一种等离子喷涂包覆型封严涂层的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种等离子喷涂包覆型封严涂层的制备方法，属于航空技术领域。针对等离子弧喷涂温度高于聚苯酯的分解温度，导致其在喷涂过程中烧损严重，在未达到涂层之前就已经碳化，起不到定量造孔作用的问题，本发明提供了一种等离子喷涂包覆型封严涂层的制备方法。本发明先对航空发动机欲喷涂区域进行磨平、清洁、喷砂粗化处理，并在其之上喷涂一层硅铝镍粘结底层，再将经二氧化钛包覆的聚苯酯，六方氮化硼和硅铝合金粉组成的混合粉末用等离子弧喷系统覆盖在粘结层上，制得等离子喷涂包覆型封严层。本发明将二氧化钛包覆聚苯酯，在喷涂过程中防止聚苯酯的烧损，使更多的聚苯酯留在封严涂层中，从而控制涂层中的孔隙数量，提高涂层的可磨耗性。
【专利说明】
一种等离子喷涂包覆型封严涂层的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种等离子喷涂包覆型封严涂层的制备方法，属于航空技术领域。
【背景技术】
[0002]航空发动机是飞机中最核心的部件，为飞机提供动力，发动机性能的优劣直接影响着飞机整体性能的好坏。大推力、高推重比、高工作效率、低油耗是航空发动机设计和制造的目标，随着能源危机加剧，提高发动机效率，降低油耗成为了目前航空发动机的研究热点。一种有效的方法就是在发动机外部采用气路封严技术来降低叶尖间隙，从而提高发动机效率，降低油耗。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I %，如果涡轮的径向间隙增加0.127mm，单位耗油率就增大约05%。因此，利用等离子弧喷涂制备的封严涂层就由于其良好的可磨耗性与简单的维修和加工过程而得到广泛地应用。
[0003]封严涂层大多由金属基相、润滑相和孔隙组成，铝基金属材料具有密度低、价格低、耐蚀性好等优点，铝合金/石墨、铝硅/聚酯等金属/非金属复合材料已在减摩、可磨耗等领域得到应用。聚苯酯化学性能稳定，燃烧灰分少，与铝硅复合制成热喷涂用铝硅/聚苯酯粉末，常作为“牺牲型”封严涂层材料用于航空发动机静子部件与转子部件之间，能够有效减小叶片与机匣之间的间隙，以获得最佳压气比，显著提高发动机效率，降低能耗。但是，由于等离子弧喷涂温度很高，高于聚苯酯的分解温度，导致其在喷涂过程中烧损严重，在未达到涂层之前就已经碳化，起不到定量造孔的作用，因此，研究一种先进的铝基固体自润滑耐磨材料，显得尤为重要。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题:针对等离子弧喷涂温度高于聚苯酯的分解温度，导致其在喷涂过程中烧损严重，在未达到涂层之前就已经碳化，起不到定量造孔作用的问题，本发明提供了一种等离子喷涂包覆型封严涂层的制备方法。本发明先对航空发动机欲喷涂区域进行磨平、清洁、喷砂粗化处理，并在其之上喷涂一层硅铝镍粘结底层，再将经二氧化钛包覆的聚苯酯，六方氮化硼和硅铝合金粉组成的混合粉末用等离子弧喷系统覆盖在粘结层上，制得等离子喷涂包覆型封严层，本发明将耐高温材料二氧化钛包覆聚苯酯颗粒，在喷涂过程当中保护好聚苯酯，防止聚苯酯的烧损，使更多的聚苯酯留在封严涂层中，从而控制涂层中的孔隙数量，提高涂层的可磨耗性。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
