的基于溶胶-凝胶制备陶瓷基高温可磨耗封严涂层的方法，其特征在于，所述的得到陶瓷基高温可磨耗封严涂层的热处理工艺为80~100°C干燥2~4h，450~600°C热压处理I~3h，1000~1150°C高温烧结I~3h，升温速率小于5°C /min。
【文档编号】C04B35/01GK103588469SQ201310540968
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】高俊国, 汤智慧, 王长亮, 郭孟秋 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院