阅读说明：本技术 一种低烧损可磨耗涂层材料及其应用 (Low-burning-loss abradable coating material and application thereof ) 是由 于月光 刘建明 沈婕 章德铭 郭丹 王帅 刘通 黄凌峰 卢晓亮 侯伟骜 周恒� 于 2019-12-05 设计创作，主要内容包括：本发明属于涂层材料技术领域,尤其涉及一种低烧损可磨耗涂层材料及其应用。本发明提供的低烧损可磨耗涂层材料包括可磨耗组分和骨架组分,所述可磨耗组分包括六方氮化硼,所述六方氮化硼的石墨化指数为0.7～2.0,形貌为层片状。本发明选择了具有特定石墨化指数和形貌的六方氮化硼作为可磨耗组分,可以有效降低氮化硼系可磨耗涂层材料在热喷涂过程中的损失,提高涂层中氮化硼组分含量,从而提高涂层的可磨耗性,在航空发动机和燃气轮机中有广阔应用前景。(The invention belongs to the technical field of coating materials, and particularly relates to a low-burning-loss abradable coating material and application thereof. The low-burning-loss abradable coating material provided by the invention comprises an abradable component and a framework component, wherein the abradable component comprises hexagonal boron nitride, the graphitization index of the hexagonal boron nitride is 0.7-2.0, and the appearance of the hexagonal boron nitride is lamellar. According to the invention, hexagonal boron nitride with a specific graphitization index and morphology is selected as an abradable component, so that the loss of a boron nitride abradable coating material in a thermal spraying process can be effectively reduced, and the content of the boron nitride component in the coating is improved, thereby improving the abradability of the coating, and having a wide application prospect in aircraft engines and gas turbines.)

一种低烧损可磨耗涂层材料及其应用

技术领域

本发明属于涂层材料技术领域，尤其涉及一种低烧损可磨耗涂层材料及其应用。

背景技术

可磨耗封严涂层涂覆于航空发动机静子部件表面，在高温高速工况下与转子部件对磨时能够发生主动磨耗，从而可通过转、静子的过盈配合实现转、静子之间最小间隙的控制，同时保护转子部件不被磨损，其对于降低燃气轮机油耗、提高效率和运行安全性具有重要意义。可磨耗封严涂层由可磨耗组分和骨架组分组成，可磨耗组分一般为低剪切强度的非金属材料如石墨、六方氮化硼、聚苯酯等，提供涂层的可磨耗性；骨架组分一般是Al、AlSi、CuAl、NiCr等金属或陶瓷，赋予涂层一定的强度及抗氧化性等。可磨耗封严涂层最主要的制备工艺为热喷涂，喷涂焰流温度一般在3000℃以上。

六方氮化硼(hBN)是一种性能优越的可磨耗组分，具有化学性质稳定、可磨耗性优异等特征，是先进可磨耗涂层材料的一种重要组分。但是由于hBN组分在900℃空气中快速氧化、质轻、塑性差、粘附性差等原因，在热喷涂焰流中容易烧损、不易加速、在撞击到基体后容易散落等，导致其热喷涂沉积率很低，无法发挥该组分的优越特性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低烧损可磨耗涂层材料及其应用，本发明提供的低烧损可磨耗涂层材料在热喷涂过程中氮化硼损失小，形成的涂层中氮化硼组分含量高，可磨耗性好。

