CN111349925B - 一种用于发动机叶片的钛合金复合涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功能涂层技术领域，公开了一种用于发动机叶片的钛合金复合涂层及其制备方法，该涂层在基体表面依次包括粘接层和钛合金层，与基体间拉伸结合强度为25～30MPa；其中为铝粉、锡粉或锌粉喷涂形成；钛合金层为钛粉喷涂形成。钛合金复合涂层的制备方法包括步骤：(1)清洗基体；(2)利用冷喷涂工艺在基体表面制备粘接层；(3)利用冷喷涂工艺在粘接层上喷涂制备钛合金层。本发明利用冷喷涂“冷”的特性，撞击到基体表面的颗粒并不会由于高温而对低熔点的基体产生烧蚀，从而破坏涂层的沉积质量，本发明的涂层制备方法节能环保、稳定可靠和适应于产业化等优点，在航空工程领域有着广泛地应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及功能涂层技术领域，具体涉及一种用于发动机叶片的钛合金复合涂层及其制备方法。
背景技术
轻量化是飞机结构设计中的焦点问题。只有将结构质量系数控制在30％以下才能给燃油、有效载荷留下使用空间，从而既降低了飞行成本，又提高了飞机的续航能力和服役期限。目前，在波音787“梦想客机”复合材料使用量已达到飞机结构质量的二分之一，节省了燃油超过了20％；由我国哈尔滨飞机制造厂生产的直-9型直升飞机，其机身复合材料的使用比例也已经超过了50％，且主要是碳纤维增强聚醚醚酮。碳纤维增强复合材料具有比强度和比刚度高、质量轻、热膨胀系数小、抗疲劳能力和阻尼性强以及结构与材料的可设计性强、易于整体成型等特点；因此，在飞机结构中大量使用碳纤维增强复合材料是未来发展的大趋势。
在高空超高音速飞行时，飞机发动机叶片转速通常达到10000r/min,叶片与大气发生剧烈摩擦，产生大量的热，使得叶片温度升高。在离心力的作用下，导致航空发动机碳纤维叶片边缘处有剥离的趋势。由于飞机的飞行环境非常的复杂，而飞机叶片又容易受到损伤，尤其在异物撞击的情况下。因此，需要用金属层对易剥离区域进行高强度约束，保证叶片在飞行过程中能减轻如鸟、金属碎片、微小颗粒、冰雹等异物撞击带来的损伤，降低由于叶片外物损伤而引起的飞行事故。
CN 102059218 A公开了一种聚合物基复合材料表面金属化涂层的制备方法及设备，涂层材料采用市场上出售的粒度及化学成分在一定范围的气雾化纯铝粉和纯铜粉，以氮气作为工作气体和送粉气体，在树脂基复合材料表面直接冷喷涂制备两种涂层：一是在碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料表面直接冷喷涂制备纯铝涂层；二是先在碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料表面直接冷喷涂制备纯铝涂层，然后在纯铝涂层上继续冷喷涂制备纯铜涂层，即底层为纯铝、表层为纯铜的双金属涂层。
该发明在精确合理工艺控制和涂层选材基础上，采用冷喷涂技术直接在聚合物基复合材料表面制备了金属涂层，为聚合物基体材料表面金属化开辟了新渠道。解决碳纤维增强树脂基复合材料作为基板，在室温下硬度高、弹性大、变形能力差的问题，以及室温喷涂时颗粒很难沉积在基板上，难以保证涂层质量的问题。
但聚合物基体弹塑性好，颗粒撞击其表面容易发生回弹，对于不同的金属颗粒，由于其密度不一样，导致到达基体表面的动能不一样，喷涂在基体表面容易存在沉积不均匀的情况，且颗粒存在一定的沉积窗口。
冷喷涂是一种基于空气动力学的新型热喷涂成型技术，相对于传统高温热源的热喷涂技术，它有以下明显的优势：喷涂效率高、沉积效率高、涂层孔隙率低、涂层通常为压应力、适合大批量生产和工业化应用；涂层的化学特性和粉末原材料保持一致，不存在氧化、烧损等缺陷，保证涂层的可焊性；对基体的热影响小，适合在碳纤维增强复合材料等低熔点材料表面沉积。
发明内容
本发明旨在解决涂层与基体间结合强度弱，受到外界冲击时易发生脱落的问题，提供一种与基体结合强度高，在受到强烈外界冲击时，不易发生脱落的涂层。适用于航空发动机叶片，以提高飞机的续航能力和服役期限。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于发动机叶片的钛合金复合涂层，所述钛合金复合涂层在基体表面依次包括粘接层和钛合金层，厚度为500～1000μm，所述钛合金复合涂层与基体间拉伸结合强度为25～30MPa；所述粘接层为铝粉、锡粉或锌粉等延展性优良的金属粉末喷涂形成，厚度为100～200μm；所述钛合金层为钛粉喷涂形成，厚度为400～800μm。
