專利名稱：可磨耗的氧化鏑穩(wěn)定的氧化鋯的制作方法
可磨耗的氣化鏑穩(wěn)定的氧化鋯 相關(guān)中諳交互春者
在飛機(jī)或固定式氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，有許多空氣或氣體密封 部位.所有這些密封部位對(duì)安全和有效的發(fā)動(dòng)機(jī)操作都很重要.數(shù)十 年來(lái)一直致力于提高新的和現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和功率輸出.提高氣體 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)和靜止部分之間的密封性可以大大減小寄生泄漏且 因此能通過(guò)提高效率和功率輸出而提高性能.自上世紀(jì)六十年代末期 以來(lái)，可磨耗密封已用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，而且作為減小氣路頂空間隙的 較簡(jiǎn)單方法而在工業(yè)渦輪機(jī)領(lǐng)域內(nèi)獲得更多的關(guān)注.它們以較低的成 本和微小的工程復(fù)雜性為新的和快速單元提供間隙減小.這些材料被 涂布到氣體或蒸氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)環(huán)或革殼上并在操作期間受旋轉(zhuǎn)葉 片磨耗.結(jié)果是把間隙減小到原本難以達(dá)到的程度.
本發(fā)明的實(shí)施方案提供包含氧化鏑(Dy203)和氧化鉿(ZK)2)的陶瓷可磨耗材料. 一般而言，該材料可包括約2~50重量％氧化鏑， 其余部分除雜質(zhì)外是氣化鋯.按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，在氧化鋯 中加入約10重量％的氣化鏑，以產(chǎn)生10重量％氧化鏑穗定的氣化鋯或 10 DySZ.按照該實(shí)施方案的可磨耗組合物，與傳統(tǒng)的YSZ組合物相 比，其耐熱沖擊性提高3~4倍，而且具有明顯提髙的耐蝕性和可磨耗 性.按照本發(fā)明的實(shí)施方案還提供氣化鏑穩(wěn)定的氧化鋯組合物在渦輪 發(fā)動(dòng)機(jī)密封部件中的應(yīng)用.0013因此本發(fā)明提供耐熱沖擊性、耐蝕性和被渦輪葉尖切削的能 力等超過(guò)傳統(tǒng)密封的陶瓷可磨耗密封.


0014為了對(duì)本發(fā)明提供進(jìn)一步理解而被包括的且構(gòu)成本說(shuō)明書(shū) 一部分的附困，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方案并與本說(shuō)明書(shū)一起用來(lái)解釋本 發(fā)明的原理.在這些附閨中0015困l給出包括按照本發(fā)明的可磨耗材料的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)的縱 向剖面示意困；
困7給出現(xiàn)有的和按照本發(fā)明的新型陶瓷可磨耗材料在1150TC的熱沖擊/燒結(jié)性結(jié)果；0022困8描述測(cè)定陶資可磨耗材料的可磨耗性所用的試驗(yàn)設(shè)備；0023困9示意用來(lái)評(píng)價(jià)可磨耗材料可磨耗性的典型試驗(yàn)矩陣或 "磨耗困"；00241困10A-C給出現(xiàn)有的和按照本發(fā)明的新型陶瓷可磨耗材料 在IIOOTC試驗(yàn)溫度下和困9所示的試驗(yàn)參數(shù)下的可磨耗性結(jié)果；
圖2示意殼壁160的局部放大部分A,包括褒環(huán)或軍殼金屬 結(jié)構(gòu)140和陶瓷可磨耗密封涂層體系150,圖2示意陶瓷可磨耗密封涂 層體系150包括3個(gè)具體層粘結(jié)涂層210、熱增長(zhǎng)氣化層220和，最 后，陶瓷表面涂層230.陶瓷密封體系150的陶瓷表面涂層230含粗孔 隙240.在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，陶瓷表面涂層230的孔咪是通過(guò) 用除氧化鏑穩(wěn)定的氧化鋯(DySZ)外還含揮發(fā)填料相,如聚合物或聚合物 /陶資(如hBN)復(fù)合物的陶瓷粉末可磨耗材料熱噴涂陶瓷涂層230而實(shí) 現(xiàn)的.在噴涂這類粉末以產(chǎn)生陶瓷表面涂層230期間，揮發(fā)性填料相 與陶瓷相一起沉積并分散在陶瓷相內(nèi)，且隨后能通過(guò)熱處理可磨耗涂 層體系150而被除去，以產(chǎn)生孔隙240.