本发明提供了一种低烧损可磨耗涂层材料，包括可磨耗组分和骨架组分，所述可磨耗组分包括六方氮化硼，所述六方氮化硼的石墨化指数为0.7～2.0，形貌为层片状。

优选的，所述六方氮化硼的一次粒径为3～30μm。

优选的，所述六方氮化硼的纯度≥99.0％。

优选的，所述可磨耗组分还包括石墨和/或聚苯酯。

优选的，所述骨架组分包括陶瓷、纯金属和合金中的一种或多种。

优选的，所述纯金属包括铝；

所述合金包括镍铬铁合金、铝硅合金、镍硅合金、钛铝合金、铜铝合金和镍铬合金中的一种或多种。

优选的，所述六方氮化硼和骨架组分的质量比为1：(2～150)。

优选的，所述低烧损可磨耗涂层材料的形态为粉末材料、线材、棒材或悬浮液。

优选的，所述低烧损可磨耗涂层材料的形态为粉末材料、线材或棒材，所述低烧损可磨耗涂层材料的组分中还包括粘结剂；

或，所述低烧损可磨耗涂层材料的形态为悬浮液，所述低烧损可磨耗涂层材料的组分中还包括溶剂。

本发明提供了一种可磨耗涂层，由上述技术方案所述的低烧损可磨耗涂层材料经热喷涂后形成。

与现有技术相比，本发明提供了一种低烧损可磨耗涂层材料及其应用。本发明提供的低烧损可磨耗涂层材料包括可磨耗组分和骨架组分，所述可磨耗组分包括六方氮化硼，所述六方氮化硼的石墨化指数为0.7～2.0，形貌为层片状。本发明选择了具有特定石墨化指数和形貌的六方氮化硼作为可磨耗组分，当hBN的石墨化指数在0.7～2.0范围内，其具有适中的晶型完整性和位错密度，一方面能提高hBN的热稳定性、降低其烧损，另一方面能提高hBN的变形能力，使其更容易通过机械钳合作用沉积在涂层中；而片层状的hBN形貌可在热喷涂过程中实现片层hBN颗粒边缘微熔，使其具备一定的粘合作用，从而使hBN更容易沉积在涂层中。在本发明提供的优选技术方案中，选择纯度≥99.0％的hBN，高纯度能够确保hBN在热喷涂高温焰流中不易氧化烧损，从而进一步提升hBN的沉积率。本发明提供的技术方案可以有效降低氮化硼系可磨耗涂层材料在热喷涂过程中的损失，提高涂层中氮化硼组分含量，从而提高涂层的可磨耗性，在航空发动机和燃气轮机中有广阔应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1提供的片层状的hBN的扫描电镜图；

图2是本发明对比例1提供的团聚颗粒状与片层状混杂的hBN的扫描电镜图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种低烧损可磨耗涂层材料，包括可磨耗组分和骨架组分，所述可磨耗组分包括六方氮化硼，所述六方氮化硼的石墨化指数为0.7～2.0，形貌为层片状。

本发明提供了一种低烧损可磨耗涂层材料，包括可磨耗组分和骨架组分。其中，所述可磨耗组分包括晶型为六方结构的氮化硼，即六方氮化硼(hBN)，所述六方氮化硼的石墨化指数为0.7～2.0，具体可为0.7、0.71、0.72、0.73、0.74、0.75、0.76、0.77、0.78、0.79、0.8、0.81、0.82、0.83、0.84、0.85、0.86、0.87、0.88、0.89、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2.0；所述六方氮化硼的一次粒径优选为3～30μm，具体可为3、3.5、4、4.5、5、5.5、6μm、6.1μm、6.2μm、6.3μm、6.4μm、6.5μm、6.6μm、6.7μm、6.8μm、6.9μm、7μm、7.1μm、7.2μm、7.3μm、7.4μm、7.5μm、7.6μm、7.7μm、7.8μm、7.9μm、8μm、8.1μm、8.2μm、8.3μm、8.4μm、8.5μm、8.6μm、8.7μm、8.8μm、8.9μm、9μm、9.1μm、9.2μm、9.3μm、9.4μm、9.5μm、9.6μm、9.7μm、9.8μm、9.9μm、10μm、10.5μm、11μm、11.5μm、12μm、12.5μm、13μm、13.5μm、14μm、14.5μm、15μm、15.5μm、16μm、16.5μm、17μm、17.5μm、18μm、18.5μm、19μm、19.5μm、20μm、20.5μm、21μm、21.5μm、22μm、22.5μm、23μm、23.5μm、24μm、24.5μm、25μm、25.5μm、26μm、26.5μm、27μm、27.5μm、28μm、28.5μm、29μm、29.5μm或30μm；所述六方氮化硼的纯度优选≥99.0％，更优选≥99.5％，具体可为99.5％、99.6％、99.7％、99.8％或99.9％；所述六方氮化硼的形貌为层片状。本发明对所述六方氮化硼的来源没有特别限定，采用市售商品即可，如营口天元化工研究所股份有限公司生产的H-BN系列牌号产品、丹东市化工研究所有限责任公司生产的HS系列牌号产品或辽宁硼达科技有限公司生产的氮化硼系列产品等。

在本发明中，所述可磨耗组分还可包括石墨和/或聚苯酯。在本发明提供的一个所述可磨耗组分还包括石墨的实施例中，所述石墨的粒径优选为5～120μm，具体可为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、105μm、110μm、115μm或120μm；所述石墨和六方氮化硼的质量比优选为(0.5～2)：1，具体可为0.5:1、1:1、1.5:1或2:1。

