CN107385393A - 一种航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，首先对试样表面清洗，然后在试样表面涂覆粘弹性高阻尼涂料后进行激光微造型，接着将粘弹性高阻尼涂料反复涂覆在激光微造型区域，采用真空镀膜的方法在试样表面镀上TiN过渡涂层，然后在TiN过渡层表面再镀TiAlN涂层，将涂覆纳米颗粒Si的铝箔粘贴在TiAlN涂层的表面，进行激光喷丸强化处理，最后，对试样进行脉冲磁场强化处理。本发明不仅可以制备强韧性好、耐高温、阻尼系数高以及界面结合度强的复合涂层，同时提高了复合结构的弹性模量，在基体表层引入高幅残余压应力，诱导高密度位错以及晶粒细化，进一步提高航空合金的金属阻尼以及抗振动疲劳特性。

Description

一种航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面涂层的制备方法，尤其涉及一种航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法。
背景技术
随着航空航天和交通运输等行业的快速发展，对航空合金的使用和要求也越来越高。钛合金和铝合金等航空合金因具有比强度高、抗腐蚀性能强等突出优点，广泛地应用于涡轮发动机和压气机叶盘/叶片等关键结构件的制造。然而，由于发动机自身的工作特点，在发动机工作时，来自发动机的激振力会促使叶片作强迫振动，当激振力的频率与叶片的固有频率相等时叶片会产生共振现象，发动机叶片承受的交变应力的幅值很容易达到危险数值，致使其发生振动疲劳断裂。据不完全统计，在航空发动机总故障中，叶片破裂故障约占20％，并且振动疲劳破坏最为严重。因此，改善航空合金的振动疲劳特性已经成为航空领域急需解决的关键问题之一。
目前，已经发展了多种工艺用于提高航空发动机叶片的抗振动疲劳特性。例如申请号为03111530.6的专利申请，公开了一种具有高阻尼特性的金属结构件及其制备方法，该方法把多孔金属泡沫网焊接在金属部件的表面，再把低弹性模量的金属或合金熔体注入已焊接好的金属泡沫网上，从而获得高阻尼金属涂层。虽然该方法能够有效降低振幅继而减小振动，但是必然会增加结构的重量，也不符合飞行器轻量化的设计要求。又如申请号为201510556925.9的专利申请，公开了一种用于高温阻尼件表面的硬质高阻尼涂层制备工艺，该方法采用低压等离子喷涂法在工件表面喷涂高阻尼涂层，采用该工艺制备的涂层复合结构不仅具有高的阻尼性能，还具有一定的耐高温氧化性。但是，该方法制备的阻尼涂层阻尼系数较低，在与高温直接接触，多周交变载荷的作用下，与恶劣环境直接接触的涂层很容易剥落，最终降低结构的抗振动疲劳特性。
橡胶因其具有高阻尼、耐磨性强与金属件黏合性能好等特点，橡胶高阻尼涂层广泛用于控制结构的共振幅值、提高结构的抗冲击能力以及振动疲劳寿命。而实际的工况中，航空叶片承受的高温高压，交变载荷会加快橡胶涂层的老化与脱落。如申请号为201010177278.8的专利，提出了一种嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺。该方法主要是通过特定的工艺将粘弹性阻尼层作为铺层嵌入到复合材料结构中，以此来获得轻质大阻尼复合材料构件。该方法忽略了高温环境下的氧化效应，难以长时间应用于航空发动机叶片高温高压的工作条件。
作为一种有效的抗高温涂层，TiN是目前工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料，其膨胀系数和硬质合金相近，与基体牢固结合，适于作涂层的打底层。研究表明TiN中添加Al形成TiAlN涂层，使得结构的耐高温及抗氧化温度提高到将近900，但在高于1000的工况下依然会发生失效。而在TiAlN涂层中加入Si元素形成的TiAlSiN涂层，可使热稳定温度达到1000以上。目前，TiAlSiN多元涂层有磁控溅射法、阴极弧等离子体沉积和离子束辅助沉积等多种制备方法。为了获得优异的TiAlSiN涂层，通常是采用多种制备工艺相结合的方法。这势必会造成热应力的增加，还需后期的热处理，大大降低加工效率。