(I)称取15?20g硼酸，加入150?200mL去离子水中，搅拌均匀，加入35?36g尿素，在60?65°C恒温水浴下以300?400r/min搅拌30?40min，置于55?60°C干燥箱中干燥10?12h，得白色粉末，将白色粉末放置在管式炉中，在氮气氛围下，加热至900?950 °C，保持温度5?6h，冷却至室温，取出，用稀盐酸和无水乙醇交替洗涤6~8次，转入55?60 °C干燥箱中干燥10?12h，得六方氮化硼纳米片，备用； (2)量取30?35mL钛酸四丁酯加入100?120mL无水乙醇中，以300?400r/min搅拌15?20min，加入3~4mL冰醋酸，5?8g聚苯酯粉末，以500~600r/min搅拌30~40min，加入3?5mL去离子水，加热至170?180°C，反应2?3h，过滤，将滤渣置于85?95°C干燥箱中干燥2?3h，取出，加入研磨机研磨至粒径<100μπι，得二氧化钛包覆聚苯酯粉末；
(3)称取10?12g硅含量为11?13%娃铝合金，加入粉碎机粉碎，过200目筛，将过筛后的硅铝合金粉末与10?12g上述步骤(I)制备的六方氮化硼纳米片混合，并将其转入球磨机中，加入5?8mL质量分数为20%聚乙烯醇酒精溶液，8?12g氧化锆球，球磨10?12h，加入5?6g上述制备的二氧化钛包覆聚苯酯粉末，继续球磨10?12h，得面层喷涂粉末；
(4)将航空发动机待喷涂区域用砂纸磨平，用无水乙醇洗涤待喷涂区域3~5次，再用白刚玉对其喷砂粗化处理至表面粗糙度为Ra7?RaSym，得预处理待喷涂区域；
(5)用混粉器将20?24g硅含量为11?13%硅铝合金粉与4?6g铝镍粉混合均匀，并使用等离子弧喷系统将混合粉末喷涂在上述预处理待喷涂区域喷涂0.2?0.3mm粘结层，控制电压为36?37V，电流为700?720A，喷枪速度为450?460mm/s，喷涂距离为85?90mm，送粉速率为3.5?4.0g/min，再在粘结层上用上述步骤(3)制备的面层喷涂粉末喷涂1.0?1.5mm面层，控制电压为39?40V，电流为850?860A，喷枪速度为250?260mm/s，喷涂距离为75?78mm，送粉速率为
2.6-3.0g/min，得等离子喷涂包覆型封严涂层。
[0006]本发明的应用方法是:在航空发动机预喷涂区域上用本发明制备的等离子喷涂包覆型封严涂层覆盖1.2-1.8mm，涂层结合强度达15?20MPa，孔隙率为32?35%，室温下，摩擦因素为0.8?0.9，700-800 °C时，摩擦因素为0.3?0.4。
[0007]本发明的有益技术效果是:
(1)本发明制备的封严涂层组织均匀，硬度和结合强度匹配好，孔隙率高，耐磨性好；
(2)本发明制备的封严涂层高温下抗热震性能好，满足航空发动机对高温封严涂层的使用要求；
(3)本发明操作简单，能耗低。
【具体实施方式】
[0008]称取15?20g硼酸，加入150?200mL去离子水中，搅拌均匀，加入35?36g尿素，在60?65 °C恒温水浴下以300?400r/min搅拌30?40min，置于55?60 °C干燥箱中干燥10?12h，得白色粉末，将白色粉末放置在管式炉中，在氮气氛围下，加热至900?950 °C，保持温度5?6h，冷却至室温，取出，用稀盐酸和无水乙醇交替洗涤6~8次，转入55?60 °C干燥箱中干燥10?12h，得六方氮化硼纳米片，备用；量取30?35mL钛酸四丁酯加入100?120mL无水乙醇中，以300?400r/min搅拌15?20min，加入3?4mL冰醋酸，5?8g聚苯酯粉末，以500?600r/min搅拌30?40min，加入3?5mL去离子水，加热至170?180°C，反应2?3h，过滤，将滤渣置于85?95°C干燥箱中干燥2?3h，取出，加入研磨机研磨至粒径< ΙΟΟμπι，得二氧化钛包覆聚苯酯粉末;称取10?12g硅含量为11?13%娃铝合金，加入粉碎机粉碎，过200目筛，将过筛后的硅铝合金粉末与10?12g上述制备的六方氮化硼纳米片混合，并将其转入球磨机中，加入5?8mL质量分数为20%聚乙烯醇酒精溶液，8?12g氧化锆球，球磨10?12h，加入5?6g上述制备的二氧化钛包覆聚苯酯粉末，继续球磨10?12h，得面层喷涂粉末;将航空发动机待喷涂区域用砂纸磨平，用无水乙醇洗涤待喷涂区域3~5次，再用白刚玉对其喷砂粗化处理至表面粗糙度为Ra7?RaSym，得预处理待喷涂区域；用混粉器将20?24g硅含量为11?13%硅铝合金粉与4?6g铝镍粉混合均匀，并使用等离子弧喷系统将混合粉末喷涂在上述预处理待喷涂区域喷涂0.2?0.3mm粘结层，控制电压为36?37V，电流为700?720A，喷枪速度为450?460mm/s，喷涂距离为85?90mm，送粉速率为3.5?4.0g/min，再在粘结层上用上述制备的面层喷涂粉末喷涂1.0?1.5mm面层，控制电压为39?40V，电流为850?860A，喷枪速度为250?260mm/s，喷涂距离为75?78mm，送粉速率为2.6-3.0g/min，得等离子喷涂包覆型封严涂层。
[0009]实例I
称取15g硼酸，加入150mL去离子水中，搅拌均匀，加入35g尿素，在60°C恒温水浴下以300r/min搅拌30?40min，置于55 V干燥箱中干燥1h，得白色粉末，将白色粉末放置在管式炉中，在氮气氛围下，加热至900°C，保持温度5h，冷却至室温，取出，用稀盐酸和无水乙醇交替洗涤6次，转入55°C干燥箱中干燥10h，得六方氮化硼纳米片，备用；量取30mL钛酸四丁酯加入10mL无水乙醇中，以300r/min搅拌15min，加入3mL冰醋酸，5g聚苯酯粉末，以500r/min搅拌30min，加入3mL去离子水，加热至170 V，反应2h，过滤，将滤渣置于85°C干燥箱中干燥2h，取出，加入研磨机研磨至粒径ΙΟΟμπι，得二氧化钛包覆聚苯酯粉末;称取1g娃含量为11%硅铝合金，加入粉碎机粉碎，过200目筛，将过筛后的硅铝合金粉末与1g上述制备的六方氮化硼纳米片混合，并将其转入球磨机中，加入5mL质量分数为20%聚乙烯醇酒精溶液，8g氧化错球，球磨1h，加入5g上述制备的二氧化钛包覆聚苯酯粉末，继续球磨1h，得面层喷涂粉末;将航空发动机待喷涂区域用砂纸磨平，用无水乙醇洗涤待喷涂区域3次，再用白刚玉对其喷砂粗化处理至表面粗糙度为Ra7ym，得预处理待喷涂区域；用混粉器将20g硅含量为11%硅铝合金粉与4g铝镍粉混合均匀，并使用等离子弧喷系统将混合粉末喷涂在上述预处理待喷涂区域喷涂0.2mm粘结层，控制电压为36V，电流为700A，喷枪速度为450mm/s，喷涂距离为85mm，送粉速率为3.5g/min，再在粘结层上用上述制备的面层喷涂粉末喷涂1.0mm面层，控制电压为39V，电流为850A，喷枪速度为250mm/s，喷涂距离为75mm，送粉速率为2.6g/min，得等离子喷涂包覆型封严涂层。
