CN111519180A - 一种用于飞机机翼的金属陶瓷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，公开了一种用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层及其制备方法，金属陶瓷复合涂层由金属陶瓷复合粉末喷涂而成，厚度在300μm以上，与基体的拉伸结合强度在15～30MPa；金属陶瓷复合粉末为铝与氧化铝或碳化硅的混合物，其中铝与氧化铝的体积比为7:3～4:1；铝与碳化硅的体积比为3:1～9:1。该金属陶瓷复合涂层通过冷喷涂工艺制备，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，加工技术操作简单，形成的涂层结合强度高，耐腐性能好，在航空航天工程领域有着广泛地应用前景。

Description

一种用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能涂层技术领域，具体涉及一种用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层及其制备方法。
背景技术
在航空航天领域中，如飞机等，这些航空航天装备的服役环境往往变化剧烈，情况恶劣。在恶劣环境如腐蚀环境的影响下，航空装备的结构性能稳定性会受到很大的影响，使得航空航天安全系数下降。因此，表面处理技术的在航空航天领域的应用越来越多，通过金属表面处理技术来提高材料表面的各种性能，如耐蚀性、耐热性、耐氧化性等，有利于提高飞机飞行的稳定性和服役周期。
在飞机服役过程中，腐蚀是影响飞机结构部件性能所不可避免的因素。通常，在腐蚀性较强的环境，如潮湿的空气、雾等，在这些恶劣的腐蚀环境下，特别是酸性腐蚀环境下，飞机上的金属结构部件常常会在腐蚀与疲劳的共同作用下承载能力下降；而高分子聚合物部件在这种服役环境下又容易发生老化。在高空超高音速飞行时，飞机机翼所处的气动热环境极为恶劣。气动加热比较严重的区域，如飞机的翼前缘等尖锐的局部结构处，在气动热作用下，进入结构内的温度大幅度地升高，高温时甚至可能引起材料的失效。从而影响飞机结构的稳定性，对飞行安全构成了严重的威胁。
CN103587210A和CN 103587211 A公开了一种具有涂层的飞机机翼外壳，包括蒙皮基材和防护涂层，该防护涂层包括一层锌黄丙烯酸聚氨酯底漆和两层氟碳面漆，所述氟碳面漆的A组分包括下列成分：高羟基含氟丙烯酸树脂、颜色填料、纳米氧化镁、纳米二氧化钛、流平剂、消泡剂、分散剂、催化剂和溶剂。根据本发明的飞机机翼外壳能够更好地适应当前日益苛刻的飞行条件，提高了飞行安全性。但配方原料制备过程工艺复杂，且涂层属于高分子材料，在飞机飞行过程中，恶劣环境下已发生老化，从而保护性能减弱。
金属陶瓷复合材料具有较强的耐腐蚀性、耐热性，通过在飞机机翼局部结构表面制备一层金属陶瓷复合涂层，可以有效缓解这一问题。利用金属陶瓷复合材料自身的耐高温、耐腐蚀来满足飞机的飞行条件要求。金属陶瓷复合材料作为一种在航空航天领域使用广泛的表面结构保护材料，已引起了越来越多的关注。
冷喷涂是一种基于空气动力学的新型热喷涂成型技术，相对于其他表面合金化技术，它有以下明显的优势：喷涂效率高，沉积效率高，适合大批量生产；涂层的化学成分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，适合在碳纤维复合材料等低熔点材料表面沉积。针对不同材料，冷喷涂的工艺也要精准掌控。
发明内容
本发明旨在提供一种制备方法简单，具有较高的耐腐蚀性、耐热性和耐氧化性金属陶瓷复合涂层，用于飞机机翼中有利于提高飞机飞行的稳定性和服役周期。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层，所述金属陶瓷复合涂层由金属陶瓷复合粉末喷涂而成，厚度在300μm以上，与基体的拉伸结合强度在15～30MPa；所述金属陶瓷复合粉末为铝与氧化铝或碳化硅的混合物，其中铝与氧化铝的体积比为7:3～4:1；铝与碳化硅的体积比为3:1～9:1。
本发明中将异种材料混合后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、涂层质量差、残余应力大的缺陷，也不会出现间接焊接法过程繁琐、条件苛刻的问题。因此，本发明采用冷喷涂加速颗粒，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，又能保证金属涂层与基体材料的高强度结合。
