CN112626439B - 一种曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法及喷涂方法 - Google Patents

一种曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法及喷涂方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法及喷涂方法，属于航空航天材料技术领域，解决了现有技术中激光毛化作用不能对曲面薄壁件进行等离子喷涂前处理的问题。本发明的曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法，通过激光毛化的方法对曲面薄壁件等离子喷涂进行前处理，曲面薄壁件为异形曲面结构件，薄壁壁厚不超过3毫米；激光毛化的激光功率为80‑120W，激光频率为15‑28KHz，扫描速度为1990‑2010mm/s，扫描间距为0.1‑0.4mm。使用本发明的曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法能够在航空航天材料喷涂领域进行广泛的推广和使用。

Description

一种曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法及喷涂方法
技术领域
本发明涉及航空航天材料技术领域，尤其涉及一种曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法及喷涂方法。
背景技术
等离子喷涂作为一种材料表面强化和表面改性的新技术，可以使基材表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、隔热等性能，在航天航空领域得到广泛应用。常用的等离子喷涂前的前处理方法为喷砂，但对于常用的薄壁件来说，喷砂若压力过小或参数选择不合适将造成涂层与金属基体的结合力较弱；若压力过大，因薄壁件本身的强度较弱，则易造成薄壁件的变形，损坏基体结构。因此，找寻新的、对薄壁件变形影响小的前处理方式迫在眉睫。
新型前处理技术——激光毛化是一个复杂的激光与物质相互作用的冶金物理化学过程。激光毛化技术具有毛化点形状和分布可控、粗糙度和密度可大范围精确调整等特点，但目前激光毛化只在冷轧辊和钢板上有一定程度的应用。曲面薄壁件是航空航天领域广泛使用的极为重要的材料。由于航空航天领域对空气动力学有特殊要求，该零件会依据整个飞行器或者航天器的空气动力步距设置成结构不同的各种薄壁结构件。同时航空航天领域对材料的轻量化要求极高，材料均在保证力学强度和性能的前提下，采用轻量化的薄壁结构。
由于航天领域的曲面薄壁件具有薄壁结构，在激光毛化作用过程中对工艺要求特殊，如有不慎会造成材料结构的损坏和损毁。同时激光毛化处理还要保证后续等离子喷涂的顺利进行，不能对后续的等离子喷涂造成不良影响。因此，探寻开发适用于航空航天领域的曲面薄壁件的等离子喷涂前处理办法非常困难和迫切。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法，用以解决现有激光毛化作用不能对曲面薄壁件进行等离子喷涂前处理的问题。
一方面，本发明提供一种曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法，通过激光毛化的方法对曲面薄壁件进行等离子喷涂前处理，所述的曲面薄壁件为异形曲面结构件，薄壁件壁厚不超过3毫米；
所述激光毛化的激光功率为80-120W，激光频率为15-28KHz，扫描速度为1-4m/s，扫描间距为0.1-0.4mm。
进一步地，所述曲面薄壁件的材质为GH99合金，所述激光毛化的激光功率为95-105W，激光频率为19-20KHz，扫描速度为1990-2010mm/s，扫描间距为0.2-0.3mm。
