专利名称：可磨耗的氧化镝稳定的氧化锆的制作方法
可磨耗的氣化镝稳定的氧化锆 相关中谙交互春者
在飞机或固定式气体涡轮发动机中，有许多空气或气体密封 部位.所有这些密封部位对安全和有效的发动机操作都很重要.数十 年来一直致力于提高新的和现有发动机的效率和功率输出.提高气体 涡轮发动机内转动和静止部分之间的密封性可以大大减小寄生泄漏且 因此能通过提高效率和功率输出而提高性能.自上世纪六十年代末期 以来，可磨耗密封已用于喷气发动机，而且作为减小气路顶空间隙的 较简单方法而在工业涡轮机领域内获得更多的关注.它们以较低的成 本和微小的工程复杂性为新的和快速单元提供间隙减小.这些材料被 涂布到气体或蒸气涡轮发动机的復环或革壳上并在操作期间受旋转叶 片磨耗.结果是把间隙减小到原本难以达到的程度.
本发明的实施方案提供包含氧化镝(Dy203)和氧化铪(ZK)2)的陶瓷可磨耗材料. 一般而言，该材料可包括约2~50重量％氧化镝， 其余部分除杂质外是氣化锆.按照本发明的一个实施方案，在氧化锆 中加入约10重量％的氣化镝，以产生10重量％氧化镝穗定的氣化锆或 10 DySZ.按照该实施方案的可磨耗组合物，与传统的YSZ组合物相 比，其耐热冲击性提高3~4倍，而且具有明显提髙的耐蚀性和可磨耗 性.按照本发明的实施方案还提供氣化镝稳定的氧化锆组合物在涡轮 发动机密封部件中的应用.0013因此本发明提供耐热冲击性、耐蚀性和被涡轮叶尖切削的能 力等超过传统密封的陶瓷可磨耗密封.
0014为了对本发明提供进一步理解而被包括的且构成本说明书 一部分的附困，说明本发明的实施方案并与本说明书一起用来解释本 发明的原理.在这些附闺中0015困l给出包括按照本发明的可磨耗材料的涡轮发动机级的纵 向剖面示意困；
困7给出现有的和按照本发明的新型陶瓷可磨耗材料在1150TC的热冲击/烧结性结果；0022困8描述测定陶资可磨耗材料的可磨耗性所用的试验设备；0023困9示意用来评价可磨耗材料可磨耗性的典型试验矩阵或 "磨耗困"；00241困10A-C给出现有的和按照本发明的新型陶瓷可磨耗材料 在IIOOTC试验温度下和困9所示的试验参数下的可磨耗性结果；
图2示意壳壁160的局部放大部分A,包括褒环或軍壳金属 结构140和陶瓷可磨耗密封涂层体系150,图2示意陶瓷可磨耗密封涂 层体系150包括3个具体层粘结涂层210、热增长氣化层220和，最 后，陶瓷表面涂层230.陶瓷密封体系150的陶瓷表面涂层230含粗孔 隙240.在本发明的一个实施方案中，陶瓷表面涂层230的孔咪是通过 用除氧化镝稳定的氧化锆(DySZ)外还含挥发填料相,如聚合物或聚合物 /陶资(如hBN)复合物的陶瓷粉末可磨耗材料热喷涂陶瓷涂层230而实 现的.在喷涂这类粉末以产生陶瓷表面涂层230期间，挥发性填料相 与陶瓷相一起沉积并分散在陶瓷相内，且随后能通过热处理可磨耗涂 层体系150而被除去，以产生孔隙240.