所述基体包括碳纤维增强聚合物或轻量化合金；所述碳纤维增强聚合物包括碳纤维增强聚醚醚酮或碳纤维增强环氧树脂，所述轻量化合金包括铝合金或镁合金。
碳纤维增强聚合物基复合材料、轻量化合金由于质量轻、塑性好等特点已被广泛应用在飞机零部件中以减少能耗。在其表面制备金属层是为了使部件具有较好的耐磨性以及耐腐蚀性等优点。颗粒在高速的撞击过程中，在界面发生不同程度的塑性变形。但是在聚合物基体上，沉积的第一层复合涂层并不发生塑性变形，而是以一种嵌入的方式结合，相反在合金表面则发生严重的变形，产生机械咬合。所以导致金属陶瓷复合粉末/金属基体的结合强度明显优于金属陶瓷复合粉末/聚合物基体。
优选地，当所述基体为碳纤维增强聚合物时，所述金属陶瓷复合粉末中铝与氧化铝的体积比为3:1～4:1，铝与碳化硅的体积比为7:1～9:1。陶瓷金属基复合粉末在飞行过程中由于化学特性不一样，导致在撞击的过程中金属颗粒发生不同程度的塑性变形、陶瓷颗粒发生不同程度的破碎。当基体为聚合物时，由于弹塑性较好、熔点低，为了避免颗粒回弹，以及陶瓷颗粒对基体产生侵蚀现象，因此选用较低的喷涂参数以及较低的陶瓷含量。
优选地，当所述基体为轻量化合金时，所述金属陶瓷复合粉末中铝与氧化铝的体积比为7:3～3.1，铝与碳化硅的体积比为3:1～7:1。
所述金属陶瓷复合涂层与碳纤维增强聚合物基体的拉伸结合强度为15～20MPa，与轻量化合金基体拉伸结合强度在25～30MPa。在聚合物基体中，第一层沉积的复合涂层主要是以颗粒嵌入聚合物基体中为主，颗粒不发生塑性变形与破碎；而在合金基体中，金属铝颗粒在基体表面发生了严重的塑性变形，使得涂层结合强度显著提高。
本发明还提供所述的用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层的制备方法，包括步骤：(1)清洗基体；(2)制备金属陶瓷复合粉末；(3)基体表面冷喷涂金属陶瓷复合涂层。
所述清洗基体的步骤包括：将基体于丙酮中超声清洗5～10分钟，干燥处理后得到表面洁净的基体，保证基体表面无污渍、油脂等，增强基体与涂层的结合强度。
所述金属陶瓷复合粉末的制备包括步骤：
(1)将铝粉经150～250目筛子过筛后，在100～120℃条件下保温1～2h；
(2)将氧化铝/碳化硅粉末球磨1～2h后，再经700～900目筛子过筛，在100～120℃条件下保温1～2h；
(3)将干燥后铝粉和氧化铝/碳化硅粉末机械混合1h得到所述金属陶瓷复合粉末。
所述冷喷涂工艺参数：冷喷涂的主气压力为1.0～3.5MPa，送粉气压为0.5～2.5MPa，主气温度为150～400℃喷涂粉末流量为30～80g/min，喷涂距离为25～40mm，喷枪移动速度为20～60mm/s，涂层喷涂遍数为1～3遍。
优选地，当基体为铝合金时，所述冷喷涂工艺参数：冷喷涂的主气压力为3.0MPa，送粉气压为2.2MPa，主气温度为300℃，喷涂粉末流量为60g/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；
优选地，当基体为碳纤维增强聚醚醚酮时，所述冷喷涂工艺参数：冷喷涂的主气压力为2.5MPa，送粉气压为2.2MPa，主气温度为200℃，喷涂粉末流量为60g/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。
冷喷涂工艺针对不同基体进行调整具体参数，对所获得的涂层性能有较大影响，在以上条件下，对应的基体喷涂获得的涂层性能最好。
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，降低涂层的空隙率，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。
因此，本发明提供的一种冷喷涂金属陶瓷复合涂层增强的飞机机翼及其制备方法具有节能环保、耐热性能优越和适应于产业化等优点，在航空航天工程领域有着广泛地应用前景。
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。
实施例1
选择尺寸约25mm×20mm×2mm的碳纤维增强聚醚醚酮聚合物作为基体材料，在该基体表面利用冷喷涂工艺沉积厚度约为500μm的碳化硅/铝复合涂层作为耐腐蚀、耐热涂层，制备过程包括如下：
1、碳化硅/铝复合粉末在使用前，铝粉在使用经150～250目后，在100～120℃条件下保温1～2小时；碳化硅粉末进行球磨1～2个小时后，再经过700～900目筛子过筛，在100～120℃条件下保温1～2小时。将干燥后碳化硅粉末和铝粉进行机械混合1小时即为所得的可直接用于喷涂的粉末。
