本发明涉及一种轻质阻燃可磨耗封严涂层材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术：
航空工业的迅速发展对航空发动机提出了越来越高的要求，大推力、高效率、低油耗已成为发动机设计和制造的总体目标。为此应尽量提高涡轮机进口气体温度，并减小转子与静子部件之间的间隙。受材料使用温度的限制，提高涡轮机进口气体温度是有限的，因而减小压气机、涡轮机叶尖与机匣之间间隙的气路封严技术就成为提高发动机性能的重要手段。理想的封严涂层应具有较好的表面质量、优良的热稳定性、较小的摩擦系数以及良好的与基体材料的附着性能，而且应有足够的强度抵抗外部颗粒及气流的冲蚀，又可被刮削，在叶片与涂层发生摩擦接触时，涂层被刮削而叶片尖端不磨损，涂层不脱落。
与金属封严材料相比，非金属封严材料能够更好地保护与此配合的转动件免于磨损，延长发动机的使用寿命。特别是随着大涵道比发动机的研制，在低温段的风扇/增压级部分的封严涂层由于尺寸较大，现有的金属封严涂层在工艺及应用需求方面不能满足大涵道比发动机使用要求，而非金属封严材料由于密度小、成型工艺简单，零件变形较小，维修性好等优点获得广泛应用，如国外的3mec3524封严材料以空心玻璃珠为填充材料，具有极低的密度0.52~0.54g/m3，生产和涂敷工艺简单，维修性好，目前正被广泛使用。
目前，国内使用的封严材料基本以热喷涂的金属及陶瓷复合的封严涂层为主，主要应用在发动机高压压气机及高压涡轮部位的高温部件。针对低压压气机及风扇部位使用的非金属封严涂层材料开展的研究工作相对较少。中国科学院兰州化学物理研究所研制的hs-100可磨耗滑石粉涂层材料，主要用于航空发动机压气机匣封严环和静子半环以及某些轴套等部位，该材料性能稳定，实际使用效果良好，但是固化温度要求达到180℃。在此基础上，研制的hs-200（面层）及hs-201（底胶）滑石粉填充可磨耗涂料，可在室温下固化，材料性能更为优异，并已在现有型号上批量使用。这两种可磨耗涂料相比3mec3524密度偏大，都在1.5~1.9g/m3之间。
随着我国大涵道比发动机的研制，在风扇/增压级部分的封严涂层由于零件尺寸较大，并且相关基底采用复合材料，加热固化、密度大的可磨耗涂层已不能满足使用需求，急需发展一种新型的轻质非金属封严涂层材料。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种轻质阻燃可磨耗封严材料及其制备方法，用于航空发动机低压压气机及风扇部位，控制转动部件与非转动部件之间的间隙，起封气和封油的作用。
本发明一种轻质阻燃可磨耗封严涂层材料，由以下原料和工艺制备而成：
原料：包括a组分和b组分两部分，其中a组分包括：酚醛胺30~60wt%，空心玻璃微珠10~30wt%，2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚5~10wt%，脂肪族含醚二胺5~10wt％，亚磷酸三苯酯1~5wt％；b组分：双酚a型环氧树脂40~70wt%，空心玻璃微珠10~30wt%，溴化环氧树脂10~30wt%，三氧化二锑1~5wt%。
上述原料从功能上分为基料、填料、固化剂以及助剂。其中基料为双酚a型环氧树脂以及溴化环氧树脂。双酚a型环氧树脂对各种材料特别是对金属的粘接力很强、耐化学腐蚀性强、力学强度很高、电绝缘性好。此外，环氧树脂可以在相当宽的温度范围内固化，而且固化时体积收缩小。双酚a型环氧树脂的环氧值为0.44~0.54。溴化环氧树脂不但具有一般环氧树脂优良的电气绝缘性和粘接性，还具有优异的自阻燃性。本发明采用的溴化环氧树脂的溴含量18~21%，固含量80%。
填料选用空心玻璃微珠，其作为填料制成的涂层表面光滑、细腻、耐压、质轻；同时可以显著改善涂层的膨胀系数，使之与底材铝和钢的膨胀系数相接近；并且具有结合力强、寿命长、不脱落等特点。空心玻璃微珠的粒径d90≤85um，真实密度0.27~0.39g/cm3。
固化剂选用酚醛胺和脂肪族胺，其中酚醛胺固化剂是基于腰果酚、甲醛、特性胺等通过曼尼希反应而成的化合物。该类固化剂产品具有曼尼希反应类固化剂的各种优势，例如超快固化、低温固化（即使低于0℃）、优异的抗化学性、良好的外观表面、高湿表面固化性能等。同时由于拥有腰果酚特有的长脂肪族侧链，此类固化剂还兼有长操作期、优良的韧性、表面处理要求低、优异的耐水性和耐盐水性能等。固化剂酚醛胺的粘度500~1500cps（25℃），胺值320~360mgkoh/g。脂肪族含醚二胺作为一种新型的柔性环氧树脂固化剂，不但提高了其固化物的柔韧性，而且克服了简单脂肪多胺固化剂毒性大、对皮肤有刺激性的缺点。脂肪族胺含醚二胺采用二乙二醇二（3-氨基丙基）醚。
