化学复杂的陶瓷可磨耗密封剂材料制造技术

提供了化学复杂的氧化物粉末，其形成用于涡轮发动机的可磨耗密封剂涂层。该化学复杂的氧化物的主要性质优点包括低的抗磨蚀性和在涡轮发动机中的叶片及迷宫式密封刀口上减少的磨损。次要性质优点包括改善的热性质、优异的抗烧结性、优异的相稳定性和高的抗化学侵蚀性。性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】化学复杂的陶瓷可磨耗密封剂材料
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求2021年3月17日提交的美国临时申请第63/162,228号的权益和优先权，通过引用将该临时申请的公开内容以其整体明确并入本文。
[0003]专利技术背景
[0004]1.公开领域
[0005]本公开涉及具有高熵氧化物(HEO)的热喷涂材料原料以及用以提高涡轮发动机的高温区域中的发动机效率的可磨耗密封剂涂层。
[0006]2.背景信息
[0007]在涡轮机中使用可磨耗密封材料(abradable seal)，以减少旋转组件(例如叶片和迷宫式密封刀口)与发动机外壳之间的间隙。减少旋转组件与发动机外壳之间的间隙改善了涡轮发动机的效率，降低了燃料消耗，并通过消除叶片与发动机外壳之间灾难性接触的可能性来降低间隙安全裕度。通过将可磨耗涂层施加到固定部件(发动机外壳)上来产生可磨耗密封，其在操作期间在与旋转组件(例如叶片或刀口)的尖端接触时磨除。该过程在叶片尖端与内部发动机壳体之间几乎不提供间隙。
[0008]常规的热喷涂粉末产生用于间隙控制应用的可磨耗涂层，其中旋转组件可能由于设计意图或操作激增而接触涂层。将涂层设计为通过在密封区域中提供间隙控制来使对旋转组件的磨损最小化，同时使气体路径效率最大化。取决于各种发动机的发动机部分中所需的操作条件，常规的可磨耗密封材料可以是氧化物陶瓷或基于铝、铜、钴和/或镍的金属合金。在发动机的热部分中，常规的可磨耗密封材料通常包括经稀土氧化物(例如氧化钇、氧化镱和/或氧化镝)稳定的基于氧化锆的陶瓷。这些涂层概念将高温陶瓷的所需性质与聚合物材料相结合，以在涂层中产生孔隙(例如Metco 2395，其是8YSZ+4.5重量％聚酯+0.7重量％hBN；或M2460NS，其是8YSZ+4.0重量％聚酯)。这些涂层适应于对裸露的无尖端镍合金叶片或有尖端的镍合金涡轮叶片的摩擦侵入(rub incursion)。
[0009]为了减少叶片磨损，必须改变陶瓷可磨耗涂层的机械性质，以致陶瓷容易被叶片切削而不引起显著的叶片磨损。常规的陶瓷可磨耗涂层采用高孔隙率或填料相，这降低了涂层的整体抗磨蚀性和硬度，以允许切削可磨耗涂层。
[0010]概述
[0011]本公开提供了一种热喷涂材料原料，其形成具有超低抗磨蚀性(优异的磨耗性能)、高热稳定性和化学惰性的涂层。将高熵氧化物用于基于陶瓷的可磨耗密封剂材料改善了基于陶瓷的可磨耗涂层的切削性能并消除了对以下元件的磨损损坏：(1)镍合金涡轮叶片(例如航空发动机的涡轮部分或陆基燃气涡轮发动机和陆基蒸汽涡轮发动机)，和(2)有尖端的镍合金涡轮叶片(例如航空发动机的涡轮部分或陆基燃气涡轮发动机和陆基蒸汽涡轮发动机)。由高熵氧化物制备的陶瓷可磨耗涂层的使用还改善了热稳定性和抗烧结性，这导致更高的使用温度。对氧化钙
‑
氧化镁
‑
铝
‑
硅酸盐(calciamagnesiaalumino
‑
silicate)(CMAS)造成的化学侵蚀的抵抗性也是HEO所展现出的所需性质。基于HEO的陶瓷可磨耗密封剂材料的另一个优点在于，归因于它们的脆性性质，对于在涂层结构中产生高孔隙率水平
和实现优异的磨耗性性能而言不必需使用聚酯作为短暂相(fugitive phase)。
[0012]将“优异的磨耗性能”定义为导致低的叶片磨损损害。
[0013]按以下两种方式之一来定义“叶片磨损损坏”：(1)通过在基于指定的8重量％氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)聚酯(Metco 2395和Metco 2460NS)、48重量％氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)聚酯(Metco2461A)、氧化镝稳定的氧化锆(DySZ)聚酯(Durabrade2192)、氧化镱锆酸盐(Ytterbia zirconate)聚酯(Durabrade 2198)和氧化镁
‑
铝酸盐尖晶石(Magnesia aluminate spinel)(Metco2245)的可磨耗涂层中的陶瓷材料组分(引起的)叶片材料的二体磨料磨损，和(2)起因于涡轮机中由严重摩擦侵入条件造成的叶片材料的过度加热的严重磨损损害，和/或在极高本体硬度条件下热喷涂可磨耗涂层。
[0014]严重磨损损坏的实例包括加热时软化的叶片材料、极端的本体塑性变形、以及断裂。严重磨损损坏的其它实例包括起因于由摩擦引起的加热的叶片材料的氧化。严重磨损损坏的进一步实例包括叶片材料(主要限于钛合金)的燃烧。严重磨损损害的甚至进一步的实例包括归因于极端的叶片切削力的叶片材料破裂，所述极端的叶片切削力起因于对具有高于规定硬度的可磨耗护罩的低效切削。
