CN112359312B - 一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层及其低压等离子喷涂制备方法 - Google Patents

一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层及其低压等离子喷涂制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层低压等离子喷涂制备方法，包括：清洁翼类结构件表面；将翼类结构件通过下端面螺纹孔固定在真空室内转台上；采用六轴机械手夹持低压等离子喷枪，首先在翼类结构件前缘面、前端面制备高温抗氧化涂层，喷涂轨迹采用弓字形；将真空室内转台顺时针旋转90°完成其中一个侧面喷涂，喷涂轨迹采用弓字形；采用相同的方式依次完成其他面的喷涂；重复喷涂，直到涂层厚度满足要求值，喷涂完毕，取出翼类结构件。本发明可一次完成翼类结构件表面高温抗氧化涂层制备，具有涂层制备效率高的特点，制备的高温抗氧化涂层厚度均匀，不易开裂和剥落，抗氧化烧蚀性能强。

Description

一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层及其低压等离子喷涂制 备方法
技术领域
本发明属于高温防护涂层技术领域，特别涉及一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层低压等离子喷涂制备方法。
背景技术
翼类结构件(材料为碳/碳、碳/碳化硅等复合材料)作为高超声速飞行器重要的热端部件，在飞行过程中要经受强烈的气动加热，前缘部位氧化烧蚀尤为严重。高温抗氧化涂层技术是实现翼前缘长时抗氧化烧蚀的重要手段。目前，制备高温抗氧化涂层的主要方法包括化学气相沉积、包埋法、刷涂法、低压等离子喷涂等，低压等离子喷涂制备涂层沉积效率高、涂层厚度可控，可实现复杂多层结构涂层制备，是制备高温抗氧化涂层的主要技术手段。
翼类结构件为异型结构，如图1所示，一般包括前后端面、左右侧面、前缘面以及下端面，涂层喷涂部位为前后端面、左右侧面、前缘面。针对该异形件涂层制备，常采用单次单面喷涂的方式，即喷涂完一个面再喷涂下一个面，由于低压等离子喷涂需在真空室内完成，因此，完成翼类结构件需要至少5炉。采用该工艺制备的涂层交界面处容易发生开裂、剥落等现象，同时涂层厚度均匀性较差，严重影响涂层的抗氧化烧蚀性能。
发明内容
本发明针对现有技术方法制备的抗氧化涂层表面易存在裂纹、厚度不均匀等缺陷导致抗氧化性能较低的问题，提供一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层低压等离子喷涂制备技术，以克服现有技术方法的不足，实现翼类结构件高温抗氧化涂层的一次连续制备。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层低压等离子喷涂制备方法，包括如下步骤：
步骤1，清洗翼类结构件表面，待干燥后用干净的压缩空气吹净表面浮尘；
步骤2，将翼类结构件通过下端面螺纹孔固定在真空室内转台上；
步骤3，采用机械结构夹持低压等离子喷枪，首先在翼类结构件前缘面、前端面制备高温抗氧化涂层，喷涂轨迹采用弓字形；
步骤4，将真空室内转台顺时针旋转90°完成其中一个侧面喷涂，喷涂轨迹采用弓字形；
步骤5：将真空室内转台顺时针继续旋转90°完成后端面喷涂，喷涂轨迹采用弓字形；
步骤6：将真空室内转台顺时针继续旋转90°完成另外一个侧面喷涂，喷涂轨迹采用弓字形；
步骤7：重复步骤3至步骤6，直到涂层厚度满足要求，喷涂完毕，取出翼类结构件。
第二方面，一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层，通过上述第一方面所述的制备方法制得。