[0010]本发明的应用方法是:在航空发动机预喷涂区域上用本发明制备的等离子喷涂包覆型封严涂层覆盖1.2mm，涂层结合强度达15MPa，孔隙率为32%，室温下，摩擦因素为0.8，700 °C时，摩擦因素为0.4。
[0011]实例2
称取18g硼酸，加入180mL去离子水中，搅拌均匀，加入35g尿素，在62 °C恒温水浴下以350r/min搅拌35min，置于58 °C干燥箱中干燥I Ih，得白色粉末，将白色粉末放置在管式炉中，在氮气氛围下，加热至920°C，保持温度5.5h，冷却至室温，取出，用稀盐酸和无水乙醇交替洗涤7次，转入58°C干燥箱中干燥llh，得六方氮化硼纳米片，备用;量取32mL钛酸四丁酯加入I1mL无水乙醇中，以350r/min搅拌18min，加入3.5mL冰醋酸，7g聚苯酯粉末，以550r/min搅拌35min，加入4mL去离子水，加热至175°C，反应2.5h，过滤，将滤渣置于89°C干燥箱中干燥2.5h，取出，加入研磨机研磨至粒径90μπι，得二氧化钛包覆聚苯酯粉末;称取I Ig硅含量为12%娃招合金，加入粉碎机粉碎，过200目筛，将过筛后的娃招合金粉末与I Ig上述制备的六方氮化硼纳米片混合，并将其转入球磨机中，加入7mL质量分数为20%聚乙烯醇酒精溶液，1g氧化错球，球磨I Ih，加入5.5g上述制备的二氧化钛包覆聚苯酯粉末，继续球磨I Ih，得面层喷涂粉末;将航空发动机待喷涂区域用砂纸磨平，用无水乙醇洗涤待喷涂区域4次，再用白刚玉对其喷砂粗化处理至表面粗糙度为Ra7.5ym，得预处理待喷涂区域；用混粉器将22g硅含量为12%娃铝合金粉与5g铝镍粉混合均匀，并使用等离子弧喷系统将混合粉末喷涂在上述预处理待喷涂区域喷涂0.25mm粘结层，控制电压为36.5V，电流为710A，喷枪速度为455mm/s，喷涂距离为88mm，送粉速率为3.8g/min，再在粘结层上用上述制备的面层喷涂粉末喷涂1.2mm面层，控制电压为39.5V，电流为855A，喷枪速度为255mm/s，喷涂距离为76mm，送粉速率为2.8g/min，得等离子喷涂包覆型封严涂层。
[0012]本发明的应用方法是:在航空发动机预喷涂区域上用本发明制备的等离子喷涂包覆型封严涂层覆盖1.6mm，涂层结合强度达18MPa，孔隙率为33%，室温下，摩擦因素为0.85，750 °C时，摩擦因素为0.35。
[0013]实例3
称取20g硼酸，加入200mL去离子水中，搅拌均匀，加入36g尿素，在65 °C恒温水浴下以400r/min搅拌40min，置于60 °C干燥箱中干燥12h，得白色粉末，将白色粉末放置在管式炉中，在氮气氛围下，加热至950°C，保持温度6h，冷却至室温，取出，用稀盐酸和无水乙醇交替洗涤8次，转入60°C干燥箱中干燥12h，得六方氮化硼纳米片，备用;量取35mL钛酸四丁酯加入120mL无水乙醇中，以400r/min搅拌20min，加入4mL冰醋酸，8g聚苯酯粉末，以600r/min搅拌40min，加入5mL去离子水，加热至180 V，反应3h，过滤，将滤渣置于95 