由于钛颗粒熔点高，颗粒在100～300℃条件下撞击聚合物基体时无法发生严重的塑性变形；而当加热温度升高时，颗粒受热变软，但在撞击过程中颗粒由于温度过高，会对基体产生烧蚀作用，严重影响了基体的特性。为了克服钛颗粒难以沉积在聚合物机体表面以及对基体产生烧蚀作用，需要找一种介于聚合物和钛合金之间过渡的金属。本发明中选用铝粉、锡粉或锌粉等延展性优良的金属粉末作为过渡的金属，在聚合物和钛合金之间起到桥梁作用，增强钛合金层与聚合物的粘结性。
粘接层选用这些延展性良好、低熔点、低硬度的金属是由于低熔点的金属在一定的加热温度下会金属颗粒会发生一定的软化，最终使得颗粒具有更高的沉积效率；而颗粒硬度低则不会在沉积过程中对基体产生侵蚀，导涂层质量下降。
所述基体包括纤维增强聚合物，所述聚合物包括聚醚醚酮、环氧树脂、尼龙、高密度聚乙烯中任一种。
所述铝粉、锡粉或钛粉的粒径为30～50μm，均采用球形粉末。
本发明还提供所述的用于发动机叶片的钛合金复合涂层的制备方法，包括步骤：
(1)清洗基体：将基体置于丙酮中超声清洗5～10min；
(2)利用冷喷涂工艺在基体表面喷涂喷涂金属粉末形成粘接层；所述金属粉末为铝粉、锡粉或锌粉；
(3)利用冷喷涂工艺在粘接层上喷涂钛粉形成钛合金层。
本发明中将异种材料通过冷喷涂的方式连接起来，既避免传统热喷涂工艺热影响区大、对基体表面烧损严重、涂层质量差、残余应力大的缺陷，又不会出现间接焊接法过程繁琐、条件苛刻的问题。因此，本发明采用冷喷涂工艺，使金属颗粒以合适的速度和温度沉积到基体上，在保持涂层质量完好的同时，又能保证涂层与碳纤维基体的高强度结合。
所述基体的清洗过程还包括喷砂粗化过程，采用压缩空气作为推力，压力为0.8～1.2MPa，喷砂时间为10～20秒，砂的粒径为5～20μm。
细沙处理可起到对聚合物表面的一个简单夯实作用，对加热沉积的颗粒散发的热量起到一个缓冲作用，经粗化后的表面，粗糙度增加使得颗粒更易沉积，颗粒的结合面增大，使得结合强度提高。
喷涂用的原始粉末经250～400目的过筛，再在100～120℃保温干燥1h以上，以保证喷涂过程中颗粒的流动性。
所述冷喷涂制备粘接层的工艺参数：主气压力为0.5～3.5MPa，送粉气压为0.5～2.5MPa，主气温度为100～300℃，喷涂粉末流量为30～80g/min，喷涂距离为25～40mm，喷枪移动速度为30～60mm/s，涂层喷涂遍数为1～2遍。
所述冷喷涂制备钛合金涂层的工艺参数：冷喷涂的主气压力为0.5～3.5MPa，送粉气压为0.5～2.5MPa，主气温度为100～300℃，喷涂粉末流量为30～80g/min，喷涂距离为25～40mm，喷枪移动速度为40～60mm/s，涂层喷涂遍数为1～3遍。
所述主气或送粉气体为氮气、氢气、氦气中的一种。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)将粉末加热到为未熔化状态，克服了高温喷涂对粉末成分的破坏，尤其是在高温熔化中出现氧化、烧损等缺陷；降低了涂层的空隙率，提高了涂层的质量，并且几乎不产生残余拉应力，涂层厚度可控。
(2)冷喷涂加工技术操作简单，形成的涂层结合强度高，并且对基体的热影响区小，不仅适合金属基体的沉积，也适用于复合材料基体表面沉积。
(3)由于冷喷涂“冷”的特性，撞击到基体表面的颗粒并不会由于高温而对低熔点的基体产生烧蚀，从而破坏涂层的沉积质量，本发明的涂层制备方法节能环保、稳定可靠和适应于产业化等优点，在航空工程领域有着广泛地应用前景。
附图说明
图1为本发明的钛合金复合涂层的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。本发明的钛合金复合涂层结构示意图如图1所示，在基体的表面先喷涂制备粘接层，再于粘接层上制备钛合金层，利用粘接层作为过渡层来提高钛合金层与基体间的结合强度。
实施例1
本实施例中，选择基体材料为厚度约20mm×20mm×2mm的碳纤维增强聚醚醚酮，先后在该基体表面沉积厚度100～200μm的锡涂层和400～800μm钛合金涂层，其中涂层具体制备流程如下：
1、将金属粉末原料用350目过滤筛筛选，保证粒径均匀满足冷喷涂使用要求，经过120℃保温烘干1小时得到可喷涂的干燥粉末。
2、将碳纤维增强复合基体置于丙酮中超声清洗5～10分钟，干燥处理后得到表面洁净的基体。