困12A-B示意对上述(B)的7 YSZ(7重量％丫203稳定的Zr02) 表面涂层试验(试验条件同上)后的叶尖(困12B)和磨痕状态(困12A).困 12B中给出了很差的超过70%的叶片磨耗，以及困12A表明，在相互 摩擦期间，因叶片金属擦拭到陶瓷上所产生的变色磨痕变明显了.图
13A-B给出了在与以上图IIA-B和困12A-B所述的相同条件下试验的 上述全金属MCrAlY涂层(C).如从困13A-B中可见，均匀而过量的叶 片磨耗变得很明显.0044j—般而言，按照本发明包含10重重％ Dy203稳定的ZrO2(10 DySZ)可磨耗表面涂层的涂层体系，因在耐蚀性、耐热冲击性、耐烧结 性和受未处理棵金属叶尖的可磨耗性或磨耗容限等方面的全面提高， 比现有可磨耗体系更适用于高温应用.本发明的涂层体系尤其成为比 典型参比体系性能更好的产品.[0045生产按照本发明实施方案的涂层所用的粉末材料可以多种 传统形式供应.现在参考困14，该图提供了一种形成适用于可磨耗陶 乾涂层的粉末的方法.按照本发明的可磨耗表面涂层组合物一般可用 如图14所示的传统喷干法制造，其中，在笫一步中，把氧化锆和氧化 镝原材料1410按前述所要求的百分量混合在一起.在笫二步中，在混 合罐1430内把粉末混合物与水、抑泡刑和粘合刑1420混合在一起. 所得混合物可经由雾化喷嘴1450被填进喷干室1440，由此生成细滴 1460,向喷干室1440吹进热空气1470，其吸去滴1460中的水，由此 生成微细化的干燥聚集颗粒1480.进一步筛分和分级后，这些聚集颗 粒会形成按照本发明的喷干粉末组合物.在用热喷涂法涂布这种粉末 之前，可把它先与成孔或挥发性填料相如聚合物(如聚醋粉末)混合在一 起.或者，也可以通过如下步壤把成孔挥发性填料加进喷干聚集颗粒 1480:在混合罐1430内填进氧化锆、氣化镝和成孔相(如聚酶)的混合 物，然后在与粘合剂和水混合后填进喷干室.00461按照本发明的由氧化锆、氧化镝和粘合刑组成的喷干聚集颗 粒1480可以通过等离子体致密化而被进一步加工成球化粉末颗粒，以 提高粉末流动性并均化和稳定化该粉末.闺15示意实现这一点的方法 是把喷干粉末H80填进由等离子体枪1520产生的等离子体巻流1510 中.当粉末颗粒在等离子体1510中通过时，粘合剂相被烧掉，聚集颗 粒的组分被熔化且熔合在一起，形成固熔体.进一步，颗粒从完全熔 化颗粒阶段1530经过一段由冷却到固态的时间所确定的行程1540.在 那一刻且由于冷却阶段1530期间的某种作用，顆粒一般都成为空心球 状.经等离子体致密化的陶瓷空心球粉末一般要与成孔填料相，如聚 酯或由有机(聚醋)和"位错刑"相组成的复合物进行混合.困16示意
一种由磨耗研磨法(attrition m川ing)提供有机和位错刑相复合物以起成 孔材料作用的优选方法.把粉末A,即有机相或聚瑭，和粉末B,即位 错剂如六方氮化硼(BN)与一定重量的钢球1620 —起装进球磨反应器 1610.由钢球和粉末A和B组成的混合物被挽拌器1630搅动.该运动使磨耗研磨反应器内的钢球发生多次碰撞.对于一定次数的这种碰撞 亊件，粉末A和B的顆粒被包裹在碰撞钢球之间，从而把粉末顆粒锻 压在一起.顆粒的反复锻压和破碎形成由組分A和B构成的最终粉末 产品1640，它一般呈层状形貌.磨耗和球磨法的优点在于仅产生少量 加工热，以及这种低温固态技术优选应用于耐温能力有限的加工组 分.[0047对上述喷干型氣化镝/氧化锆进行等离子体加工/致密化以生 成包含空心球顆粒的粉末状Dy203/Zr02固溶体，然后经筛分和最后分 级以及最终混合该陶资可磨耗粉末和上述用磨耗研磨法制备并在最终 涂层中起成孔作用的聚癍和六方氮化硼(BN)复合物，其代表生产按 照本发明的陶瓷可磨耗涂层的优选材料.困3中所示并给出困7、 10 和ll所示优良耐热冲击性和可磨耗性的多孔表面涂层是组成和制备方 法如下的混合物95重量％用喷干法制成，接着如困14所述进行等离 子体致密化的9-11重量。/。Dy203稳定的Zr02的混合物，5重量％用困 15所示的加工路线制成的全芳族聚睇和六方氮化硼的研磨复合物.用 热喷涂法，优选用等离子体喷涂法，沉积在金属粘结涂层上的材料，代表本发明的一个优选实施方案.0048虽然本文已给出并描述了本发明的优选实施方案，但显然这些实施方案仅是举例.对于本领域内的技术人员，可以在不偏离本发 明的前提下作多种变更、修改和取代.因此，旨在本发明仅受所附权 利要求的精神和范围的限制.
权利要求
1.用于可磨耗涂层的陶瓷密封材料，所述材料包含氧化镝(Dy2O3)和氧化锆(ZrO2)。
2. 按照权利要求1的材料，其中氣化销的浓度为2~50重量％.
3. 按照权利要求1的材料，其中材料呈粉末状以及其中单独粉末颗 粒含较小的靠粘合刑相聚结的氧化镝和氧化锆亚顆粒.