助剂包括固化促进剂、抗氧稳定剂及阻燃剂。固化促进剂为2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚，可促使环氧树脂在相当短的时间完全固化，还可适当提高粘接强度。抗氧稳定剂采用亚磷酸三苯酯，具有光稳定效果，与环氧树脂、含溴环氧树脂配合使用，可减少金属氯化物的危害，发挥阻燃剂抗氧作用。阻燃剂采用三氧化二锑，与卤素化物（r.hx）并用具有良好的协同效应，阻燃效果明显提高。三氧化二锑为分析纯。
制备工艺：按比例称取a组分、b组分的原料，并分别混合均匀，分别得到a组分涂料、b组分涂料；使用时，将a组分涂料、b组分涂料按1:1.5~1:2的质量比搅拌均匀，用刮刀或抹刀均匀地涂敷于零件表面，在1.5h内需涂敷使用完毕，即得轻质阻燃可磨耗封严涂层。
上述涂层室温下放置2h即可打磨加工，24h即可固化，随着时间增加，固化强度增高，5天后完全固化。涂层厚度可根据使用要求进行调整。
本发明制成的涂层的主要性能如下：
1.涂料外观：均匀并且无外来杂质，腻子状填充胶。
2.涂层外观及加工性能：均匀，连续，无明显气泡，机加工时不掉块脱落。
3.涂层密度：0.52~0.65g/cm3。
4.shored硬度(24℃)：55~65，邵氏硬度计。
5.弯曲强度：18~26mpa，万能材料试验机，gb/t9341。
6.剪切强度：10~15mpa，万能材料试验机，铝合金试片单搭接测试，gb/t7124。
7.拉伸强度：10~15mpa，万能材料试验机，试棒材料为45号钢，直径25mm，长100mm，并在试棒外径上车螺纹，将配制好的涂料均匀涂覆在拉力棒表面，两个拉力棒粘结在一起，垂直放置，固化。拉伸强度测试速率（0.76~1.27）mm/min。
8.动态力学分析dma：55~60℃（tg）。
9.温度-时间老化试验：在24℃×100h、121℃×100h（热空气）、149℃×100h（热空气）条件下测量压缩强度。具体见下表：
10.阻燃性能：移开火焰很快就会熄灭，对应15秒的最大值要求，far25。
11.涂料贮存寿命：在-30~30℃条件下密闭保存，贮存期为12个月。
本发明的性能及用途：用本发明制成的涂层表面光滑、细腻、耐压，密度小，质量轻，同时有适宜的附着强度和自身强度，具备优良的可磨耗性、抗冲蚀性能和阻燃性能，而且密度低，重量轻。用于压气机、涡轮机叶尖与机匣之间的间隙，控制空隙和边缘密封，可有效地减小径向气流间隙，从而获得最大压差，显著提高发动机效率并降低油耗；叶尖和封严材料相互摩擦刮削时，封严材料本身被磨损和刮削，在不损伤叶片的前提下获得发动机实际工作状态下的最小间隙；在高速气流冲击下，涂层不会产生裂纹、掉块和脱落等现象。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的组分、制备工艺及性能作进一步说明。
实施例1
原料：a组分：酚醛胺4.0g，空心玻璃微珠（密度0.38g/cm3、d90：65um）5.0g，2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚1.0g，二乙二醇二（3-氨基丙基）醚3g，亚磷酸三苯酯1.0g。b组分：双酚a型环氧树脂（环氧值0.44）8.0g，空心玻璃微珠5.0g，溴化环氧树脂6.0g，三氧化二锑1.0g。
制备方法：按上述重量称取a和b组分各原料，用手工搅拌和机械搅拌的方式分别搅拌均匀。再将a和b组分混合，用手工搅拌和机械搅拌的方式搅拌均匀、颜色一致，用刮刀或抹刀均匀地涂敷于零件表面即可，在1.5h内需涂敷使用完毕。
涂层室温下放置24h即可固化，剪切强度14mpa，拉伸强度13mpa；48h固化后剪切强度15mpa，拉伸强度14mpa；涂层密度0.65g/cm3。其它性能均满足前述的材料主要性能指标。
实施例2
a组分：酚醛胺5.0g，空心玻璃微珠（密度0.38g/cm3、d90：65um）6.0g，2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚0.7g，二乙二醇二（3-氨基丙基）醚2.0g，亚磷酸三苯酯0.7g；
