專利名稱：含氧化鋁摻雜劑的陶瓷耐磨材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于高溫應(yīng)用的陶瓷間隙控制(耐磨的(abradable))材料，而且尤其涉及一種摻雜氧化鋁的陶瓷耐磨材料，與其他可商購的陶瓷耐磨材料相比，通過添加氧化鋁為該耐磨材料在抗侵蝕(erosion)方面帶來顯著提高。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)通常有多種應(yīng)用，包括航空器引擎和運(yùn)行溫度可能在1000-1200攝氏度和更高范圍內(nèi)的多種其他工業(yè)應(yīng)用。燃?xì)廨啓C(jī)是一種內(nèi)燃機(jī)，一般由空氣壓縮機(jī)、燃燒室和由燃燒的膨脹制品轉(zhuǎn)動的渦輪葉輪構(gòu)成。它主要通過內(nèi)燃將流體燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行效率隨著運(yùn)行溫度的升高而增加，這樣能將部件置于增強(qiáng)的壓力下，同時使這些部件經(jīng)受熱膨脹。
為了最大化渦輪發(fā)動機(jī)的運(yùn)行效率，比較理想的是將渦輪葉片尖端與外罩或外殼間的間隙最小化。為了提供理想的運(yùn)行速率，過大的間隙會導(dǎo)致很低的燃料效率，而過小的間隙又有渦輪葉片尖端與外罩接觸而導(dǎo)致部件損壞的危險。為了解決這個問題，常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)包括一種應(yīng)用于外罩和/或密封表面的耐磨涂層或密封。這些耐磨涂層或密封可受到旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片的切削但不損壞渦輪葉片。此外，耐磨涂層或密封必須對由在渦輪中的固體小顆粒和高氣體流速造成的侵蝕保持抗蝕性。侵蝕(erosion)指小顆粒流造成的磨損(wear)，類似于磨料磨損(abrasive wear)。
耐磨涂層或密封也必須具有良好的耐磨性、抗碎裂性、低透氣性、平滑的表面、良好的老化性能和長期的抗氧化性。
常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)可利用多孔陶瓷耐磨材料，如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)(8wt％Y2O3，余量ZrO2)。盡管這種YSZ材料適合用作耐磨材料，但它們相對易碎且容易受侵蝕磨損效應(yīng)的影響。因此，對于具有可接受的耐磨性能和抗侵蝕性的優(yōu)良的耐磨材料來說，有一種持續(xù)的需求以使得容許間隙(tolerance)能被進(jìn)一步優(yōu)化來實現(xiàn)效率和性能的提高。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及一種陶瓷耐磨材料，用于控制適合工業(yè)和/或航空應(yīng)用的燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)渦輪葉片尖端與外殼或外罩間的間隙。本發(fā)明的陶瓷耐磨材料是一種軟性耐磨材料，用于提供更強(qiáng)的抗侵蝕性，同時增強(qiáng)渦輪葉片尖端切入耐磨材料而不致葉片受損的能力。這些特性考慮到了(allow for)燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)可產(chǎn)生優(yōu)良效率和性能的最佳容許間隙。
本發(fā)明提供一種陶瓷耐磨材料，其包含一種摻雜氧化鋁(Al2O3)的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)。在本發(fā)明的一個實施方案中，將約0.5到1重量％的氧化鋁加入標(biāo)準(zhǔn)氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(如，約8重量％Y2O3，余量ZrO2)。本發(fā)明的耐磨材料組合物與常規(guī)YSZ耐磨材料相比，表現(xiàn)出抗固體顆粒及高氣體流速的侵蝕性的4到5倍的提高。
