CN110273122B - 聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法 - Google Patents

聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于航空发动机防护涂层领域，尤其涉及聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法。本发明在聚酰亚胺复合材料和隔热层中间增加了树脂‑金属打底层和金属中间层结构，有效缓解了由涂层热膨胀系数不匹配造成的界面应力过大的问题；本发明通过爆炸喷涂技术制备中间层和隔热面层，一方面提升了喷涂效率，同时降低了喷涂过程中的热输入对基体材料造成的热损伤；另一方面提升了各层间界面的结合强度，进一步提升了涂层耐温度冲击的寿命。使其可在380℃的温度冲击条件下持续3000次涂层无失效，显著提升了涂层的使用寿命，适用于聚酰亚胺树脂基复合材料外调节片隔热涂层的制备；本发明具有工艺过程可控性强、成本低，喷涂效率高、涂层耐温度冲击性能好的优点。

Description

聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法
技术领域
本发明属于航空发动机防护涂层领域，尤其涉及聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法。
背景技术
航空发动机尾喷管外调节片采用聚酰亚胺树脂基复合材料替代钛合金材料，可以实现减重52％以上的显著效果，已经成为新型发动机设计的趋势。使用过程中，外调节片要承受数十万次的大挠度应力应变，以及加力状态380℃以上的高低温交变循环的苛刻环境条件。目前，采用的聚酰亚胺树脂基复合材料，长时间使用温度为288℃。长期服役过程中，由于高温烧蚀老化引起力学性能降低的风险极大。与研制新一代耐高温树脂基复合材料相比，采用热喷涂技术在聚酰亚胺复合材料表面制备隔热防护涂层以提升复合材料制件耐高温性能是最为经济、有效的途径之一。
采用热喷涂技术在金属表面制备陶瓷隔热涂层已经获得了较大的经济效益。然而，针对树脂基复合材料表面制备YSZ陶瓷涂层主要存在以下难题：一方面，树脂基复合材料相对于金属材料，耐温性能、导热性能和热膨胀系数与涂层材料差异较大，导致涂层界面存在较大应力，进而影响涂层使用寿命；另一方面，陶瓷涂层材料的熔点普遍较高，因此喷涂过程中需要的热源温度较高，喷涂过程中极易造成复合材料制件的烧损。
有技术方案通过在复合材料上预先制备低熔点金属打底层的方法，避免了基体材料的损伤，在一定程度上提升了涂层结合强度，打底层的工艺方法主要有等离子喷涂(CN102251208)、电弧喷涂、超音速火焰喷涂(CN 108359926)、冷喷涂(CN 108374139)。由于并未从根本上改变温度交变过程中由于热膨胀系数差异造成的防护层与基体间的界面应力，因此多用于短时超温防护，如CN 108374139、CN 108359926。另外，此类技术方案多采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂制备面层或金属底层，由于等离子喷涂、超音速火焰喷涂等为连续热喷涂，其喷涂过程中产生的热输入量较大，易造成树脂基复合材料的烧损，而通过间歇喷涂的方法则极大影响了喷涂效率和涂层性能的稳定性。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法。
本发明的技术解决方案是，聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法，其特征在于，在聚酰亚胺复合材料外调节片表面制备多层陶瓷隔热涂层，包含：树脂-金属打底层、金属中间层和陶瓷隔热面层；其制备过程包含以下步骤：(1)采用工业丙酮或碱性清洗剂对外调节片表面进行擦洗后，采用压缩空气吹干调节片表面后待用；(2)将配置好的树脂-金属混合底漆均匀的喷涂于外调片待喷涂表面；(3)在60～300℃环境下，固化0.5～3小时，获得厚度为20～70μm打底层；(4)对底漆表面进行清洗和喷砂预处理；(5)采用爆炸喷涂工艺制备金属中间层，中间层厚度为(20～150)μm；(6)采用爆炸喷涂工艺制备多孔结构隔热面层，面层厚度为(50～500)μm，孔隙率不低于20％；(7)完成喷涂后，采用封孔剂对涂层表面进行刷涂或喷涂防护。
所述的树脂-金属混合底漆，由液态树脂和金属粉体按质量比100：(10～50)均匀混合制得，其中液态树脂为聚酰亚胺树脂或其改性产物；所用的金属粉体为Al、Cu、Ni其中的一种或其合金中的一种，其中金属粉体的粒度为(30～90)μm。
所述的金属中间层材料为Al、Cu、Ni其中的一种或其合金粉末，粉末粒度满足5μm～45μm。