b组分：双酚a型环氧树脂（环氧值0.54）7.0g，hl38空心玻璃微珠6.0g，溴化环氧树脂7.0g，三氧化二锑0.6g。
制备方法：先将空心玻璃微珠过筛，目数400目。再按上述重量称取a和b组分各原料，用手工搅拌和机械搅拌的方式分别搅拌均匀。再将a和b组分混合，用手工搅拌和机械搅拌的方式搅拌均匀、颜色一致，用刮刀或抹刀均匀地涂敷于零件表面即可，在1.5h内需涂敷使用完毕。
涂层室温下放置24h即可固化，剪切强度13mpa，拉伸强度12mpa；48h固化后剪切强度13mpa，拉伸强度13mpa；涂层密度0.55g/cm3。其它性能满足前述的材料主要性能指标。
实施例3
a组分：酚醛胺6.0g，空心玻璃微珠（密度0.35g/cm3、d90：70um）6.0g，2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚0.5g，二乙二醇二（3-氨基丙基）醚1.0g，亚磷酸三苯酯0.5g；
b组分：双酚a型环氧树脂（环氧值0.52）8.0g，空心玻璃微珠5.5g，溴化环氧树脂6.0g，三氧化二锑0.5g。
制备方法：先将空心玻璃微珠浮选去掉破碎的成分，烘干。再按上述重量称取a和b组分各原料，用手工搅拌和机械搅拌的方式分别搅拌均匀。再将a和b组分，用手工搅拌和机械搅拌的方式搅拌均匀、颜色一致，用刮刀或抹刀均匀地涂敷于零件表面即可，在1.5h内需涂敷使用完毕。
涂层室温下放置24h即可固化，剪切强度11mpa，拉伸强度11mpa，；48h固化后剪切强度13mpa，拉伸强度12mpa；涂层密度0.52g/cm3。其它性能均满足前述的材料主要性能指标。
实施例4
a组分：酚醛胺6.0g，空心玻璃微珠（密度0.31g/cm3、d90：85um）6.0g，2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚0.5g，二乙二醇二（3-氨基丙基）醚1g，亚磷酸三苯酯0.5g；
b组分：双酚a型环氧树脂（环氧值0.51）7.0g，空心玻璃微珠6.0g，溴化环氧树脂7.0g，三氧化二锑0.5g。
制备方法：先将空心玻璃微珠浮选去掉破碎的成分，烘干。再按上述重量称取a和b组分各原料，用手工搅拌和机械搅拌的方式分别搅拌均匀。再将a和b组分，用手工搅拌和机械搅拌的方式搅拌均匀、颜色一致，用刮刀或抹刀均匀地涂敷于零件表面即可，在1.5h内需涂敷使用完毕。
涂层室温下放置24h即可固化，剪切强度10mpa，拉伸强度11mpa；48h固化后剪切强度11mpa，拉伸强度12mpa；涂层密度0.50g/cm3。其它性能均满足前述的材料主要性能指标。
1.一种轻质阻燃可磨耗封严涂层材料，由以下原料和工艺制备而成：
原料：包括a组分和b组分两部分，其中a组分包括：酚醛胺30~60wt%，空心玻璃微珠10~30wt%，2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚5~10wt%，脂肪族含醚二胺5~10wt％，亚磷酸三苯酯1~5wt％；b组分：双酚a型环氧树脂40~70wt%，空心玻璃微珠10~30wt%，溴化环氧树脂10~30wt%，三氧化二锑1~5wt%；
制备工艺：按比例称取a组分、b组分的原料，并分别混合均匀，分别得到a组分涂料、b组分涂料；使用时，将a组分涂料、b组分涂料按1:1.5~1:2的质量比搅拌均匀，用刮刀或抹刀均匀地涂敷于零件表面，在1.5h内需涂敷使用完毕，即得轻质阻燃可磨耗封严涂层。
2.如权利要求1所述一种轻质阻燃可磨耗封严涂层材料，其特征在于：双酚a型环氧树脂的环氧值为0.44~0.54。
3.如权利要求1所述一种轻质阻燃可磨耗封严涂层材料，其特征在于：溴化环氧树脂的溴含量18~21%，固含量80%。
4.如权利要求1所述一种轻质阻燃可磨耗封严涂层材料，其特征在于：空心玻璃微珠的粒径d90≤85um，真实密度0.27~0.39g/cm3。
5.如权利要求1所述一种轻质阻燃可磨耗封严涂层材料，其特征在于：固化剂酚醛胺的粘度500~1500cps（25℃），胺值320~360mgkoh/g。
6.如权利要求1所述一种轻质阻燃可磨耗封严涂层材料，其特征在于：脂肪族含醚二胺为二乙二醇二（3-氨基丙基）醚。
技术总结