在本发明中，所述骨架组分包括但不限于陶瓷、纯金属和合金中的一种或多种。其中，所述纯金属优选包括铝；所述合金优选包括镍铬铁合金(NiCrFe)、铝硅合金(AlSi)、镍硅合金(NiSi)、钛铝合金(TiAl)、铜铝合金和镍铬合金中的一种或多种。在本发明提供的一个实施例中，所述镍铬铁合金中的铬含量优选为10～20wt％，具体可为10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％或20wt％，所述镍铬铁合金中的铁含量优选为5～15wt％，具体可为5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％或15wt％，所述镍铬铁合金中的镍含量优选为余量；在本发明提供的另一个实施例中，所述镍铬铁合金具体可为Ni-15Cr-10Fe。在本发明提供的一个实施例中，所述铝硅合金的硅含量优选为8～15wt％，具体可为8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％或15wt％，所述铝硅合金的铝含量优选为余量；在本发明提供的另一个实施例中，所述铝硅合金具体可为Al-12Si。在本发明提供的一个实施例中，所述镍硅合金的硅含量优选为2～10wt％，具体可为2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％，所述镍硅合金的镍含量优选为余量；在本发明提供的另一个实施例中，所述镍硅合金具体可为Ni-5Si。在本发明提供的一个实施例中，所述钛铝合金的铝含量优选为1～5wt％，具体可为1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％或5wt％，所述钛铝合金的钛含量优选为余量；在本发明提供的另一个实施例中，所述钛铝合金具体可为Ti-3Al。在本发明提供的一个实施例中，所述骨架组分包括纯金属和合金，所述纯金属和合金的质量比优选为1：(5～15)，具体可为1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1:11、1:12、1:13、1:14或1:15。在本发明中，所述骨架组分的粒径优选为0.1～200μm，具体可为0.1μm、0.5μm、1μm、3μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、170μm或200μm。

在本发明中，所述六方氮化硼和骨架组分的质量比优选为1：(2～150)，具体可为1:2、1:2.5、1:3、1:3.5、1:4、1:4.5、1:5、1:5.5、1:6、1:6.5、1:7、1:7.5、1:8、1:8.5、1:9、1:9.5、1:10、1:15、1:20、1:25、1:30、1:35、1:40、1:45、1:50、1:55、1:60、1:65、1:70、1:75、1:80、1:85、1:90、1:95、1:100、1:105、1:110、1:115、1:120、1:125、1:130、1:135、1:140、1:145或1:150。

在本发明中，所述低烧损可磨耗涂层材料的形态包括但不限于粉末材料、线材、棒材或悬浮液。其中，当所述低烧损可磨耗涂层材料为粉末材料、线材或棒材时，所述低烧损可磨耗涂层材料的组分中还包括粘结剂，所述粘结剂包括但不限于聚乙烯醇和/或水玻璃；所述聚乙烯醇的数均分子量优选为50000～100000，具体可为50000、55000、60000、65000、70000、75000、77000、80000、85000、90000、95000或100000；所述水玻璃的模数优选为2～3，具体可为2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9或3，所述水玻璃的密度优选为1～2g/cm³，具体可为1g/cm³、1.1g/cm³、1.2g/cm³、1.3g/cm³、1.4g/cm³、1.5g/cm³、1.6g/cm³、1.7g/cm³、1.8g/cm³、1.9g/cm³或2g/cm³；所述粘结剂的用量优选为所述可磨耗组分和骨架组分总质量的2～8wt％，具体可为2wt％、2.5wt％、3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％或8wt％。在本发明中，当所述低烧损可磨耗涂层材料为悬浮液时，所述低烧损可磨耗涂层材料的组分中还包括溶剂，所述溶剂包括但不限于磷酸二氢铝水溶液，所述磷酸二氢铝水溶液的浓度优选为40～70wt％，具体可为40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％或70wt％，所述溶剂的用量优选为涂层材料中固体组分总质量的3～6倍，具体可为3倍、3.5倍、4倍、4.5倍、5倍、5.5倍或6倍。在本发明中，当所述低烧损可磨耗涂层材料为悬浮液时，所述低烧损可磨耗涂层材料的组分中优选还包括云母粉，所述云母粉的作用为进一步提高涂层的可磨耗性，所述云母粉的粒径优选为1～20μm，具体可为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm；所述云母粉和六方氮化硼的质量比优选为(0.5～2)：1，具体可为0.5:1、1:1、1.5:1或2:1。