所述的多孔结构隔热面层材料由稀土氧化物改性氧化锆和聚酯粉体混合组成，其中重量百分比为：ZrO2：75％～95％，稀土氧化物：5％～15％，聚酯1％～10％。
所述的爆炸喷涂工艺，燃气是由氮气、乙炔、丙烷或丙烯组成的混合气体，助燃剂为氧气，送粉载气为氮气，所采用的爆炸喷涂设备应具备氧气、送粉氮气和燃气的独立控制通道。
所述步骤(2)将配置好的树脂-金属混合底漆均匀的喷涂于外调片待喷涂表面采用室温气体喷枪进行喷涂。
所述喷砂预处理采用刚玉砂粒，粒径应≤198μm，气体工作压力应≤0.3MPa。
所述步骤(1)擦洗后采用砂纸手工对叶身表面进行打磨处理。
本发明具有的优点和有益效果，本发明在聚酰亚胺复合材料和隔热层中间增加了树脂-金属打底层和金属中间层结构，有效缓解了由涂层热膨胀系数不匹配造成的界面应力过大的问题，使其可在380℃的温度冲击条件下持续3000次涂层无失效，显著提升了涂层的使用寿命；另一方面，树脂-金属打底层结构制备过程中无需进行喷砂处理，降低了喷砂处理对于基体树脂和纤维的损伤。采用脉冲式的爆炸喷涂技术制备中间层和隔热面层，一方面提升了喷涂效率，同时降低了喷涂过程中的热输入对基体材料造成的热损伤；另一方面提升了各层间界面的结合强度，进一步提升了涂层耐温度冲击的寿命。综合来说，本发明具有工艺过程可控性强、成本低，喷涂效率高、涂层耐温度冲击性能好的优点。
具体实施方式
以下叙述并不限制本发明。
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。应该理解的是，本发明实施例所述制备方法仅仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进都属于本发明要求保护的范围。
实施例1
外调节片基体采用碳纤维增强聚酰亚胺复合材料，采用重量比为100：20的液态改性聚酰亚胺树脂与市售球形铝粉进行均匀混合配制底漆，其中铝粉粒度为30μm～60μm；采用室温气体喷枪将配制好的底漆均匀喷涂在聚酰亚胺复合材料调节片待喷涂表面，300℃固化3h后获得厚度为50μm打底层；采用粒径165μm(100目)的刚玉砂，在0.3MPa的压力下对打底层表面进行喷砂处理，用压缩气体将工件表面残余砂粒清除后，再进行表面爆炸喷涂涂层制备。
中间层采用市售球形铝粉末，粒径为15μm～45μm。采用的喷涂工艺为爆炸喷涂，具体工艺参数为：燃料充枪率为30％，氧燃比为1.0，斑点搭接率40％，喷枪速度120枪/min，喷涂次数为2次。打底层厚度为50μm。
隔热面层采用市售YSZ粉末与聚酯粉末机械混合，其中氧化钇含量为8.0wt％，聚酯含量为5.0wt％，氧化锆余量。采用爆炸喷涂工艺制备涂层，具体工艺参数为：燃料充枪率为65％，氧燃比为1.7，斑点搭接率40％，喷枪速度60枪/min，喷涂次数为10次。抗冲刷层厚度为200μm。
针对喷涂涂层后的涂层表面刷涂HTR#0977型封孔剂，250℃固化3小时。
所获得的涂层性能如下：
检验项目 检验方法 检验结果
涂层热导率 Q/AVIC 06019-2013 (1.0～1.3)W/m·K
涂层孔隙率(％) 金相法 29.6％
涂层与基体结合强度(MPa) 依据ASTM C633 12.3MPa
温度冲击试验 380℃冲击5min，空冷5min 3000次，涂层无脱落
实施例2
外调节片基体采用碳纤维增强聚酰亚胺复合材料，采用重量比为100：28的液态改性聚酰亚胺树脂与市售球形鎳粉进行均匀混合配制底漆，其中Ni粉粒度为30μm～60μm；采用室温气体喷枪将配制好的底漆均匀喷涂在聚酰亚胺复合材料调节片待喷涂表面，300℃固化3h后获得厚度为50μm打底层；采用粒径165μm(100目)的刚玉砂，在0.3MPa的压力下对打底层表面进行喷砂处理，用压缩气体将工件表面残余砂粒清除后，再进行表面爆炸喷涂涂层制备。
中间层采用市售球形Ni粉末，粒径为5μm～45μm。采用的喷涂工艺为爆炸喷涂，具体工艺参数为：燃料充枪率为34％，氧燃比为1.2，斑点搭接率40％，喷枪速度120枪/min，喷涂次数为2次。打底层厚度为45μm。
隔热面层采用市售DySZ粉末与聚酯粉末机械混合，其中氧化镝含量为9.5wt％，聚酯含量为5.0wt％，氧化锆余量。采用爆炸喷涂工艺制备涂层，具体工艺参数为：燃料充枪率为68％，氧燃比为1.7，斑点搭接率40％，喷枪速度60枪/min，喷涂次数为10次。抗冲刷层厚度为180μm。
针对喷涂涂层后的涂层表面刷涂HTR#0977型封孔剂，250℃固化3小时。
所获得的涂层性能如下：
检验项目 检验方法 检验结果
涂层热导率 Q/AVIC 06019-2013 0.9～1.1W/m·K
涂层孔隙率(％) 金相法 30.4％
涂层与基体结合强度(MPa) 依据ASTM C633 11.9MPa
温度冲击试验 380℃冲击5min，空冷5min 3000次，涂层无脱落