根据本发明提供的一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层低压等离子喷涂制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明设计的翼类结构件表面高温抗氧化涂层低压等离子喷涂制备方法，可一次完成翼类结构件表面高温抗氧化涂层制备，具有涂层制备效率高的特点，喷涂炉次由至少5炉缩短到1炉，生产效率大幅提高；
(2)本发明制备的高温抗氧化涂层厚度均匀，厚度偏差可以控制在20μm以内，同时避免了各型面交界处涂层厚度大带来的开裂和剥落问题；
(3)本发明制备的高温抗氧化涂层抗烧蚀性能优异，高温抗氧化涂层经等离子火焰2000℃烧蚀600s后无开裂、剥落等失效现象。
附图说明
图1为本发明实施例1中翼类结构件示意图；
图2为本发明实施例1中翼类结构件前缘喷涂轨迹示意图；
图3为本发明实施例1中翼类结构件端面喷涂轨迹示意图；
图4为本发明实施例1中翼类结构件侧面喷涂轨迹示意图；
图5为本发明实施例1中ZrB2/SiC高温抗氧化涂层截面形貌；
图6为本发明实施例1中ZrB2/SiC高温抗氧化涂层烧蚀后表面形貌。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
根据本发明的第一方面，提供了一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层低压等离子喷涂制备方法，包括如下步骤：
步骤1，清洗翼类结构件表面，待干燥后用干净的压缩空气吹净表面浮尘；
步骤2，将翼类结构件通过下端面螺纹孔固定在真空室内转台上；
步骤3，采用机械结构如六轴机械手夹持低压等离子喷枪，首先在翼类结构件前缘面、前端面制备高温抗氧化涂层，喷涂轨迹采用弓字形，弓字形间距为3mm～6mm，低压等离子喷枪的移动速度为300mm/s～500mm/s；
步骤4，将真空室内转台顺时针旋转90°完成其中一个侧面喷涂，喷涂轨迹采用弓字形，弓字形间距为3mm～6mm，低压等离子喷枪的移动速度为300mm/s～500mm/s；
步骤5：将真空室内转台顺时针继续旋转90°完成后端面喷涂，喷涂轨迹采用弓字形，弓字形间距为3mm～6mm，低压等离子喷枪的移动速度为300mm/s～500mm/s；喷涂参数同步骤3；
步骤6：将真空室内转台顺时针继续旋转90°完成另外一个侧面喷涂，喷涂轨迹采用弓字形，弓字形间距为3mm～6mm，低压等离子喷枪的移动速度为300mm/s～500mm/s；
步骤7：重复步骤3至步骤6，直到涂层厚度满足要求，喷涂完毕，取出翼类结构件。
在本发明一种优选的实施方式中，步骤1中，采用易挥发性有机溶剂清洗翼类结构件表面，优选采用乙醇清洗翼类结构件表面。
在本发明一种优选的实施方式中，步骤3中，所述高温抗氧化涂层所用的粉体材料为ZrB2/SiC、ZrB2/MoSi2或ZrC/SiC。
在本发明一种优选的实施方式中，步骤3至步骤6中，低压等离子喷涂工艺参数包括：真空室压力为550mbar～900mbar，喷涂电流为550A～800A，喷涂电压为60V～80V，送粉量为15～35g/min，送粉载气流量为3～6.5L/min，喷涂距离为120mm～240mm。
进一步地，低压等离子喷涂工艺参数包括：真空室压力为600mbar～800mbar，喷涂电流为600A～700A，喷涂电压为65V～75V，送粉量为20～30g/min，送粉载气流量为4～6L/min，喷涂距离为150mm～200mm。
进一步地，步骤3至步骤6中，低压等离子喷涂工艺参数包括：真空室压力为700mbar～800mbar，喷涂电流为650A～700A，喷涂电压为70V～75V，送粉量为20g/min～25g/min，送粉载气流量为4L/min～5L/min，喷涂距离为160mm～200mm。进一步地，步骤3至步骤6中，低压等离子喷涂工艺参数一致。