本發(fā)明的實施方案中，也提供摻雜氧化鋁的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組合物用于密封燃?xì)廨啓C(jī)的部件的應(yīng)用。這包括應(yīng)用該耐磨材料作為渦輪葉片與容納燃?xì)廨啓C(jī)的外罩或外殼之間的密封。
因此，本發(fā)明提供一種陶瓷耐磨材料，具有優(yōu)良的抗侵蝕性、耐磨性、抗碎裂性、低透氣性、平滑的表面、良好的老化性能和長期的抗氧化性。


所包括的附圖提供對本發(fā)明進(jìn)一步的理解，并被引入且構(gòu)成本說明書的一部分。附圖舉例說明本發(fā)明的實施方案并與本說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。圖中 圖1舉例說明使用本發(fā)明耐磨材料的燃?xì)廨啓C(jī)一部分的橫斷面視圖； 圖2顯示表面應(yīng)用了保護(hù)性立方氮化硼侵蝕涂層的葉片尖端表面； 圖3舉例說明用于測試本發(fā)明實施方案中的陶瓷耐磨材料的測試設(shè)備； 圖4舉例說明一種用于評估陶瓷耐磨材料對立方氮化硼的耐磨性能的一般試驗矩陣(matrix)或“磨損圖”； 圖5舉例說明本發(fā)明一個實施方案中摻雜氧化鋁的陶瓷耐磨材料組合物與常規(guī)材料的對比； 圖6提供所選耐磨密封材料的葉片磨損和抗侵蝕性的對比圖；以及 圖7提供根據(jù)本發(fā)明一個實施方案形成用于耐磨涂層的粉末的方法之流程圖。
具體實施例方式將詳細(xì)參考本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，附圖舉例說明了其中的例子。
圖1舉例說明燃?xì)廨啓C(jī)一部分的橫斷面視圖。圖1顯示固定于葉根130和盤140的葉片120。驅(qū)動盤140以便把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳給葉片120。葉片120也有一個可由磨蝕材料(abrasive material)，例如嵌入一種抗蠕變合金基體的立方氮化硼(cBN)制成的磨蝕尖端170。圖1也顯示起到覆蓋或容納全部燃?xì)廨啓C(jī)作用的外罩部分110或外殼。耐磨密封(材料)150配備于葉片120的磨蝕尖端170和外罩部分110之間。本發(fā)明的耐磨密封(材料)150含有摻雜0.5到1重量％氧化鋁的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。用于本發(fā)明實施方案中的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯一般可在約6-9重量％Y2O3，余量為ZrO2的范圍內(nèi)。下面的測試結(jié)果和說明指的是使用具有約8重量％Y2O3和余量為ZrO2的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯的實施方案。
運(yùn)行中，旋轉(zhuǎn)動作由盤140傳給葉片120。葉片在高溫環(huán)境以非常高的旋轉(zhuǎn)速率運(yùn)行。為了將效率和性能最大化，葉片120與外罩部分110之間的容許間隙非常小而且精確。葉片120的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致磨蝕尖端170與耐磨密封150反復(fù)接觸。磨蝕尖端170能切入到防止葉片120或外罩部分110損壞的耐磨密封150中。本發(fā)明的耐磨密封150也對可能由固體小顆粒和高氣體流速導(dǎo)致的侵蝕具有抵抗性。
圖2顯示表面應(yīng)用常規(guī)保護(hù)性立方氮化硼磨蝕涂層25的常規(guī)葉片尖端35的表面。磨蝕涂層25材料可以是，例如一種可商購的cBN材料。如圖2所示的葉片尖端35和磨蝕涂層25已經(jīng)進(jìn)行過抗本發(fā)明實施方案的氧化鋁摻雜的陶瓷耐磨材料的侵入(incursion)試驗。葉片尖端35和磨蝕涂層25顯示因與由本發(fā)明實施方案中的陶瓷耐磨材料制成的外殼涂層接觸而無損壞。