3、预先将锡粉喷涂在基体表面制备粘结层，喷涂方法为冷喷涂，具体工艺参数为：喷涂气体为氮气，冷喷涂的主气压力为2.0MPa，送粉气压为1.5MPa，主气温度为200℃，喷涂粉末流量为30～80g/min，喷涂距离为30mm，喷枪移动速度为50mm/s，涂层喷涂遍数为2遍，厚度约为150μm。
4、在预先制备粘结层的基础之上冷喷涂钛粉制备钛合金层，具体工艺参数为：喷涂气体为氮气，冷喷涂的主气压力为3.0MPa，送粉气压为2.2MPa，主气温度为250℃，喷涂粉末流量为30～80g/min，喷涂距离为30mm，喷枪移动速度为50mm/s，涂层喷涂遍数为3遍。
对上述制备的涂层进行如下拉伸性能检测：基体与粘结层的结合强度为11.2MPa；粘结层与钛合金层的结合强度在23.1MPa。
实施例2
本实施例中，选择基体材料为厚度约20mm×20mm×2mm的碳纤维增强环氧树脂，先后在该基体表面沉积厚度100～200μm的铝涂层和400～800μm钛合金涂层，其中涂层具体制备流程如下：
1、将金属粉末原料用300目过滤筛筛选，保证粒径均匀以满足冷喷涂使用要求，经过120℃烘干1小时得到可喷涂的干燥粉末。
2、将碳纤维增强环氧基体置于丙酮中超声清洗5～10分钟，干燥处理后得到表面洁净的基体。
3、预先在涂层表面喷涂铝粉制备粘结层，喷涂方法为冷喷涂，具体工艺参数为：喷涂气体为氮气，冷喷涂的主气压力为1.5MPa，送粉气压为2.0MPa，主气温度为200℃，喷涂粉末流量为30～80g/min，喷涂距离为30mm，喷枪移动速度为50mm/s，涂层喷涂遍数为2遍，厚度为120μm。
4、在预先制备粘结层的基础之上冷喷涂钛合金涂层，具体工艺参数为：喷涂气体为氮气，冷喷涂的主气压力为2.5MPa，送粉气压为2.2MPa，主气温度为300℃，喷涂粉末流量为30～80g/min，喷涂距离为30mm，喷枪移动速度为50mm/s，涂层喷涂遍数为3遍。
对上述制备的涂层进行如下拉伸性能检测：基体与铝粘结层的结合强度为14.5MPa；铝粘结层与钛合金的结合强度为26.7MPa。
经试验，采用冷喷涂工艺直接在基材上无法沉积，成膜困难，可见本发明中采用铝粉、锡粉或锌粉等延展性优良的金属粉末作为过渡的金属，在聚合物和钛合金之间起到桥梁作用，增强钛合金层与聚合物的粘结性。
Claims (4)
1.一种用于发动机叶片的钛合金复合涂层，其特征在于，所述钛合金复合涂层在基体表面依次包括粘接层和钛合金层，厚度为500～1000μm，所述钛合金复合涂层与基体间拉伸结合强度为25～30MPa；所述粘接层为铝粉、锡粉或锌粉喷涂形成，厚度为100～200μm；所述钛合金层为钛粉喷涂形成，厚度为400～800μm；
所述基体包括纤维增强聚合物，所述聚合物包括聚醚醚酮、环氧树脂、尼龙、高密度聚乙烯中任一种；
所述铝粉、锡粉或钛粉的粒径为30～50μm，均采用球形粉末；
制备粘接层的工艺参数：主气压力为0.5～3.5MPa，送粉气压为0.5～2.5MPa，主气温度为100～300℃，喷涂粉末流量为30～80g/min，喷涂距离为25～40mm，喷枪移动速度为30～60mm/s，涂层喷涂遍数为1～2遍；
制备钛合金涂层的工艺参数：冷喷涂的主气压力为0.5～3.5MPa，送粉气压为0.5～2.5MPa，主气温度为100～300℃，喷涂粉末流量为30～80g/min，喷涂距离为25～40mm，喷枪移动速度为40～60mm/s，涂层喷涂遍数为1～3遍；
所述主气或送粉气体为氮气、氢气、氦气中的一种。
2.根据权利要求1所述的用于发动机叶片的钛合金复合涂层的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)清洗基体：将基体置于丙酮中超声清洗5～10min；
(2)利用冷喷涂工艺在基体表面喷涂金属粉末形成粘接层；所述金属粉末为铝粉、锡粉或锌粉；
(3)利用冷喷涂工艺在粘接层上喷涂钛粉形成钛合金层。
3.根据权利要求2所述的用于发动机叶片的钛合金复合涂层的制备方法，其特征在于，所述基体的清洗过程还包括喷砂粗化过程，采用压缩空气作为推力，压力为0.8～1.2MPa，喷砂时间为10～20秒，砂的粒径为5～20μm。
4.根据权利要求2所述的用于发动机叶片的钛合金复合涂层的制备方法，其特征在于，喷涂用的原始粉末经250～400目的过筛，再在100～120℃保温干燥1h以上。
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