V干燥箱中干燥3h，取出，加入研磨机研磨至粒径80μπι，得二氧化钛包覆聚苯酯粉末;称取12g硅含量为13%娃铝合金，加入粉碎机粉碎，过200目筛，将过筛后的硅铝合金粉末与12g上述制备的六方氮化硼纳米片混合，并将其转入球磨机中，加入8mL质量分数为20%聚乙烯醇酒精溶液，12g氧化锆球，球磨12h，加入6g上述制备的二氧化钛包覆聚苯酯粉末，继续球磨12h，得面层喷涂粉末；将航空发动机待喷涂区域用砂纸磨平，用无水乙醇洗涤待喷涂区域5次，再用白刚玉对其喷砂粗化处理至表面粗糙度为RaSym，得预处理待喷涂区域;用混粉器将24g硅含量为13%娃铝合金粉与6g铝镍粉混合均匀，并使用等离子弧喷系统将混合粉末喷涂在上述预处理待喷涂区域喷涂0.3111111粘结层，控制电压为37￥，电流为72(^，喷枪速度为460111111/8，喷涂距离为90mm，送粉速率为4.0g/min，再在粘结层上用上述制备的面层喷涂粉末喷涂1.5mm面层，控制电压为40V，电流为860A，喷枪速度为260mm/s，喷涂距离为78mm，送粉速率为3.0g/min，得等离子喷涂包覆型封严涂层。
[0014]本发明的应用方法是:在航空发动机预喷涂区域上用本发明制备的等离子喷涂包覆型封严涂层覆盖1.8mm，涂层结合强度达20MPa，孔隙率为35%，室温下，摩擦因素为0.9，800 °C时，摩擦因素为0.3。
【主权项】
1.一种等离子喷涂包覆型封严涂层的制备方法，其特征在于具体制备步骤为: (1)称取15?20g硼酸，加入150?200mL去离子水中，搅拌均匀，加入35?36g尿素，在60?65°C恒温水浴下以300?400r/ min搅拌30?40min，置于55?60 °C干燥箱中干燥10?12h，得白色粉末，将白色粉末放置在管式炉中，在氮气氛围下，加热至900?950 °C，保持温度5?6h，冷却至室温，取出，用稀盐酸和无水乙醇交替洗涤6~8次，转入55?60 °C干燥箱中干燥10?12h，得六方氮化硼纳米片，备用； (2)量取30?35mL钛酸四丁酯加入100?120mL无水乙醇中，以300?400r/min搅拌15?20min，加入3~4mL冰醋酸，5?8g聚苯酯粉末，以500~600r/min搅拌30~40min，加入3?5mL去离子水，加热至170?180°C，反应2?3h，过滤，将滤渣置于85?95°C干燥箱中干燥2?3h，取出，加入研磨机研磨至粒径<100μπι，得二氧化钛包覆聚苯酯粉末； (3)称取10?12g硅含量为11?13%娃铝合金，加入粉碎机粉碎，过200目筛，将过筛后的硅铝合金粉末与10?12g上述步骤(I)制备的六方氮化硼纳米片混合，并将其转入球磨机中，加入8?12g氧化错球，球磨10?12h，加入5?6g上述制备的二氧化钛包覆聚苯酯粉末，继续球磨10?12h，得面层喷涂粉末； (4)将航空发动机待喷涂区域用砂纸磨平，用无水乙醇洗涤待喷涂区域3?5次，再用白刚玉对其喷砂粗化处理至表面粗糙度为Ra7?RaSym，得预处理待喷涂区域； (5)用混粉器将20?24g硅含量为11?13%硅铝合金粉与4?6g铝镍粉混合均匀，并使用等离子弧喷系统将混合粉末喷涂在上述预处理待喷涂区域喷涂0.2?0.3mm粘结层，控制电压为36?37V，电流为700?720A，喷枪速度为450?460mm/s，喷涂距离为85?90mm，送粉速率为3.5?4.0g/min，再在粘结层上用上述步骤(3)制备的面层喷涂粉末喷涂1.0?1.5mm面层，控制电压为39?40V，电流为850?860A，喷枪速度为250?260mm/s，喷涂距离为75?78mm，送粉速率为.2.6-3.0g/min，得等离子喷涂包覆型封严涂层。
【文档编号】C23C4/02GK105970148SQ201610462048
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】吴迪, 王龙
【申请人】吴迪