4. 按照权利要求1的材料，其中材料呈粉末状以及其中各单独粉末 颗粒含氣化镝、氣化锆和成孔填料相以及，任选地，粘合刑相.
5. 按照权利要求4的材料，其中成孔填料相是聚酯.
6. 按照权利要求3的材料，其中粉末已暴露于足够多的热达足够长 的时间，目的是(a)烧掉粘合刑相和(b)把氣化镝和氣化锆亚颗粒熔合 或烧结在一起，以提供稳定的合金化陶瓷相，后者可用粉碎和/或筛分 和/或分级法进一步加工，以提供稳定的可热喷涂陶瓷可磨耗材料.
7. 按照权利要求6的材料，其中稳定的可热喷涂陶瓷粉末材料一般 是平均尺寸为约10~160 nm的球状顆粒.
8. 按照权利要求6的材料，其中穗定的可热喷涂陶瓷粉末材料要与 成孔填料混合.
9. 按照权利要求8的材料，其中成孔填料是塑料或塑料与选自下列 一组的固体润滑刑的复合物六方氮化硼、二碟化钼、石墨、滑石、 膨润土、云母或其它层状硅酸盐材料.
10. 按照权利要求9的材料，其中塑料是聚醋，固体润滑剂是六方 氮化硼.
11. 按照权利要求1的材料，该材料在热喷涂时形成沉积在金属基 材上的可磨耗密封涂层，在该基材上任选地带有金属中间层或粘结涂 层.
12. 按照权利要求11的涂层，其中涂层的孔隙率为2~50体积％.
13. 按照权利要求11的涂层，其中金属基材是涡轮发动机4L环或革壳.
14. 按照权利要求13的涂层，其中涡轮发动机戾环的形式是整体或 分段环.
15. 包含至少一片涡轮叶片、 一个軍住至少一片涡轮叶片的袭环或 軍壳和一层沉积在至少一片涡轮叶片与袭环或軍壳之间的可磨耗密封 涂层的一级涡轮发动机，其中可磨耗密封涂层包括氧化镝穗定的氧化 锆.
16. 按照权利要求15的一级涡轮发动机，其中至少一片涡轮叶片是 未覆盖叶片并有一个棵露的未处理叶尖.
17. 按照权利要求15的一级涡轮发动机，其中氣化镝稳定的氣化锆 包含2~50重量％氧化镝.
18. 按照权利要求16的一级涡轮发动机，其中氣化镝稳定的氣化锆 除杂质外还包含8 ~ 12重重％氣化镝.
19. 包含具有氣化镝(Dy203)和氧化锆(Zr02)的陶瓷密封材料的可磨 耗密封涂层，所述材料被涂布在金属基材上.
20. 权利要求19的涂层，其中所述材料被涂布在金属基材上或金属 中间层或粘结涂层上。
21. 权利要求20的涂层，其中氧化镝稳定的氣化锆包含2 ~ 50重量 %氧化镝.
22. 生产包含下列组分的可磨耗涂层的方法 提供粉末状氧化镝(Dy203)稳定的氧化锆(Zr02)材料； 在氣化镝稳定的氧化锆粉末中加入聚合物或聚合物/hBN复合挥发性填料；用热喷涂法在金属基材和/或任选的粘结涂层上沉积所述材料和填料；和通过热处理所得涂层烧掉喷涂材料中的填料.
23. 权利要求22的方法，其中氣化镝穂定的氧化铪材料包含2 ~ 50 重量％氧化镝.
24. 权利要求22的方法，其中在用热喷涂法沉积所述材料和填料之 前，填料占材料和填料的约0.3-15重量％.
全文摘要
陶瓷可磨耗材料，尤其可热喷涂陶瓷可磨耗粉末材料，和由热喷涂该材料所形成的可磨耗密封包括氧化镝(Dy<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)和氧化锆(ZrO<sub>2</sub>)，具体而言，该陶瓷可磨耗材料为可磨耗的氧化镝稳定的氧化锆。涂层是多孔的，其中部分孔隙由塑料或挥发相引进。包含氧化镝和氧化锆的可磨耗密封涂层具有更好的耐热冲击性和耐烧结性并能被未处理裸露涡轮叶片磨出间隙，至少在相对叶片速度和涂层孔隙率的某些范围内。包含氧化镝和氧化锆的陶瓷可磨耗叶片能用到最高温度达1200℃。
文档编号C09K3/14GK101125753SQ20071011027
公开日2008年2月20日 申请日期2007年6月8日 优先权日2006年6月8日
发明者A·R·尼可尔, D·R·斯波勒, I·吉奥文尼蒂, M·R·多福曼, M·吉安诺兹, U·泰克克 申请人:苏舍美特科(美国)公司