困12A-B示意對(duì)上述(B)的7 YSZ(7重量％丫203穩(wěn)定的Zr02) 表面涂層試驗(yàn)(試驗(yàn)條件同上)后的葉尖(困12B)和磨痕狀態(tài)(困12A).困 12B中給出了很差的超過(guò)70%的葉片磨耗，以及困12A表明，在相互 摩擦期間，因葉片金屬擦拭到陶瓷上所產(chǎn)生的變色磨痕變明顯了.圖
13A-B給出了在與以上圖IIA-B和困12A-B所述的相同條件下試驗(yàn)的 上述全金屬M(fèi)CrAlY涂層(C).如從困13A-B中可見(jiàn)，均勻而過(guò)量的葉 片磨耗變得很明顯.0044j—般而言，按照本發(fā)明包含10重重％ Dy203穩(wěn)定的ZrO2(10 DySZ)可磨耗表面涂層的涂層體系，因在耐蝕性、耐熱沖擊性、耐燒結(jié) 性和受未處理棵金屬葉尖的可磨耗性或磨耗容限等方面的全面提高， 比現(xiàn)有可磨耗體系更適用于高溫應(yīng)用.本發(fā)明的涂層體系尤其成為比 典型參比體系性能更好的產(chǎn)品.[0045生產(chǎn)按照本發(fā)明實(shí)施方案的涂層所用的粉末材料可以多種 傳統(tǒng)形式供應(yīng).現(xiàn)在參考困14，該圖提供了一種形成適用于可磨耗陶 乾涂層的粉末的方法.按照本發(fā)明的可磨耗表面涂層組合物一般可用 如圖14所示的傳統(tǒng)噴干法制造，其中，在笫一步中，把氧化鋯和氧化 鏑原材料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內(nèi)把粉末混合物與水、抑泡刑和粘合刑1420混合在一起. 所得混合物可經(jīng)由霧化噴嘴1450被填進(jìn)噴干室1440，由此生成細(xì)滴 1460,向噴干室1440吹進(jìn)熱空氣1470，其吸去滴1460中的水，由此 生成微細(xì)化的干燥聚集顆粒1480.進(jìn)一步篩分和分級(jí)后，這些聚集顆 粒會(huì)形成按照本發(fā)明的噴干粉末組合物.在用熱噴涂法涂布這種粉末 之前，可把它先與成孔或揮發(fā)性填料相如聚合物(如聚醋粉末)混合在一 起.或者，也可以通過(guò)如下步壤把成孔揮發(fā)性填料加進(jìn)噴干聚集顆粒 1480:在混合罐1430內(nèi)填進(jìn)氧化鋯、氣化鏑和成孔相(如聚酶)的混合 物，然后在與粘合劑和水混合后填進(jìn)噴干室.00461按照本發(fā)明的由氧化鋯、氧化鏑和粘合刑組成的噴干聚集顆 粒1480可以通過(guò)等離子體致密化而被進(jìn)一步加工成球化粉末顆粒，以 提高粉末流動(dòng)性并均化和穩(wěn)定化該粉末.閨15示意實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法 是把噴干粉末H80填進(jìn)由等離子體槍1520產(chǎn)生的等離子體巻流1510 中.當(dāng)粉末顆粒在等離子體1510中通過(guò)時(shí)，粘合劑相被燒掉，聚集顆 粒的組分被熔化且熔合在一起，形成固熔體.進(jìn)一步，顆粒從完全熔 化顆粒階段1530經(jīng)過(guò)一段由冷卻到固態(tài)的時(shí)間所確定的行程1540.在 那一刻且由于冷卻階段1530期間的某種作用，顆粒一般都成為空心球 狀.經(jīng)等離子體致密化的陶瓷空心球粉末一般要與成孔填料相，如聚 酯或由有機(jī)(聚醋)和"位錯(cuò)刑"相組成的復(fù)合物進(jìn)行混合.困16示意