圖3舉例說明用于測定本發(fā)明實施方案中陶瓷耐磨材料的測試臺300。一般來講，測試臺300包括轉(zhuǎn)子310、活動樣本臺320和加熱設(shè)備330。如圖3中所示，轉(zhuǎn)子盤310被絕緣外罩315所覆蓋，這考慮到加熱設(shè)備330的火焰燃燒產(chǎn)生的熱氣的再循環(huán)。所提供的葉片或刀片318在每個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)保持在絕緣的熱環(huán)境中。陶瓷耐磨材料360可被加熱到1200攝氏度，在尖端速率達(dá)到410m/s時測試抗葉片318的侵入，侵入速率范圍在2到2000微米每秒之間。測試臺模擬燃?xì)廨啓C(jī)的條件而且可分析耐磨材料360上的磨損。
圖4舉例說明一般的試驗矩陣或“磨損圖”，用于根據(jù)本發(fā)明在不同葉片尖端速率和侵入速率，耐磨材料的侵入測試。磨損圖所列舉的測試條件給出了一般在航空或電力輪機(jī)中通?？赡苡龅降臉?biāo)準(zhǔn)葉片尖端入條件的概觀。
圖5提供本發(fā)明實施方案的耐磨材料(圖5中名為“摻雜Al2O3”的材料)與常規(guī)陶瓷耐磨材料(可商購的來自Sulzer Metco公司的SM 2460和XPT 395)的對比說明。如前所述，本發(fā)明的耐磨材料提供優(yōu)良的抗侵蝕性，這一點(diǎn)結(jié)合圖6進(jìn)行了進(jìn)一步討論。
圖6提供對使用常規(guī)陶瓷耐磨材料(SM 2460和XPT 395)和本發(fā)明實施方案中的材料(特指圖中“摻雜Al2O3”的材料)的外殼密封的測試中的葉片磨損度和抗侵蝕性能的對比圖。根據(jù)上述關(guān)于圖3概括的程序測試每種材料的外殼涂層，并如圖6所示繪圖。一般來說，這些數(shù)據(jù)顯示，利用標(biāo)準(zhǔn)侵蝕測試，使用本發(fā)明實施方案的材料使涂層對固體顆粒的抗侵蝕性提高4至5倍之多，不會損害耐磨性。每種涂層的耐磨性由侵入測試后受到的葉片磨損量表示。根據(jù)葉片尖端在測試中經(jīng)受的總侵入距離的百分比來測量葉片磨損。對于圖6所示的三種耐磨涂層，葉片磨損百分?jǐn)?shù)或略呈正性，即材料已經(jīng)從葉片尖端被磨掉，或呈負(fù)性，即材料已在切削過程中被從陶瓷耐磨材料轉(zhuǎn)移至葉片尖端，因此讓葉片得到“增長”。在抗侵蝕性方面，大于1.0sec/mil的GE侵蝕值表示一臺發(fā)動機(jī)有可接受的抗侵蝕性能。標(biāo)準(zhǔn)耐磨材料XPT 395和SM2460分別具有1.2和0.7sec/mil的GE侵蝕值。摻雜氧化鋁的耐磨材料因6.3sec/mil的GE侵蝕值而具有高得多的抗侵蝕性能，結(jié)合其相當(dāng)?shù)哪湍バ?，可得到一種比兩種標(biāo)準(zhǔn)耐磨材料性能更好的產(chǎn)品。
一般來說，可以許多常規(guī)形式提供本發(fā)明實施方案中的材料，如部分穩(wěn)定的粉末形式，如單獨(dú)成分燒結(jié)的聚結(jié)粉末，如部分穩(wěn)定粉末的漿料，或者如化學(xué)溶液。參照圖7，提供形成用于耐磨涂層的粉末的方法700。一般來說，可以通過常規(guī)噴霧干燥工藝制造本發(fā)明的耐磨材料組合物，其中步驟705中，按照前述重量百分比混合氧化釔、氧化鋯和氧化鋁。步驟710中，可將這些材料與粘合劑、水及消泡劑一同混入混合槽?？蓪a(chǎn)生的混合物泵入混合槽并通過噴嘴以產(chǎn)生液滴。步驟715中，將微滴噴入高溫環(huán)境蒸餾出水分，剩下微粒聚結(jié)形成本發(fā)明的前體噴霧干燥粉末。步驟720中，耐磨材料粉末可接著經(jīng)歷進(jìn)一步球化(spherodizing，HOSP)工藝，其中將上述顆粒通過一個重型等離子區(qū)供給，該等離子區(qū)可將該材料熔合以生產(chǎn)空心陶瓷球形顆粒，這種顆粒是一種粉末前體成分的固溶體。
耐磨材料應(yīng)用前，在步驟725中可篩選經(jīng)過HOSP的顆粒并將其與孔隙生成相(如，聚酯)混合在一起，然后利用等離子熱噴涂工藝將其沉淀于外殼密封部分。可以利用熱噴涂方法，在與相關(guān)美國專利申請No.6,887,530和5,530,050所述的組合物類似的組合物中應(yīng)用所得的耐磨材料。例如在一個實施方案中，混合粉末可含有摻雜氧化鋁的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組分和涂有陶瓷的塑料組分。涂有陶瓷的塑料組分通過下列方法制成用塑芯顆粒摩擦碾磨陶瓷微細(xì)顆粒，使陶瓷細(xì)微顆粒在不使用粘合劑的情況下粘合于塑芯表面。另一個實施方案中，摻雜氧化鋁的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯組分可與固體潤滑劑和用于形成三相耐磨密封的基體成形金屬合金相結(jié)合。有些可商購的陶瓷耐磨材料也利用了六方晶體氮化硼“錯位劑(dislocator)”相的用途，在葉片尖端侵入涂層微觀結(jié)構(gòu)，如，XPT 395過程中有助于清除顆粒。相似的技術(shù)也可用于本發(fā)明的一些方面。