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，结合粘弹性高阻尼涂料、TiN过渡涂层和TiAlN涂层各自的优势，采用激光微造型、激光喷丸以及脉冲磁场强化相结合的方法辅助真空镀膜制备高温阻尼复合涂层；促进高阻尼涂料等离子体以及Si原子的扩散系数，嵌入粘弹性高阻尼涂层，并且促进TiAlSiN耐高温层的形成，提高界面的结合强度，最终获得强韧度高、耐高温、高阻尼的复合涂层。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将航空合金试样表面进行打磨和抛光，然后进行清洗处理后，取出自然晾干；
步骤二：选取试样表面面积的1/2～2/3表面区域作为激光微造型区域，将粘弹性高阻尼涂料涂覆在所述激光微造型区域，作为吸收层，对试样表面进行激光微造型；
步骤三：将粘弹性高阻尼涂料反复涂覆在所述激光微造型区域，直至所述激光微造型区域内的微造型凹坑填满，保持涂覆面平整光洁，并与试样表面平齐；
步骤四：采用真空镀膜的方法在试样表面镀上TiN过渡涂层，然后在TiN过渡层表面再镀TiAlN涂层；
步骤五：将涂覆纳米颗粒Si的铝箔粘贴在TiAlN涂层的表面，进行激光喷丸强化处理，促使激光冲击波诱导Si离子体渗入TiAlN涂层，在高温高压下形成TiAlSiN耐高温层；
步骤六：激光喷丸强化处理后，对试样进行脉冲磁场强化处理。
优选地，所述航空合金为钛合金、铝合金或镍基合金中的任意一种。
优选地，所述步骤二中的粘弹性高阻尼涂料为聚氨酯、丁基橡胶或氯化丁基橡胶中的任意两种混合料，其制备过程为：根据所述航空合金的实际工况，结合振动控制理论，计算粘弹性高阻尼涂料的配方，然后共混并混炼，最后硫化成型。
优选地，所述步骤二中的微造型凹坑为圆形或矩形，深度为50～100um，搭接率为10％～50％。
优选地，所述步骤四中的真空镀膜方法为电弧离子镀或磁控溅射方法。
优选地，所述步骤五中的激光喷丸的参数为：脉冲能量为2～8J，脉冲宽度为10～50ns，光斑直径为1～8mm，搭接率为30％～75％。
优选地，以水或K9玻璃为约束层
优选地，所述步骤六中的脉冲磁场强化处理的磁感应强度为1T、3T或5T，脉冲数为10、30或50。
优选地，将航空合金试样的双面制备所述耐高温高阻尼涂层。
本发明的有益效果：
1)本发明结合不同涂层各自的优势，采用激光微造型、激光喷丸以及脉冲磁场强化相结合的方法辅助真空镀膜制备高温阻尼复合涂层，其中，a)激光微造型既对基体进行了预强化处理，为复合涂层的涂覆提供了空间，同时使高阻尼涂料等离子体渗入到试样表面；b)激光喷丸强化航空合金涂层表面，不仅可以为Si原子的扩散提供动力，使Si原子渗入TiAlN涂层，并在高温高压下形成TiAlSiN耐高温层，同时可以提高涂层与合金基体的结合强度，进一步强韧化复合涂层，最终获得强韧性好、耐高温、高阻尼的复合涂层；c)脉冲磁场强化作用于航空合金，磁致塑性效应不但改变了其内部的组织结构，使晶粒细化且更加圆整，促进位错密度以及层错组织的增加以及部分的内应力的释放，而且促使航空合金晶格常数的改变，引起畸变，提高了材料的弹性回复性能，引起材料弹性模量的增加；另外，磁场的热效应会提高材料的温度，促进Si原子的扩散；
2)本发明不仅可以制备强韧性好、耐高温、阻尼系数高以及界面结合度强的复合涂层，同时提高了复合结构的弹性模量，在基体表层引入高幅残余压应力，诱导高密度位错以及晶粒细化，进一步提高航空合金的金属阻尼以及抗振动疲劳特性。
附图说明
图1为本发明所述航空合金表面高温阻尼复合涂层的截面示意图。
其中：
1.TiAlSiN层；2.TiN层；3.粘弹性高阻尼涂层；4.航空合金基体。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明中航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备是在航空合金基体4上通过结合TiAlSiN层1、TiN层2和粘弹性高阻尼涂层3各自的优势，采用激光微造型、脉冲磁场处理以及激光喷丸相结合的方法辅助真空镀膜制备耐高温高阻尼复合涂层。