一種由磨耗研磨法(attrition m川ing)提供有機(jī)和位錯(cuò)刑相復(fù)合物以起成 孔材料作用的優(yōu)選方法.把粉末A,即有機(jī)相或聚瑭，和粉末B,即位 錯(cuò)劑如六方氮化硼(BN)與一定重量的鋼球1620 —起裝進(jìn)球磨反應(yīng)器 1610.由鋼球和粉末A和B組成的混合物被挽拌器1630攪動(dòng).該運(yùn)動(dòng)使磨耗研磨反應(yīng)器內(nèi)的鋼球發(fā)生多次碰撞.對(duì)于一定次數(shù)的這種碰撞 亊件，粉末A和B的顆粒被包裹在碰撞鋼球之間，從而把粉末顆粒鍛 壓在一起.顆粒的反復(fù)鍛壓和破碎形成由組分A和B構(gòu)成的最終粉末 產(chǎn)品1640，它一般呈層狀形貌.磨耗和球磨法的優(yōu)點(diǎn)在于僅產(chǎn)生少量 加工熱，以及這種低溫固態(tài)技術(shù)優(yōu)選應(yīng)用于耐溫能力有限的加工組 分.[0047對(duì)上述噴干型氣化鏑/氧化鋯進(jìn)行等離子體加工/致密化以生 成包含空心球顆粒的粉末狀Dy203/Zr02固溶體，然后經(jīng)篩分和最后分 級(jí)以及最終混合該陶資可磨耗粉末和上述用磨耗研磨法制備并在最終 涂層中起成孔作用的聚癍和六方氮化硼(BN)復(fù)合物，其代表生產(chǎn)按 照本發(fā)明的陶瓷可磨耗涂層的優(yōu)選材料.困3中所示并給出困7、 10 和ll所示優(yōu)良耐熱沖擊性和可磨耗性的多孔表面涂層是組成和制備方 法如下的混合物95重量％用噴干法制成，接著如困14所述進(jìn)行等離 子體致密化的9-11重量。/。Dy203穩(wěn)定的Zr02的混合物，5重量％用困 15所示的加工路線制成的全芳族聚睇和六方氮化硼的研磨復(fù)合物.用 熱噴涂法，優(yōu)選用等離子體噴涂法，沉積在金屬粘結(jié)涂層上的材料，代表本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案.0048雖然本文已給出并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但顯然這些實(shí)施方案僅是舉例.對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，可以在不偏離本發(fā) 明的前提下作多種變更、修改和取代.因此，旨在本發(fā)明僅受所附權(quán) 利要求的精神和范圍的限制.
權(quán)利要求
1.用于可磨耗涂層的陶瓷密封材料，所述材料包含氧化鏑(Dy2O3)和氧化鋯(ZrO2)。
2. 按照權(quán)利要求1的材料，其中氣化銷(xiāo)的濃度為2~50重量％.
3. 按照權(quán)利要求1的材料，其中材料呈粉末狀以及其中單獨(dú)粉末顆 粒含較小的靠粘合刑相聚結(jié)的氧化鏑和氧化鋯亞顆粒.
4. 按照權(quán)利要求1的材料，其中材料呈粉末狀以及其中各單獨(dú)粉末 顆粒含氣化鏑、氣化鋯和成孔填料相以及，任選地，粘合刑相.
5. 按照權(quán)利要求4的材料，其中成孔填料相是聚酯.
6. 按照權(quán)利要求3的材料，其中粉末已暴露于足夠多的熱達(dá)足夠長(zhǎng) 的時(shí)間，目的是(a)燒掉粘合刑相和(b)把氣化鏑和氣化鋯亞顆粒熔合 或燒結(jié)在一起，以提供穩(wěn)定的合金化陶瓷相，后者可用粉碎和/或篩分 和/或分級(jí)法進(jìn)一步加工，以提供穩(wěn)定的可熱噴涂陶瓷可磨耗材料.
7. 按照權(quán)利要求6的材料，其中穩(wěn)定的可熱噴涂陶瓷粉末材料一般 是平均尺寸為約10~160 nm的球狀顆粒.
8. 按照權(quán)利要求6的材料，其中穗定的可熱噴涂陶瓷粉末材料要與 成孔填料混合.