雖然本發(fā)明的典型實施方案在此已經(jīng)說明和描述，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，顯然這樣的實施方案僅僅是以舉例的方式提供的。只要未偏離本申請人在此公開的本發(fā)明范圍，大量非實質(zhì)性變化、改動和取代對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將很明顯。因此，本發(fā)明只受被允許的權(quán)利要求書的精神和范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種耐磨陶瓷密封材料，其含有摻雜氧化鋁(Al2O3)的氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)。
2.權(quán)利要求1的材料，其中該材料包含約0.5到1重量％的氧化鋁。
3.權(quán)利要求2的材料，其中該材料包含約6-9重量％的氧化釔；和余量為氧化鋯，附帶的組分和雜質(zhì)。
4.權(quán)利要求2的材料，其中該材料包含約8重量％的氧化釔；和余量為氧化鋯，附帶的組分和雜質(zhì)。
5.權(quán)利要求2的陶瓷材料，其中可以部分穩(wěn)定的粉末形式，如單獨(dú)成分的聚結(jié)粉末，如部分穩(wěn)定粉末的漿料，或者如化學(xué)溶液提供該材料。
6.一種燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，包括至少一個渦輪葉片；固定于該至少一個渦輪葉片頂面上的磨蝕尖端；容納至少一個渦輪葉片的外殼；以及沉淀于該至少一個渦輪葉片和該外殼間的耐磨密封，其中該耐磨密封包含摻雜0.5到1重量％氧化鋁的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯。
7.權(quán)利要求6的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其中所述氧化釔穩(wěn)定氧化鋯包含約6-9重量％的氧化釔；和余量為氧化鋯，附帶的組分和雜質(zhì)。
8.權(quán)利要求6的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其中所述氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯包含約8重量％的氧化釔；和余量為氧化鋯，附帶的組分和雜質(zhì)。
9.一種形成用于耐磨涂層的粉末的方法，包括提供一種摻雜0.5到1重量％氧化鋁的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯材料；將該材料與粘合劑、水和消泡劑混合形成一種混合物；和在足夠高的溫度中噴涂上述混合物的液滴，以便蒸餾出水分并形成微粒。
10.權(quán)利要求9的方法，還包括將上述顆粒經(jīng)過等離子球化工藝以生產(chǎn)空心陶瓷球形顆粒的步驟。
11.權(quán)利要求10的方法，還包括將上述顆粒與孔隙生成相混合的步驟。
12.在外殼上應(yīng)用耐磨密封的方法，包括將孔隙生成材料與陶瓷球形顆?；旌?，該陶瓷球形顆粒為一種摻雜0.5到1重量％氧化鋁的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯的固溶體；利用等離子熱噴涂方法將混合后的材料施加于外殼密封部分上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種耐磨陶瓷密封材料，其含有摻雜氧化鋁(Al
文檔編號F01D11/08GK1880276SQ20061009962
公開日2006年12月20日 申請日期2006年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月16日
發(fā)明者A·尼科爾, S·威爾遜 申請人:蘇舍美特科(美國)公司