实施例1：
步骤一：将TC6钛合金试样(120mm×25mm×2mm)表面进行打磨和抛光，并以酒精为溶剂利用超声波清洗20min后，取出自然晾干；
步骤二：将丁基橡胶和氯化丁基橡胶按一定配比进行混炼90s，然后加入各种辅料混炼120s，最后加入硫磺，混炼60s硫化成型，炼制成粘弹性高阻尼涂料；将所述粘弹性高阻尼涂层涂覆在试样表面，作为吸收层，并以K9玻璃作为约束层进行激光微造型，微造型区域为100mm×15mm，并且深度为80um，其中，微造型凹坑为边长100um的正方形，搭接率为10％；
步骤三：将粘弹性高阻尼涂料反复涂覆在激光微造型区域，涂覆厚度为80um，保持涂覆表面平整光洁，然后使其自然风干；
步骤四：采用电弧离子镀的方法在试样表面镀一层厚度为2um的TiN过渡层，然后在TiN过渡层表面再镀一层厚度为5um的TiAlN涂层；
步骤五：将10nm的Si纳米颗粒均匀铺覆在20um厚的铝箔上，并粘贴在TiAlN涂层的表面，以水为约束层，设置激光脉冲能量为2J，脉冲宽度为10ns，光斑直径为1mm，搭接率为30％，对试样表层进行激光喷丸强化处理，促使激光冲击波诱导的Si等离子体渗入TiAlN涂层，在高温高压下形成TiAlSiN耐高温层；
步骤六：激光喷丸强化处理后，在磁感应强度为1T，脉冲数为50的参数下，对试样进行脉冲磁场强化处理。
本实施例完成了在TC6钛合金试样一个表面进行耐高温高阻尼复合涂层的制备。利用动态力学热分析仪进行阻尼性能的测试，结果表明，与未制备涂层的试样相比，运用本发明对TC6钛合金进行高温阻尼涂层制备后，其复合结构的阻尼比和结构动态模量分别提高了13.7％和6.5％。可见，通过本发明制备的高温阻尼涂层可以有效提高TC6钛合金的金属阻尼以及抗振动疲劳特性。
实施例2：
步骤一：将2024-T351铝合金试样(120mm×25mm×2mm)表面进行打磨和抛光，并以酒精为溶剂利用超声波清洗20min后，取出自然晾干；
步骤二：将聚氨酯和氯化丁基橡胶按一定配比进行混炼120s，然后加入各种辅料混炼120s，最后加入硫磺，混炼60s硫化成型，炼制成粘弹性高阻尼涂料；将炼制好的粘弹性高阻尼涂层涂覆在试样表面，作为吸收层，并以K9玻璃作为约束层进行激光微造型，微造型区域为100mm×20mm，并且深度为50um，其中，微凹坑为直径100um的圆形，搭接率为50％；
步骤三：将粘弹性高阻尼涂料反复涂覆在激光微造型区域，涂覆厚度为50um，保持涂覆表面平整光洁，然后使其自然风干；
步骤四：采用磁控溅射的方法在试样表面镀一层厚度为2um的TiN过渡层，然后在TiN过渡层表面再镀一层厚度为5um的TiAlN涂层；
步骤五：将10nm的Si纳米颗粒均匀铺覆在20um厚的铝箔上，并粘贴在TiAlN涂层的表面，以K9玻璃为约束层，设置激光脉冲能量为5J，脉冲宽度为30ns，光斑直径为5mm，搭接率为50％，对试样表层进行激光喷丸强化处理，促使激光冲击波诱导的Si等离子体渗入TiAlN涂层，在高温高压下形成TiAlSiN耐高温层；
步骤六：激光喷丸强化处理后，在磁感应强度为3T，脉冲数为30的参数下，对试样进行脉冲磁场强化处理。
本实施例只完成在2024-T351铝合金试样一个表面进行耐高温高阻尼复合涂层的制备。利用动态力学热分析仪进行阻尼性能的测试，结果表明，与未制备涂层的试样相比，运用本发明对TC6钛合金进行高温阻尼涂层制备后，其复合结构的阻尼比和结构动态模量分别提高了12.2％和20.8％。可见，通过本发明制备的高温阻尼涂层可以有效提高2024-T351铝合金的金属阻尼以及抗振动疲劳特性。
实施例3：
步骤一：将IN718镍基合金试样(120mm×25mm×2mm)表面进行打磨和抛光，并以酒精为溶剂利用超声波清洗20min后，取出自然晾干；
步骤二：将聚氨酯和丁基橡胶按一定配比进行混炼90s，然后加入各种辅料混炼120s，最后加入硫磺，混炼90s硫化成型，炼制成粘弹性高阻尼涂料；将炼制好的粘弹性高阻尼涂层涂覆在试样表面，作为吸收层，并以K9玻璃作为约束层进行激光微造型，微造型区域为100mm×20mm，并且深度为100um，其中，微凹坑为100um×50um的矩形，搭接率为20％；