进一步地，所述曲面薄壁件的材质为TA15合金，所述激光毛化的激光功率为97-107W，激光频率为18-21KHz，扫描速度为1990-2010mm/s，扫描间距为0.2-0.3mm。
进一步地，所述曲面薄壁件的材质为Ti60合金，所述激光毛化的激光功率为97-107W，激光频率为18-21KHz，扫描速度为1990-2010mm/s，扫描间距为0.2-0.3mm。
进一步地，所述曲面薄壁件的材质为GH3536合金，所述激光毛化的激光功率为95-105W，激光频率为19-20KHz，扫描速度为1990-2020mm/s，扫描间距为0.2-0.3mm。
进一步地，曲面薄壁件外表面曲率半径在160-175mm之间，内表面有5个以上凸台与2条以上加强筋，最大厚度不超过3mm。所述激光毛化的激光功率为95-105W，激光频率为19-20KHz，扫描速度为1990-2010mm/s，扫描间距为0.2-0.3mm。
进一步地，曲面薄壁件外表面曲率半径在390-400mm之间，内表面有6个以上凸台与1条以上加强筋，最大厚度不超过3mm。所述激光毛化的激光功率为97-107W，激光频率为18-21KHz，扫描速度为1990-2010mm/s，扫描间距为0.2-0.3mm。
进一步地，激光毛化后，曲面薄壁件的表面粗糙度为6-35um。
进一步地，激光毛化后，曲面薄壁件的表面粗糙度为6-37um。
另一方面，本发明提供一种曲面薄壁件等离子喷涂方法，采用上述的曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法对曲面薄壁件进行前处理，再对曲面薄壁件进行等离子喷涂。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)不同于常用的喷砂这一等离子喷涂前处理方法，本发明采用激光毛化进行航空航天领域的曲面薄壁件等离子喷涂前处理，航空航天领域的曲面薄壁件的材料一般多为钛合金、铝合金、镍合金等，航空航天领域材料需要在大气层与空气摩擦普遍具有耐高温的特性，本发明通过激光毛化实现了对具有耐高温的航空航天曲面薄壁件等离子喷涂的前处理。
(2)目前激光毛化只在冷轧辊和钢板上有一定程度的应用，由于航空航天领域的曲面薄壁件与冷轧辊和钢板存在很大差异，曲面薄壁件由于厚度低、结构单薄，在激光毛化时极易产生力学性能的改变，同时曲面薄壁件在激光照射时极易发生熔融、洞穿和损毁热学性能的改变，或者发生变形、曲面平坦化或曲率加剧，因此尚未见激光毛化在曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法中的应用。本发明将曲面薄壁件等离子喷涂前处理进行激光毛化，激光作用相比传统的物理接触作用更加温和，使用激光毛化对曲面薄壁件等离子喷涂前处理局部最大变形量远远小于喷砂法对曲面薄壁件等离子喷涂前处理产生的变形量，对于2～3毫米厚的曲面薄壁件，喷砂可产生±1mm以上变形，而激光毛化可在满足表面粗糙度的条件下仅产生±0.2mm以内的变形。
(3)由于曲面薄壁件是壁厚3毫米以内的薄壁异形曲面结构件，在激光毛化过程中容易出现洞穿、熔化和损毁，本发明通过控制激光功率在80-120W，激光频率在15-28KHz，有效的避免了上述问题，实现了对曲面薄壁件通过激光毛化进行等离子喷涂前处理，获得了良好的粗糙度(≥7um)的前处理效果，后续等离子喷涂涂层结合力好(≥35MPa)。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件：
图1为实施例一的网格化扫描方式示意图；
图2为实施例一的曲面薄壁件外观图；
图3a为实施例一未经前处理的表面形貌的分析图；
图3b为实施例一经1次激光毛化后的表面形貌的分析图；
图3c为实施例一经3次激光毛化后的表面形貌的分析图；
