高温可磨耗封严复合涂层的制备及性能研究

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近年来,随着航空工业的迅猛发展,对被称为飞机“心脏”的航空发动机也提出了越来越高的要求,大推力、高推重比、高效率、低油耗仍然是发动机设计者的不懈追求。研究表明,采用可磨耗封严涂层技术,可以改进发动机气路密封性能,减少气体泄漏,显著提高发动机总体性能。本文介绍了目前国内外主流的几种密封方式,着重介绍了可磨耗封严涂层技术,综述了封严涂层材料及其研究现状。对于封严涂层的耐高温、可磨耗、抗冲蚀等特殊性能要求,本文选用纳米YPSZ为耐高温基相,纳米α-Al2O3为粘结相,微米h-BN为软相,聚苯酯为造孔材料,采用喷雾干燥法制备了几种可磨耗封严涂层材料,并采用大气等离子喷涂工艺制备了双层结构和梯度结构的复合封严涂层。对几种涂层材料以及复合涂层进行了各种性能检测和分析,得出如下结论:(1)采用喷雾干燥法制备的封严涂层材料中,各原料组分分布均匀,没有明显偏聚。喷涂材料呈中空团聚球形,具有良好的喷涂性能。(2)涂层中各组分分布均匀,h-BN在基相中包覆效果较好,聚苯酯烧蚀后在涂层中留下了均匀分布的气孔。涂层中Al2O3熔融状况较好,以片层状结构存在。ZrO2有全熔融、半熔融和未熔融三种熔融状态,在涂层中形成片层状和团聚颗粒堆积结构。涂层内嵌入大量团聚颗粒,使得涂层硬度降低,可磨耗性提高。(3)喷涂材料使用常规聚苯酯复合粉末,制得的涂层中基本没有聚苯酯残留。喷涂材料含有大颗粒聚苯酯或包覆粉,制得的复合涂层则有聚苯酯存在。残留的聚苯酯利于在涂层中形成均匀密布的微孔,对降低硬脆基相氧化锆的硬度,提高涂层的可磨耗性有积极的作用。(4)随着Al2O3含量的提高,复合涂层变得致密,涂层的孔隙率减小,硬度和结合强度提高。和1号涂层相比,4号涂层孔隙率过大,硬度降低,结合强度较差。和2号涂层相比,5号涂层孔隙率提高,硬度降低,结合强度略有降低。(5)粉末中的ZrO2以四方相和立方相存在,Al2O3以α相存在;涂层中ZrO2以四方相和立方相存在,氧化铝由α相转变为非晶态;热震后,ZrO2以四方相存在,非稳态的Al2O3发生了向α相的转化。(6)AlO2α3含量越多,涂层的抗热震性能越差。梯度结构封严涂层,由于在金属粘结底层和陶瓷封严层之间加入了过渡层,使基体与封严层的热膨胀系数渐变,大大缓解了热应力,从而显著提高了涂层的抗热震性能。(7)在1000℃高温稳定性试验中,涂层产生烧结现象,组织变得致密,硬度变大。
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