ZrB2/SiC、ZrB2/MoSi2或ZrC/SiC粉末熔点大于3000℃，在工艺参数范围内应尽可能提高真空室压力，增大电流、电压，降低送粉量、喷涂距离，以实现粉末材料的充分熔化，降低涂层孔隙率，进而提高涂层抗氧化烧蚀性能。同时电流和电压过大，ZrB2/SiC、ZrB2/MoSi2或ZrC/SiC粉末在喷涂过程中烧损严重，造成涂层与粉末成分差异大，也会影响涂层抗氧化烧蚀性能。在上述参数范围内，能够有效保证粉末材料的充分熔化，降低涂层孔隙率，并避免喷涂过程中烧损严重，进而提高了涂层抗氧化烧蚀性能。
根据本发明的第二方面，提供了一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层，通过上述第一方面所述的制备方法制得。
实施例
实施例1
步骤1：将翼类结构件(结构示意图如图1所示)用酒精清洗，待干燥后用干净的压缩空气吹净表面浮尘；
步骤2：将翼类结构件通过下端面螺纹孔固定在真空室内转台上；
步骤3：采用六轴机械手夹持低压等离子喷枪，首先在翼类结构件前缘面、前端面制备ZrB2/SiC高温抗氧化涂层，喷涂轨迹(见图2和图3)采用弓字形，弓字形间距为3mm，喷枪移动速度为300mm/s；
低压等离子喷涂工艺参数：真空室压力为800mbar，喷涂电流为650A，喷涂电压为70V，送粉量为20g/min，送粉载气流量为4Lmin，喷涂距离为160mm。
步骤4：将转台顺时针旋转90°完成侧面1喷涂，喷涂轨迹(见图4)采用弓字形，弓字形间距为3mm，喷枪移动速度为300mm/s；喷涂参数同步骤3。
步骤5：将转台顺时针继续旋转90°完成后端面(见图3)喷涂，喷涂轨迹采用弓字形，弓字形间距为3mm，喷枪移动速度为300mm/s；喷涂参数同步骤3。
步骤6：将转台顺时针继续旋转90°完成侧面2喷涂，喷涂轨迹采用弓字形，弓字形间距为3mm，喷枪移动速度为300mm/s；喷涂参数同步骤3。
步骤7：重复步骤3到步骤6，喷涂遍数为10遍。喷涂完毕，取出结构件。
如图5所示为本发明实施例1中制备的ZrB2/SiC高温抗氧化涂层，可以看出涂层与基体界面结合紧密。对本发明实施例1中的结构件进行局部取样，采用金相法对各型面厚度进行测量，前缘面、前端面、后端面、侧面1、侧面2厚度平均值分别为150μm、162μm、148μm、145μm、156μm，平均值最大偏差为17μm。如图6所示为本发明实施例1中ZrB2/SiC基超高熔点碳化物抗氧化涂层经等离子火焰2000℃烧蚀600s后表面形貌，可以看出烧蚀后涂层表面无开裂和剥落等失效现象。
实施例2
步骤1：将翼类结构件(结构示意图如图1所示)用酒精清洗，待干燥后用干净的压缩空气吹净表面浮尘；
步骤2：将翼类结构件通过下端面螺纹孔固定在真空室内转台上；
步骤3：采用六轴机械手夹持低压等离子喷枪，首先在翼类结构件前缘面、前端面制备ZrB2/MoSi2高温抗氧化涂层，喷涂轨迹(见图2和图3)采用弓字形，弓字形间距为5mm，喷枪移动速度为400mm/s；
低压等离子喷涂工艺参数：真空室压力为800mbar，喷涂电流为700A，喷涂电压为75V，送粉量为20g/min，送粉载气流量为5L/min，喷涂距离为200mm。
步骤4：将转台顺时针旋转90°完成侧面1喷涂，喷涂轨迹(见图4)采用弓字形，弓字形间距为5mm，喷枪移动速度为400mm/s；喷涂参数同步骤3。
步骤5：将转台顺时针继续旋转90°完成后端面(见图3)喷涂，喷涂轨迹采用弓字形，弓字形间距为5mm，喷枪移动速度为400mm/s；喷涂参数同步骤3。
步骤6：将转台顺时针继续旋转90°完成侧面2喷涂，喷涂轨迹采用弓字形，弓字形间距为5mm，喷枪移动速度为400mm/s；喷涂参数同步骤3。
步骤7：重复步骤3到步骤6，喷涂遍数为15遍。喷涂完毕，取出结构件。