图3d为实施例一经5次激光毛化后的表面形貌的分析图；
图3e为实施例一经7次激光毛化后的表面形貌的分析图；
图3f为实施例一经9次激光毛化后的表面形貌的分析图；
图4为实施例一经激光毛化后变形量分析图。
具体实施方式
曲面薄壁件是壁厚3毫米以内的薄壁异形曲面结构件，所称异形曲面结构件是指内表面加工有凸台和/或加强筋的曲面结构件，包括薄壁舱段、薄壁盖板等，是航空航天领域材料中在保证力学强度和性能的前提下，壁厚3毫米以内薄壁结构。因此，曲面薄壁件等离子喷涂前处理中激光毛化作用过程中对工艺要求特殊，如有不慎会造成材料结构的损坏和损毁。同时激光毛化处理还要保证后续等离子喷涂的高质量进行，不能对后续的等离子喷涂造成不良影响。
由于曲面薄壁件壁厚在3毫米以内，在曲面薄壁件等离子喷涂前处理中，激光照射能量对材料结构影响巨大，激光方向性好，能量聚集，激光能量过大直接造成曲面薄壁件的洞穿和熔化损毁。经研究，曲面薄壁件等离子喷涂前处理中激光毛化的激光功率和激光频率是影响激光毛化工艺中激光能量的最重要参数。激光功率直接表现为单位时间激光的能量，激光频率则直接表现为单位之间激光作用次数的多少。激光频率对曲面薄壁件等离子喷涂前处理的效果影响十分明显。
经过反复研究，采用激光毛化对曲面薄壁件等离子喷涂前处理，激光功率为80-120W，激光功率范围如此之窄是由于曲面薄壁件进行激光毛化的特殊工艺所致：当激光功率大于120W，激光毛化过程中曲面薄壁件表面就会出现少许熔化，若激光功率更大超过250W，则可能直接将造成薄壁结构升温变软，甚至可能洞穿和熔化，因此激光功率必须控制120W以内；当激光功率小于80W时，则会造成因激光功率过低，无法达到良好的毛化效果，对后续等离子喷涂产生不良影响。因此曲面薄壁件等离子喷涂前处理中激光毛化的激光功率范围为80-120W。其中，优选地曲面薄壁件等离子喷涂前处理中激光毛化的激光功率为100W，经研究，在此功率下，激光对曲面薄壁件可以达到最佳的毛化效果且不会因为功率过高对曲面薄壁件本身产生高温加热、洞穿、熔融等热学上的不良影响。
而对曲面薄壁件等离子喷涂前处理，进行激光毛化频率为15-28KHz。当激光频率小于15KHz时，曲面薄壁件等离子喷涂前处理激光毛化的粗糙度，因激光频率过低而无法形成表面足够的粗糙效果；当激光频率大于28KHz时，由于激光频率过高而导致激光作用过强，由于曲面薄壁件壁厚在3毫米以内，过强的激光作用对材料内部也造成破坏，降低了材料强度，不仅如此，当激光频率大于28KHz时，激光作用在材料表面的凹槽也会出现部分熔融，使得粗糙度效果反而下降。因此，曲面薄壁件等离子喷涂前处理，进行激光毛化选用的频率控制为15-28KHz。其中，优选地曲面薄壁件等离子喷涂前处理中激光毛化的激光频率为20KHz，经研究在此频率下，激光对曲面薄壁件可以达到最佳的毛化效果且不会因为频率过高对曲面薄壁件本身产生强度降低、拉伸性能改变等力学上的不良影响。
曲面薄壁件等离子喷涂前处理进行激光毛化作用中，除上述激光频率和激光功率的影响外，在激光扫描过程中，扫描速度和扫描间距对曲面薄壁件等离子喷涂前处理的效果也存在重要影响。扫描速度是曲面薄壁件等离子喷涂前处理进行激光毛化过程中，激光的移动速度，其直接影响到激光对单点材料表面的作用时间。而扫描间距影响直接影响激光作用轨迹的距离远近，对曲面薄壁件等离子喷涂前处理的效果产生直接的影响。
当激光扫描速度的逐步变小，因激光扫描移动速度过慢，激光在每个作用点上作用的时间变长，造成能量的累积，激光对材料的烧蚀程度不断增加，凹槽的深度不断增加，基体表面粗糙度增加，但若激光扫描速度低于1m/s，曲面薄壁件表面产生过度烧灼，曲面薄壁件表面出现不同程度的融化，粗糙度有所降低，更为严重的会造成洞穿甚至损毁；而随扫描速度的增大，激光扫描移动速度变快，激光在每个作用点上作用的时间变短，凹槽底部的粗糙度逐渐减小，当激光扫描速度大于4m/s，激光扫描移动速度过快，激光在每个作用点上还未进行充分的照射，导致照射能量累积不足，无法形成良好的毛化凹槽，曲面薄壁件等离子喷涂前处理无法达到预期要求。因此，曲面薄壁件等离子喷涂前处理激光扫描速度控制在1-4m/s。
