王年儒

(古德里奇航空结构服务(中国)有限公司,天津 300308)

多孔型高温封严涂层的研制*

王年儒

(古德里奇航空结构服务(中国)有限公司,天津 300308)

蜂窝状多孔结构有助于调整在高温下的硬度和粘结强度。采用溶胶凝胶法制备表面改性的PHB粉末,利用大气等离子喷涂制备陶瓷基多孔性高温封严涂层,微孔能够降低陶瓷材料的硬度,增大其断裂韧性,使其具有良好的可磨耗性能。

多孔型;高温封严涂层;可磨耗性

0 引 言

航空发动机工作时,由于涡轮喘振作用,静子与转子之间会相互刮磨,容易损伤发动机部件。加大静子部件与转子部件之间的间隙可以减小刮磨,但是间隙的大小很大程度上影响了发动机的效率。在航空发动机的全部能量损耗中,叶片尖端缝隙的气体泄漏占到了10%～40%。有资料显示,典型发动机的高压涡轮叶尖间隙若平均减少0.254 mm,涡轮效率就可提高约1%,如果涡轮的径向间隙增加0.127 mm,单位耗油率就增大约0.5%[1-2]。

封严涂层是控制叶片与机匣之间间隙的重要手段。随着科技的进步和发展速度的需要,航空发动机燃烧室中的燃气入口温度越来越高,其中温度最高部位为1 350℃左右,以往的封严涂层使用温度大多低于1 000℃,在1 000℃以上的高温下,这些封严涂层将容易发生熔化和叶片粘着,受热变形导致涂层失效,达不到新型发动机的使用要求,一种有效方法就是使用高温可磨耗封严涂层,是近年来国际高温涂层领域研究最活跃,发展最快的研究内容之一[3-4]。

氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)是一种理想的耐高温材料,具有熔点高、热导率很低、热稳定性好、高温蠕变小、热膨胀系数与金属接近的特点。直接喷涂YSZ获得的致密陶瓷涂层。不能满足硬度及可磨耗性能的要求。因此在YSZ中添加聚酯,并通过等离子喷涂方法制备的封严涂层,由于聚酯的烧损,可以得到多孔的氧化锆封严涂层。通过改变成分配比来调节涂层的孔隙率,可以获得合适的硬度和可磨耗性能[6]。

1 试 验

1.1 制备粉末

试验所需粉为纳米级的ZrO2-8%(重量)Y2O3 (20～60 nm,简称YPSZ),纳米氧化铝(15～30 nm) 和PHB粉末作为粉末原料。在60～70℃磁力搅拌下将氧化铝溶胶和氧化锆溶胶与PHB粉末进行混合,干燥、冷却、研磨和筛分之后,得到的直径在100 μm以下的颗粒适用于作为粉末原料。此时的粉末中有YPSZ、氧化铝和包覆性PHB粉末,通过超声在乙醇中分散至少20 min。凝聚态的粉末要在进口温度为250～300℃出口温度为30～50℃的喷雾干燥塔中通过喷雾干燥来造粉。

1.2 等离子喷涂

如表1所列为喷涂工艺参数。

表1 喷涂工艺参数

试验所选用的基体样品为06Cr18Ni10Ti,为航空用镍基高温合金。喷涂前首先采用超声清洗对基体清洗半小时,然后用白刚玉对基体进行喷砂处理。喷涂粉末采用等比例的包覆型PHB粉末和非包覆型PHB粉末分别与YSZ混合,通过GP-80等离子喷涂设备进行喷涂。

1.3 涂层特性检测

涂层样品经切割后打磨抛光,再用扫描电镜(JSM-5610LV,日本)分析研究其代表性的微观组织结构。通过傅里叶变换红外光谱(Nexus,Thermo Nicolet4,美国)在4 000～400 cm-1(2.5～25μm)的红外先来辨别其官能团。表面硬度和粘接强度通过表面洛氏硬度试验机(TH310,TME,美国)和液压万能试验机(WE-100A,中国)来检测。

2 实验结果分析

2.1 粉末形貌

两种粉末的形态可以通过扫描电镜来观察,对这两种粉末进行EDS能谱分析后可以得知粉末表面成分。图1(a)和(b)表示不同粉末放大1600倍后粉末的微观形貌。

图1(a) PHB粉末显微形貌图(1600×)

图1(b) 包覆型PHB粉末显微形貌(1600×)

由图1(a)PHB粉末的显微形貌和图1(b)包覆型PHB粉末的显微形貌可以看出,PHB粉末表面较为光滑,粒径较小;而包覆型PHB粉末表面很粗糙,且粒径相对PHB粉末要大。利用EDS能谱分析后可以得出,包覆在PHB表面的物质为纳米氧化铝颗粒和纳米氧化锆颗粒。结合扫描电镜和EDS能谱分析可以看出,氧化锆包覆的PHB粉末尺寸较大。

2.2 涂层形貌

非包覆型PHB粉末与包覆型PHB粉末分别与YSZ粉末混合后利用大气等离子喷涂后可得到两种不同的涂层。涂层经过磨抛后用电子显微镜观察,得到如图2(a)和(b)所示图层的显微组织结构图。

由图2(a)可看出:涂层中孔隙形态尺寸各异且孔隙分布很不均匀,且孔隙率也较低,说明喷涂过程中PHB粉末在到达基体前就已经烧损,造成孔隙率低;且由于粉末流动性差,容易造成团聚现象,致使孔隙分布大小不均匀,断裂韧性较差,可磨耗性能较差。

由图2(b)可看出:图层中孔隙形态和尺寸都很均匀,孔隙率也较高,说明喷涂过程中包覆型PHB粉末完好的保存了下来,并没有被烧损;从孔隙分布均匀程度上也可以看出包覆型PHB粉末的分散性和流动性较好。

图2(a) 非包覆性涂层显微组织结构图(1000×)

图2(b) 包覆型涂层显微组织结构图(1000×)

2.3 可磨耗性能

表面硬度和孔隙率有关,较高的孔隙率会导致较低的表面硬度,并且较高的孔隙率会导致涂层较低的粘接强度;微孔的尺寸、数量和均匀性会影响涂层的断裂韧性,微孔的尺寸和数量一定时,分布越均匀,涂层的断裂韧性越大,可磨耗性能越好。

3 结 论

利用纳米氧化铝和氧化锆通过溶胶凝胶法与PHB混合,可得到表面改性的PHB粉末,使其熔点上升,分散性和流动性增强,利于喷涂,达到造孔目的。

包覆型PHB粉末能作为造孔材料能使涂层中存在许多微孔,从而形成一个疏松的蜂窝状多孔结构,使得陶瓷涂层在保证粘接性能达到要求的同时,降低硬度,保护叶片。

微孔的均匀性和分散性能有效提高涂层的断裂韧性,叶片刮磨涂层不会造成损伤且刮磨后涂层呈粉末状剥落,不会损伤下级叶片,可磨耗性能较好。

[1]杨贵铭,王明富,王廉士.涡桨发动机叶尖间隙的控制技术[J].航空制造工程,1997(9):23-24.

[2]田 晔,张淑婷,马江虹,等.可磨耗封严涂层发展及应用[J].有色金属(冶炼部分),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,马江虹,史凤玲.高温封严涂层的研究进展[J].有色金属(冶炼部分),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,山东菏泽人,技术员,研究方向:航空机械的性能研究。