本发明对所述低烧损可磨耗涂层材料的制备方法没有特别限定，采用本领域技术人员熟知的工艺进行制备即可，若制备粉末材料，可采用机械混合、机械包覆或团聚复合工艺制备；若制备线材或棒材，可采用冷粘挤出工艺制备；若制备悬浮液，可采用溶剂搅拌的方式制备。

本发明选择了具有特定石墨化指数和形貌的六方氮化硼作为可磨耗组分，当hBN的石墨化指数在0.7～2.0范围内，其具有适中的晶型完整性和位错密度，一方面能提高hBN的热稳定性、降低其烧损，另一方面能提高hBN的变形能力，使其更容易通过机械钳合作用沉积在涂层中；而片层状的hBN形貌可在热喷涂过程中实现片层hBN颗粒边缘微熔，使其具备一定的粘合作用，从而使hBN更容易沉积在涂层中。在本发明提供的优选技术方案中，选择纯度≥99.0％的hBN，高纯度能够确保hBN在热喷涂高温焰流中不易氧化烧损，从而进一步提升hBN的沉积率。本发明提供的涂层材料可以有效降低氮化硼在热喷涂过程中的损失，提高涂层中氮化硼组分含量，从而提高涂层的可磨耗性，在航空发动机和燃气轮机中有广阔应用前景。

本发明还提供了一种可磨耗涂层，由上述技术方案所述的低烧损可磨耗涂层材料经热喷涂后形成。其中，所述热喷涂的方式包括但不限于等离子喷涂或火焰喷涂。本发明提供的可磨耗涂层由本发明提供的低烧损可磨耗涂层材料制成，涂层中的氮化硼组分含量高，可磨耗性优异，在航空发动机和燃气轮机中有广阔应用前景。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

实施例1

步骤一：选取石墨化指数为1.4，纯度99.6％，一次粒径3～20μm的片层状hBN为原料，其微观形貌如图1所示；

步骤二：按9：1：1的质量比例配置Ni-15Cr-10Fe(粒径45～105μm)、Al(粒径0.1～3μm)和hBN的粉末混合物，搅拌均匀；

步骤三：加入占步骤二物料总重量3％的聚乙烯醇(数均分子量77000)作为粘结剂，采用机械包覆工艺制备镍基氮化硼复合粉末。

对比例1

参照实施例1，其区别仅在于选取石墨化指数为3.0，纯度99.6％，一次粒径1～10μm的团聚颗粒状与片层状混杂hBN为原料，其微观形貌如图2所示，制备得到镍基氮化硼复合粉末。

实施例2

步骤一：选取石墨化指数为1.8，纯度99.6％，一次粒径6～30μm的片层状hBN为原料；

步骤二：按4：1的质量比例配置Al-12Si(粒径3～45μm)和hBN的粉末混合物，搅拌均匀；

步骤三：加入占步骤二物料总重量5％的聚乙烯醇(数均分子量77000)作为粘结剂，采用机械包覆工艺制备铝硅氮化硼复合粉末。

对比例2

参照实施例2，其区别仅在于选取石墨化指数为3.4，纯度99.6％，一次粒径3～10μm的片层状hBN为原料，制备得到铝硅氮化硼复合粉末。

实施例3

步骤一：选取石墨化指数为2.0，纯度99.5％，一次粒径3～20μm的片层状hBN为原料；

步骤二：按5：1：1的质量比例配置Ni-5Si(粒径1～45μm)、hBN和石墨(粒径5～38μm)的粉末混合物，搅拌均匀；

步骤三：加入占步骤二物料总重量8％的水玻璃(模数2.4、密度1.3g/cm³)作为粘结剂，采用冷粘挤出工艺制备镍硅氮化硼复合喷涂棒材，棒材直径4.75mm，长度400～600mm。