随着激光扫描间距的增大，曲面薄壁件等离子喷涂前处理的粗糙度呈现了先增大后减小的趋势，在曲面薄壁件等离子喷涂前处理激光扫描间距等于0.1-0.4mm时，达到最佳的曲面薄壁件等离子喷涂前处理激光毛化效果。
但对于扫描次数，由于不同的曲面薄壁件所具有的曲面不同，薄壁的材料不同，薄壁的厚度不同，最佳的扫描次数也不同，即在2次-7次。
需要说明的是，在曲面薄壁件等离子喷涂前处理时，进行激光毛化，由于激光能量集中，每次作用都会造成微小的材料形状的变化，多次的扫描会造成形状改变的累加，即多次扫描会造成较大、较明显的变形量，这种变形量在曲面薄壁件所应用的航空航天领域是不能被接收的。航空航天领域的零件是为了适应航天器和飞行器整体气动外形和布局设置成形的，变形量对整个航天器和飞行器都存在一定的影响，因此扫描次数对不同材料、不同曲面形状、不同应用场景的曲面薄壁件也不同。
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
本具体实施例，公开了一种GH99合金材质曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法。
GH99合金材质曲面薄壁件的形状为外表面曲率半径在160-175mm之间，内表面有5个以上加工凸台与2条以上加强筋，最大厚度不超过3mm，长、宽均在200-300mm之间，如图2所示。
本实施例等离子喷涂前处理方法的工艺参数：激光毛化的激光功率为100W，激光频率为20KHz，扫描速度为2m/s，扫描间距d＝0.2mm，如图1所示。对如图2所示的飞机垂直尾翼横舵某曲面薄壁件表面分别进行1次、3次、5次、7次、9次的扫描，选择对应区域分析其粗糙度和表面形貌。如图3a-图3f所示的分别为该曲面薄壁件未经毛化、经过1次、3次、5次、7次、9次激光毛化后的表面形貌的分析图。并由此得出该曲面薄壁件经过1次、3次、5次、7次、9次激光毛化后的粗糙度的数据、局部变形量和涂层结合力，汇总如表1。
表1不同扫描次数下GH99合金粗糙度、局部变形量和涂层结合力
Figure BDA0002795844550000081
随扫描次数增加，粗糙度逐渐增加，扫描1次时，样品表面粗糙度达到9.74um，此时其与涂层的结合力已达到40.8MPa，满足当下涂层结合力指标要求(40MPa)当扫描次数达到5次后，表面开始出现条形纹路，当扫描次数达到9次后，金属基体表面开始出现熔融的金属。扫描4次后，样品达到最大粗糙度。
为判断该参数下激光毛化后典型件的变形情况，对其进行型面扫描，结果如图4所示。
根据激光毛化法表面处理后典型件的型面扫描，局部最大变形量为0.14mm，远远小于喷砂法表面处理后的典型件变形量(1.0mm)。因此，激光毛化可作为喷涂前工序的前处理。
实施例二
本具体实施例，公开了一种TA15合金材质曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法。
TA15合金材质曲面薄壁件的形状为外表面曲率半径在160-175mm之间，内表面有5个以上加工凸台与2条以上加强筋，最大厚度不超过3mm，长、宽均在200-300mm之间。
本实施例等离子喷涂前处理方法的工艺参数：激光毛化的激光功率为107W，激光频率为21KHz，扫描速度为2.01m/s，扫描间距为0.2mm，对飞机尾翼横舵某曲面薄壁件表面分别进行1次、3次、5次、7次、9次的扫描，选择对应区域分析其粗糙度和表面形貌。并由此得出该曲面薄壁件经过1次、3次、5次、7次、9次激光毛化后的粗糙度、局部变形量和涂层结合力的数据，汇总如表2。