2、将碳纤维聚醚醚酮聚合物基体置于丙酮中超声清洗5～10分钟去除油污，干燥处理后得到表面洁净的基体。
3、利用冷喷涂技术在基体表面喷涂碳化硅/铝复合粉末，冷喷涂具体工艺参数为：冷喷涂的主气压力为2.0MPa，送粉气压为2.2MPa，主气温度为200℃，喷涂粉末流量为60g/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。
按照《GB/T2651-2008焊接接头拉伸试验方法》国家标准，将喷好的拉伸试样在万能试验机进行拉伸力学测试，碳纤维增强聚醚醚酮和碳化硅/铝复合涂层的结合强度在15.4MPa。
实施例2
选择尺寸约25mm×20mm×2mm的碳纤维增强聚醚醚酮聚合物作为基体材料，在该基体表面利用冷喷涂工艺沉积厚度约为500μm的氧化铝/铝复合涂层作为耐腐蚀、耐热涂层，制备过程包括如下：
1、氧化铝/铝复合粉末在使用前，铝粉在使用经150～250目后，在100～120℃条件下保温1～2小时；氧化铝粉末进行球磨1～2个小时后，再经过700～900目筛子过筛，在100～120℃条件下保温1～2小时。将干燥后氧化铝和铝粉末进行机械混合1小时即为所得的可直接用于喷涂的粉末。
2、将碳纤维聚醚醚酮聚合物基体置于丙酮中超声清洗5～10分钟去除油污，干燥处理后得到表面洁净的基体。
3、利用冷喷涂技术在基体表面喷涂氧化铝/铝复合粉末，冷喷涂具体工艺参数为：冷喷涂的主气压力为2.5MPa，送粉气压为2.2MPa，主气温度为200℃，喷涂粉末流量为60g/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：碳纤维增强聚醚醚酮基体和氧化铝/铝基复合涂层的结合强度在17.7MPa。
实施例3
选择尺寸约25mm×20mm×2mm的2024型号铝合金作为基体材料，在该基体表面利用冷喷涂工艺沉积厚度约为500μm的碳化硅/铝复合涂层作为耐腐蚀、耐热涂层，制备过程包括如下：
1、碳化硅/铝在使用前，铝粉末在使用经150～250目后，在100～120℃条件下保温1～2小时；碳化硅粉末进行球磨1～2个小时后，再经过700～900目筛子过筛，在100～120℃条件下保温1～2小时。将干燥后碳化硅粉末和铝粉末进行机械混合1小时即为所得的可直接用于喷涂的粉末。
2、将2024型铝合金基体置于丙酮中超声清洗5～10分钟去除油污，干燥处理后得到表面洁净的基体。
3、利用冷喷涂技术在基体表面喷涂碳化硅/铝复合粉末，冷喷涂具体工艺参数为：冷喷涂的主气压力为3.0MPa，送粉气压为2.2MPa，主气温度为350℃，喷涂粉末流量为60g/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：2024型铝合金和碳化硅/铝复合涂层的结合强度在26.8MPa。
实施例4
选择尺寸约25mm×20mm×2mm的2024型号铝合金作为基体材料，在该基体表面利用冷喷涂工艺沉积厚度约为500μm的氧化铝/铝复合涂层作为耐腐蚀、耐热涂层，其中复合粉末和基体的前处理方法如下：
1、氧化铝/铝复合粉末在使用前，铝粉末在使用经150～250目后，在100～120℃条件下保温1～2小时；氧化铝粉末进行球磨1～2个小时后，再经过700～900目筛子过筛，在100～120℃条件下保温1～2小时。将干燥后金属和陶瓷粉末进行机械混合1小时即为所得的可直接用于喷涂的粉末。
2、将2024型铝合金基体置于丙酮中超声清洗5～10分钟去除油污，干燥处理后得到表面洁净的基体。
3、利用冷喷涂技术在基体表面喷涂碳化硅/铝复合粉末，冷喷涂具体工艺参数为：冷喷涂的主气压力为3.0MPa，送粉气压为2.2MPa，主气温度为300℃，喷涂粉末流量为60g/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：2024型铝合金和氧化铝/铝复合涂层的结合强度在28.7MPa。
各实施例所获得的涂层与基体的结合强度整理如表1所示，可见本发明制备的陶瓷金属复合涂层与基体间的结合强度良好，
将实施例3、4制备的含涂层和无涂层的2024铝合金基体置于电化学工作站中，测试其耐腐蚀性能，具体电化学参数如表2所示，其中Icorr表示腐蚀电流；Ecorr表示腐蚀电压。可见实施例3和4的基体，因表面喷涂了金属陶瓷复合涂层，相较于纯2024铝合金基体其腐蚀速率降低了很多，耐腐蚀性能大幅度提高。
表1各实施例所得涂层与基体的拉伸强度测试数据
序号 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
涂层与基体的结合强度/MPa 15.4 17.7 26.8 28.7