所制备的ZrB2/MoSi2高温抗氧化涂层与图5相似。对本发明实施例2中的结构件进行局部取样，采用金相法对各型面厚度进行测量，前缘面、前端面、后端面、侧面1、侧面2厚度平均值分别为231μm、211μm、225μm、215μm、228μm，平均值最大偏差为20μm。ZrB2/MoSi2抗氧化涂层经等离子火焰2000℃烧蚀600s后表面形貌与图6相似，表面无开裂和剥落等失效现象。
实施例3
步骤1：将翼类结构件(结构示意图如图1所示)用酒精清洗，待干燥后用干净的压缩空气吹净表面浮尘；
步骤2：将翼类结构件通过下端面螺纹孔固定在真空室内转台上；
步骤3：采用六轴机械手夹持低压等离子喷枪，首先在翼类结构件前缘面、前端面制备ZrC/SiC高温抗氧化涂层，喷涂轨迹(见图2和图3)采用弓字形，弓字形间距为6mm，喷枪移动速度为350mm/s；
低压等离子喷涂工艺参数：真空室压力为800mbar，喷涂电流为700A，喷涂电压为75V，送粉量为25g/min，送粉载气流量为5L/min，喷涂距离为200mm。
步骤4：将转台顺时针旋转90°完成侧面1喷涂，喷涂轨迹(见图4)采用弓字形，弓字形间距为6mm，喷枪移动速度为350mm/s；喷涂参数同步骤3。
步骤5：将转台顺时针继续旋转90°完成后端面(见图3)喷涂，喷涂轨迹采用弓字形，弓字形间距为6mm，喷枪移动速度为350mm/s；喷涂参数同步骤3。
步骤6：将转台顺时针继续旋转90°完成侧面2喷涂，喷涂轨迹采用弓字形，弓字形间距为6mm，喷枪移动速度为350mm/s；喷涂参数同步骤3。
步骤7：重复步骤3到步骤6，喷涂遍数为20遍。喷涂完毕，取出结构件。
所制备的ZrC/SiC高温抗氧化涂层与图5相似。对本发明实施例3中的结构件进行局部取样，采用金相法对各型面厚度进行测量，前缘面、前端面、后端面、侧面1、侧面2厚度平均值分别为310μm、305μm、296μm、302μm、315μm，平均值最大偏差为19μm。ZrC/SiC抗氧化涂层经等离子火焰2000℃烧蚀600s后表面形貌与图6相似，表面无开裂和剥落等失效现象。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层低压等离子喷涂制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，清洗翼类结构件表面，待干燥后用干净的压缩空气吹净表面浮尘；
步骤2，将翼类结构件通过下端面螺纹孔固定在真空室内转台上；
步骤3，采用机械结构夹持低压等离子喷枪，首先在翼类结构件前缘面、前端面制备高温抗氧化涂层，喷涂轨迹采用弓字形；所述高温抗氧化涂层所用的粉体材料为ZrB2/SiC、ZrB2/MoSi2或ZrC/SiC；
步骤4，将真空室内转台顺时针旋转90°完成其中一个侧面喷涂，喷涂轨迹采用弓字形；
步骤5：将真空室内转台顺时针继续旋转90°完成后端面喷涂，喷涂轨迹采用弓字形；
步骤6：将真空室内转台顺时针继续旋转90°完成另外一个侧面喷涂，喷涂轨迹采用弓字形；步骤3至步骤6中，弓字形间距为3mm～6mm，低压等离子喷枪的移动速度为300mm/s～500mm/s；低压等离子喷涂工艺参数包括：真空室压力为700mbar～800mbar，喷涂电流为650A～700A，喷涂电压为70V～75V，送粉量为20g/min～25g/min，送粉载气流量为4L/min～5L/min，喷涂距离为160mm～200mm；
步骤7：重复步骤3至步骤6，直到涂层厚度满足要求，喷涂完毕，取出翼类结构件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，采用易挥发性有机溶剂清洗翼类结构件表面。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3至步骤6中，低压等离子喷涂工艺参数一致。
4.一种翼类结构件表面高温抗氧化涂层，通过权利要求1至3之一所述的制备方法制得。
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