9. 按照權(quán)利要求8的材料，其中成孔填料是塑料或塑料與選自下列 一組的固體潤(rùn)滑刑的復(fù)合物六方氮化硼、二碟化鉬、石墨、滑石、 膨潤(rùn)土、云母或其它層狀硅酸鹽材料.
10. 按照權(quán)利要求9的材料，其中塑料是聚醋，固體潤(rùn)滑劑是六方 氮化硼.
11. 按照權(quán)利要求1的材料，該材料在熱噴涂時(shí)形成沉積在金屬基 材上的可磨耗密封涂層，在該基材上任選地帶有金屬中間層或粘結(jié)涂 層.
12. 按照權(quán)利要求11的涂層，其中涂層的孔隙率為2~50體積％.
13. 按照權(quán)利要求11的涂層，其中金屬基材是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)4L環(huán)或革殼.
14. 按照權(quán)利要求13的涂層，其中渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)戾環(huán)的形式是整體或 分段環(huán).
15. 包含至少一片渦輪葉片、 一個(gè)軍住至少一片渦輪葉片的襲環(huán)或 軍殼和一層沉積在至少一片渦輪葉片與襲環(huán)或軍殼之間的可磨耗密封 涂層的一級(jí)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其中可磨耗密封涂層包括氧化鏑穗定的氧化 鋯.
16. 按照權(quán)利要求15的一級(jí)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其中至少一片渦輪葉片是 未覆蓋葉片并有一個(gè)棵露的未處理葉尖.
17. 按照權(quán)利要求15的一級(jí)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其中氣化鏑穩(wěn)定的氣化鋯 包含2~50重量％氧化鏑.
18. 按照權(quán)利要求16的一級(jí)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其中氣化鏑穩(wěn)定的氣化鋯 除雜質(zhì)外還包含8 ~ 12重重％氣化鏑.
19. 包含具有氣化鏑(Dy203)和氧化鋯(Zr02)的陶瓷密封材料的可磨 耗密封涂層，所述材料被涂布在金屬基材上.
20. 權(quán)利要求19的涂層，其中所述材料被涂布在金屬基材上或金屬 中間層或粘結(jié)涂層上。
21. 權(quán)利要求20的涂層，其中氧化鏑穩(wěn)定的氣化鋯包含2 ~ 50重量 %氧化鏑.
22. 生產(chǎn)包含下列組分的可磨耗涂層的方法 提供粉末狀氧化鏑(Dy203)穩(wěn)定的氧化鋯(Zr02)材料； 在氣化鏑穩(wěn)定的氧化鋯粉末中加入聚合物或聚合物/hBN復(fù)合揮發(fā)性填料；用熱噴涂法在金屬基材和/或任選的粘結(jié)涂層上沉積所述材料和填料；和通過(guò)熱處理所得涂層燒掉噴涂材料中的填料.
23. 權(quán)利要求22的方法，其中氣化鏑穂定的氧化鉿材料包含2 ~ 50 重量％氧化鏑.
24. 權(quán)利要求22的方法，其中在用熱噴涂法沉積所述材料和填料之 前，填料占材料和填料的約0.3-15重量％.
全文摘要
陶瓷可磨耗材料，尤其可熱噴涂陶瓷可磨耗粉末材料，和由熱噴涂該材料所形成的可磨耗密封包括氧化鏑(Dy₂O₃)和氧化鋯(ZrO₂)，具體而言，該陶瓷可磨耗材料為可磨耗的氧化鏑穩(wěn)定的氧化鋯。涂層是多孔的，其中部分孔隙由塑料或揮發(fā)相引進(jìn)。包含氧化鏑和氧化鋯的可磨耗密封涂層具有更好的耐熱沖擊性和耐燒結(jié)性并能被未處理裸露渦輪葉片磨出間隙，至少在相對(duì)葉片速度和涂層孔隙率的某些范圍內(nèi)。包含氧化鏑和氧化鋯的陶瓷可磨耗葉片能用到最高溫度達(dá)1200℃。
文檔編號(hào)C09K3/14GK101125753SQ20071011027
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月8日
發(fā)明者A·R·尼可爾, D·R·斯波勒, I·吉奧文尼蒂, M·R·多福曼, M·吉安諾茲, U·泰克克 申請(qǐng)人:蘇舍美特科(美國(guó))公司