表2极化曲线的电化学参数
试样编号 I<sub>corr</sub>(A/cm<sup>2</sup>) E<sub>corr</sub>(Volts) 腐蚀速率(mm/a)
实施例3 7.9755×10<sup>-9</sup> -1.21209 0.00225
实施例4 3.03902×10<sup>-7</sup> -1.11787 0.00331
无涂层的2024铝合金 7.3949×10<sup>-6</sup> -1.0395 0.080767

Claims (10)

1.一种用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层，其特征在于，所述金属陶瓷复合涂层由金属陶瓷复合粉末喷涂而成，厚度在300μm以上，与基体的拉伸结合强度在15～30MPa；所述金属陶瓷复合粉末为铝与氧化铝或碳化硅的混合物，其中铝与氧化铝的体积比为7:3～4:1；铝与碳化硅的体积比为3:1～9:1。
2.根据权利要求1所述的用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层，其特征在于，所述基体包括碳纤维增强聚合物或轻量化合金；所述碳纤维增强聚合物包括碳纤维增强聚醚醚酮或碳纤维增强环氧树脂，所述轻量化合金包括铝合金或镁合金。
3.根据权利要求2所述的用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层，其特征在于，当所述基体为碳纤维增强聚合物时，所述金属陶瓷复合粉末中铝与氧化铝的体积比为3:1～4:1，铝与碳化硅的体积比为7:1～9:1。
4.根据权利要求2所述的用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层，其特征在于，当所述基体为轻量化合金时，所述金属陶瓷复合粉末中铝与氧化铝的体积比为7:3～3.1，铝与碳化硅的体积比为3:1～7:1。
5.根据权利要求2所述的用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层，其特征在于，所述金属陶瓷复合涂层与碳纤维增强聚合物基体的拉伸结合强度为15～20MPa，与轻量化合金基体拉伸结合强度在25～30MPa。
6.根据权利要求1～5任一项所述的用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)清洗基体；
(2)制备金属陶瓷复合粉末；
(3)基体表面冷喷涂金属陶瓷复合涂层。
7.根据权利要求6所述的用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，所述清洗基体的步骤包括：将基体于丙酮中超声清洗5～10分钟，干燥处理后得到表面洁净的基体。
8.根据权利要求6所述的用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，所述金属陶瓷复合粉末的制备包括步骤：
(1)将铝粉经150～250目筛子过筛后，在100～120℃条件下保温1～2h；
(2)将氧化铝/碳化硅粉末球磨1～2h后，再经700～900目筛子过筛，在100～120℃条件下保温1～2h；
(3)将干燥后铝粉和氧化铝/碳化硅粉末机械混合1h得到所述金属陶瓷复合粉末。
9.根据权利要求6所述的用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，所述冷喷涂工艺参数：冷喷涂的主气压力为1.0～3.5MPa，送粉气压为0.5～2.5MPa，主气温度为150～400℃喷涂粉末流量为30～80g/min，喷涂距离为25～40mm，喷枪移动速度为20～60mm/s，涂层喷涂遍数为1～3遍。
10.根据权利要求6所述的用于飞机机翼的金属陶瓷复合涂层的制备方法，其特征在于，当基体为铝合金时，所述冷喷涂工艺参数：冷喷涂的主气压力为3.0MPa，送粉气压为2.2MPa，主气温度为300℃，喷涂粉末流量为60g/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；
当基体为碳纤维增强聚醚醚酮时，所述冷喷涂工艺参数：冷喷涂的主气压力为2.5MPa，送粉气压为2.2MPa，主气温度为200℃，喷涂粉末流量为60g/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。
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