[0015]本公开的示例性实施方案涉及包括化学复杂的或“高熵”氧化物(HEO)作为可磨耗密封涂层的热喷涂材料原料。HEO允许精确控制用于特定环境中的化学、机械和热性质。在实施方案中，本公开的HEO在稳定化的氧化锆涂层中不包含任何主要成分氧化物，例如氧化锆。在实施方案中，可磨耗密封涂层以>5摩尔％的高浓度含有至少五种主要氧化物成分。
[0016]在示例性实施方案中，可磨耗密封涂层包括具有五种或更多种阳离子的混合物的子晶格和至少一种包含氧的子晶格。五种或更多种阳离子的随机排序提供了具有高构型熵(S
config
)的材料。五种或更多种元素的包含还提供了改变相组成以提高特定环境中的磨耗性和耐化学品性的能力。此外，五种或更多种元素的包含导致单独相的高构型熵，这导致了提高的热稳定性。还可以通过包含特定成分来改变热性质(例如热导率)，以实现优异的性能。
[0017]HEO具有大的晶格畸变和其它缺陷浓度，这导致低热导率。归因于它们特征性的低热导率，已经调查研究了HEO作为涡轮发动机中的热障涂层；但是，从未研究过HEO作为可磨耗密封涂层的用途。
[0018]本公开提供了一类新的陶瓷可磨耗密封组合物，其展现出改善的摩擦侵入性能(rub incursion behavior)(磨耗性能)。取决于所采用的HEO的类型，在本公开的可磨耗密封涂层中可以获得改善的热性质、优异的抗烧结性、优异的相稳定性、良好的热循环性能和抗化学侵蚀(例如被CMAS化学侵蚀)性。
[0019]详述
[0020]在一个实施方案中，氧化物陶瓷用作密封剂材料或可磨耗密封材料。在示例性实施方案中，由通式M
x
O
y
表示氧化物陶瓷的整体组合原子组成，其中M选自其量大于5摩尔％的至少五种不同的形成氧化物的金属阳离子。M
x
O
y
是标准的冶金学简写。例如，碳化物(Cr,Mo,W,Fe)
23
C6通常被称为M
23
C6，且(TiNbTaZrHf)C被称为MC。类似地，可使用M
x
O
y
来描述氧化物(Zr,Ce,Y,Yb,Gd,Dy)
x
O
y
，其中“M本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.热喷涂材料原料，其包含：具有抗氧化钙
‑
氧化镁
‑
氧化铝
‑
硅酸盐(CMAS)性的氧化物，其中当所述氧化物与具有1110℃至1125℃的低熔融温度的CMAS在1250℃下反应8小时时，所述氧化物展现出100μm或更低的CMAS渗透深度。2.权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中所述氧化物是高熵氧化物(HEO)。3.权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中所述氧化物包含：5
‑
14重量％的碱土金属氧化物；35
‑
70重量％的稀土金属氧化物；6
‑
20重量％的Y2O3；和余量的ZrO2。4.权利要求1所述的热喷涂材料原料，其中所述氧化物包含：5
‑
9重量％的碱土金属氧化物；41
‑
63重量％的稀土金属氧化物；15
‑
24重量％的Y2O3；和余量的ZrO2。5.权利要求3所述的热喷涂材料原料，其中所述碱土金属氧化物是CaCo3、CaO或MgO中的至少一种。6.权利要求3所述的热喷涂材料原料，其中所述稀土金属氧化物是Yb2O3、Gd2O或Sm2O3中的至少一种。7.权利要求4所述的热喷涂材料原料，其中所述碱土金属氧化物是MgO。8.权利要求4所述的热喷涂材料原料，其中所述稀土金属氧化物是1
‑
2重量％La2O3和24
‑
38重量％Gd2O3中的至少一种。9.权利要求1所述的热喷涂材料原料，其包含2重量％以下的La2O3或La的其它来源。10.权利要求1所述的热喷涂材料原料，其包含55重量％或更低的包含Hf
‑
氧化物、Ta
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氧化物、Dy
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氧化物、Nb
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氧化物、Nd
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氧化物、Gd
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氧化物和Y
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氧化物中的至少一种的昂贵氧化物总含量。11.权利要求4所述的热喷涂材料原料，其包含55重量％或更低的包含Y2O3和Gd2O3中的至少一种的昂贵氧化物总含量。12.制造可磨耗密封涂层的方法，其包括：将权利要求1所述的热喷涂材料原料等离子喷涂到涡...

【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：欧瑞康美科美国公司，
类型：发明
国别省市：