Claims (7)

1.聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法，其特征在于，在聚酰亚胺复合材料外调节片表面制备多层陶瓷隔热涂层，包含：树脂-金属打底层、金属中间层和陶瓷隔热面层；其制备过程包含以下步骤：(1)采用工业丙酮或碱性清洗剂对外调节片表面进行擦洗后，采用压缩空气吹干调节片表面后待用；(2)将配置好的树脂-金属混合底漆均匀的喷涂于外调节片待喷涂表面；所述的树脂-金属混合底漆，由液态树脂和金属粉体按质量比100：(10～50)均匀混合制得，其中液态树脂为聚酰亚胺树脂或其改性产物；所述金属粉体为Al、Cu、Ni其中的一种或其合金中的一种，其中金属粉体的粒度为(30～90)μm；(3)在60～300℃环境下，固化0.5～3小时，获得厚度为20～70μm打底层；(4)对底漆表面进行清洗和喷砂预处理；(5)采用爆炸喷涂工艺制备金属中间层，中间层厚度为(20～150)μm；(6)采用爆炸喷涂工艺制备多孔结构隔热面层，面层厚度为(50～500)μm，孔隙率不低于20％；(7)完成喷涂后，采用封孔剂对涂层表面进行刷涂或喷涂防护。
2.如权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述的金属中间层材料为Al、Cu、Ni其中的一种或其合金粉末，粉末粒度满足5μm～45μm。
3.如权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述的多孔结构隔热面层材料由稀土氧化物改性氧化锆和聚酯粉体混合组成，其中重量百分比为：ZrO2：75％～95％，稀土氧化物：5％～15％，聚酯1％～10％。
4.如权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述的爆炸喷涂工艺，燃气是由氮气、乙炔、丙烷或丙烯组成的混合气体，助燃剂为氧气，送粉载气为氮气，所采用的爆炸喷涂设备应具备氧气、送粉氮气和燃气的独立控制通道。
5.如权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)将配置好的树脂-金属混合底漆均匀的喷涂于外调片待喷涂表面采用室温气体喷枪进行喷涂。
6.如权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述喷砂预处理采用刚玉砂粒，粒径应≤198μm，气体工作压力应≤0.3MPa。
7.如权利要求1所述的聚酰亚胺复合材料外调节片长寿命隔热涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)擦洗后采用砂纸手工对叶身表面进行打磨处理。
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