步骤三：将粘弹性高阻尼涂料反复涂覆在激光微造型区域，涂覆厚度为100um，保持涂覆表面平整光洁，然后使其自然风干；
步骤四：采用电弧离子镀的方法在试样表面镀一层厚度为2um的TiN过渡层，然后在TiN过渡层表面再镀一层厚度为5um的TiAlN涂层；
步骤五：将10nm的Si纳米颗粒均匀铺覆在20um厚的铝箔上，并粘贴在TiAlN涂层的表面，以水为约束层，设置激光脉冲能量为8J，脉冲宽度为50ns，光斑直径为8mm，搭接率为75％，对试样表层进行激光喷丸强化处理，促使激光冲击波诱导的Si等离子体渗入TiAlN涂层，在高温高压下形成TiAlSiN耐高温层；
步骤六：激光喷丸强化处理后，在磁感应强度为5T，脉冲数为10的参数下，对试样进行脉冲磁场强化处理。
本实施例完成在IN718镍基合金试样一个表面进行耐高温高阻尼复合涂层的制备。利用动态力学热分析仪进行阻尼性能的测试，结果表明，与未制备涂层的试样相比，运用本发明对TC6钛合金进行高温阻尼涂层制备后，其复合结构的阻尼比和结构动态模量分别提高了15.2％和26.8％。可见，通过本发明制备的高温阻尼涂层可以有效提高IN718镍基合金的金属阻尼以及抗振动疲劳特性。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将航空合金试样表面进行打磨和抛光，然后进行清洗处理后，取出自然晾干；
步骤二：选取试样表面面积的1/2～2/3表面区域作为激光微造型区域，将粘弹性高阻尼涂料涂覆在所述激光微造型区域，作为吸收层，对试样表面进行激光微造型；
步骤三：将粘弹性高阻尼涂料反复涂覆在所述激光微造型区域，直至所述激光微造型区域内的微造型凹坑填满，保持涂覆面平整光洁，并与试样表面平齐；
步骤四：采用真空镀膜的方法在试样表面镀上TiN过渡涂层，然后在TiN过渡层表面再镀TiAlN涂层；
步骤五：将涂覆纳米颗粒Si的铝箔粘贴在TiAlN涂层的表面，进行激光喷丸强化处理，促使激光冲击波诱导Si离子体渗入TiAlN涂层，在高温高压下形成TiAlSiN耐高温层；
步骤六：激光喷丸强化处理后，对试样进行脉冲磁场强化处理。
2.根据权利要求1所述的航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，所述航空合金为钛合金、铝合金或镍基合金中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的粘弹性高阻尼涂料为聚氨酯、丁基橡胶或氯化丁基橡胶中的任意两种混合料。
4.根据权利要求1所述的航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的微造型凹坑为圆形或矩形，深度为50～100um，搭接率为10％～50％。
5.根据权利要求1所述的航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤四中的真空镀膜方法为电弧离子镀或磁控溅射方法。
6.根据权利要求1所述的航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤五中的激光喷丸的参数为：脉冲能量为2～8J，脉冲宽度为10～50ns，光斑直径为1～8mm，搭接率为30％～75％。
7.根据权利要求6所述的航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，以水或K9玻璃为约束层。
8.根据权利要求1所述的航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤六中的脉冲磁场强化处理的磁感应强度为1T、3T或5T，脉冲数为10、30或50。
9.根据权利要求1所述的航空合金表面耐高温高阻尼复合涂层的制备方法，其特征在于，将航空合金试样的双面制备所述耐高温高阻尼涂层。
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