对比例3

参照实施例3，其区别仅在于选取石墨化指数为2.4，纯度99.6％，一次粒径3～10μm的片层状hBN为原料，制备得到镍硅氮化硼复合喷涂棒材。

实施例4

步骤一：选取石墨化指数为1.1，纯度99.7％，一次粒径3～20μm的片层状hBN为原料；

步骤二：按6：1：1的质量比例配置Ti-3Al(粒径5～25μm)、hBN和云母(粒径3～10μm)的粉末混合物，搅拌均匀；

步骤三：加入占步骤二物料总重量4倍的磷酸二氢铝水溶液(浓度50wt％)作为溶剂，搅拌均匀配置成悬浮液喷涂材料。

对比例4

参照实施例4，其区别仅在于选取石墨化指数为3.5，纯度99.6％，一次粒径0.2～15μm的团聚颗粒状与片层状混杂hBN为原料，制备得到镍硅氮化硼复合喷涂棒材。

性能测试

1)实施例1与对比例1的性能比较：

采用Metco 6P-II火焰喷枪制备涂层，粉末材料分别按实施例1和对比例1方法制备，喷涂条件如表1所示：

表1 Metco 6P-II火焰喷枪喷涂条件

实施例1粉末制备涂层中hBN含量8.6％、涂层硬度56 HR15Y、涂层结合强度4.6MPa，将涂层与GH4169材质叶片在600℃、叶尖线速度300m/s、叶尖进给速率50μm/s、进给深度500μm条件下进行对磨，涂层对叶片的磨损量为0.02mm，涂层可磨耗性优异。

对比例1粉末制备涂层中hBN含量4.9％、涂层硬度62HR15Y、涂层结合强度5.1MPa，将涂层与GH4169材质叶片在600℃、叶尖线速度300m/s、叶尖进给速率50μm/s、进给深度500μm条件下进行对磨，涂层对叶片的磨损量为0.14mm，涂层可磨耗性较差。

2)实施例2与对比例2的性能比较：

采用Metco F4等离子喷枪制备涂层，粉末材料分别为按实施例2和对比例2方法制备，喷涂条件如表2所示：

表2 Metco F4等离子喷枪喷涂条件

实施例2粉末制备涂层中hBN含量16.7％、涂层硬度58 HR15Y、涂层结合强度11.2MPa，将涂层与TC4材质叶片在450℃、叶尖线速度300m/s、叶尖进给速率50μm/s、进给深度500μm条件下进行对磨，涂层对叶片的磨损量为0.06mm，涂层可磨耗性优异。

对比例2粉末制备涂层中hBN含量13.2％、涂层硬度67 HR15Y、涂层结合强度8.2MPa，将涂层与TC4材质叶片在450℃、叶尖线速度300m/s、叶尖进给速率50μm/s、进给深度500μm条件下进行对磨，涂层对叶片的磨损量为0.18mm，涂层可磨耗性较差。

3)实施例3与对比例3的性能比较：

采用圣戈班Rokide棒材火焰喷涂系统制备涂层，喷涂棒材分别为按实施例3和对比例3方法制备，喷涂条件如表3所示：

表3圣戈班Rokide棒材火焰喷涂系统喷涂条件

实施例3棒材制备涂层中hBN含量12.1％、涂层硬度62 HR15Y、涂层结合强度4.5MPa，将涂层与GH4169材质叶片在400℃、叶尖线速度300m/s、叶尖进给速率50μm/s、进给深度500μm条件下进行对磨，涂层对叶片的磨损量为0.02mm，涂层可磨耗性优异。

对比例3棒材制备涂层中hBN含量8.7％、涂层硬度74 HR15Y、涂层结合强度4.9MPa，将涂层与GH4169材质叶片在400℃、叶尖线速度300m/s、叶尖进给速率50μm/s、进给深度500μm条件下进行对磨，涂层对叶片的磨损量为0.07mm，涂层可磨耗性较差。

4)实施例4与对比例4的性能比较：

采用Metco 3MB悬浮液等离子喷枪制备涂层，喷涂悬浮液分别为按实施例4和对比例4方法制备，喷涂条件如表4所示：

表4 Metco 3MB悬浮液等离子喷枪喷涂条件

喷枪型号	3MB Sulzer Metco
		氩气流量slm	30
氦气流量slm	30
		送液速率g/min	10
功率kW	24
		注射器直径μm	200
喷涂距离mm	60

实施例4棒材制备涂层中hBN含量9.4％、涂层硬度42 HR15Y、涂层结合强度3.4MPa，将涂层与TC4材质叶片在200℃、叶尖线速度300m/s、叶尖进给速率50μm/s、进给深度500μm条件下进行对磨，涂层对叶片的磨损量为0.03mm，涂层可磨耗性优异。

对比例4棒材制备涂层中hBN含量6.5％、涂层硬度57 HR15Y、涂层结合强度2.6MPa，将涂层与TC4材质叶片在200℃、叶尖线速度300m/s、叶尖进给速率50μm/s、进给深度500μm条件下进行对磨，涂层对叶片的磨损量为0.09mm，涂层可磨耗性较差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。