表2不同扫描次数下TA15合金粗糙度、局部变形量和涂层结合力
Figure BDA0002795844550000091
/>
Figure BDA0002795844550000101
实施例三
本具体实施例，公开了一种Ti60合金材质曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法。
Ti60合金材质曲面薄壁件的形状为外表面曲率半径在390-400mm之间，内表面有6个以上加工凸台与1条以上加强筋，最大厚度不超过3mm。宽度在200-300mm之间，长度在300-400mm之间。
本实施例等离子喷涂前处理方法的工艺参数：激光毛化的激光功率为97W，激光频率为18KHz，扫描速度为1.99m/s，扫描间距为0.25mm，对飞机侧翼横舵某曲面薄壁件表面分别进行1次、3次、5次、7次、9次的扫描，选择对应区域分析其粗糙度和表面形貌。并由此得出该曲面薄壁件经过1次、3次、5次、7次、9次激光毛化后的粗糙度的数据、局部变形量和涂层结合力，汇总如表3。
表3不同扫描次数下Ti60合金粗糙度、局部变形量和涂层结合力
Figure BDA0002795844550000102
实施例四
本具体实施例，公开了一种GH3536合金材质曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法。
GH3536合金材质曲面薄壁件的形状为外表面曲率半径在390-400mm之间，内表面有6个以上加工凸台与1条以上加强筋，最大厚度不超过3mm。宽度在200-300mm之间，长度在300-400mm之间。
本实施例等离子喷涂前处理方法的工艺参数：激光毛化的激光功率为95W，激光频率为19KHz，扫描速度为2.02m/s，扫描间距为0.3mm，对飞机尾翼横舵某曲面薄壁件表面分别进行1次、3次、5次、7次、9次的扫描，选择对应区域分析其粗糙度和表面形貌。并由此得出该曲面薄壁件经过1次、3次、5次、7次、9次激光毛化后的粗糙度的数据、局部变形量和涂层结合力，汇总如表4。
表4不同扫描次数下GH3536合金粗糙度、局部变形量和涂层结合力
Figure BDA0002795844550000111
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法，其特征在于，通过激光毛化的方法对曲面薄壁件进行等离子喷涂前处理，所述的曲面薄壁件为异形曲面结构件，薄壁件壁厚不超过3毫米；
所述激光毛化的激光功率为80-120W，激光频率为15-28KHz，扫描速度为1.99-4m/s，扫描间距为0.1-0.4mm，激光扫描次数为2-7次；
所述曲面薄壁件的材质选自GH99合金、TA15合金、Ti60合金和GH3536合金；
当所述曲面薄壁件的材质为GH99合金时，曲面薄壁件外表面曲率半径在160-175mm之间，内表面有5个以上凸台与2条以上加强筋，最大厚度不超过3mm，长、宽均在200-300mm之间；激光毛化后，曲面薄壁件的表面粗糙度为29.29μm，局部变形量为0.36mm，激光扫描的次数为5次，涂层结合力为42.8Mpa；
当所述曲面薄壁件的材质为TA15合金时，曲面薄壁件外表面曲率半径在160-175mm之间，内表面有5个以上凸台与2条以上加强筋，最大厚度不超过3mm，长、宽均在200-300mm之间；激光毛化后，曲面薄壁件的表面粗糙度为28.01μm，局部变形量为0.33mm；激光扫描的次数为5次，涂层结合力为41.8Mpa；
当所述曲面薄壁件的材质为Ti60合金时，曲面薄壁件外表面曲率半径在390-400mm之间，内表面有6个以上凸台与1条以上加强筋，最大厚度不超过3mm，宽度在200-300mm之间，长度在300-400mm之间；激光毛化后，曲面薄壁件的表面粗糙度为27.78μm，局部变形量为0.38mm，激光扫描的次数为5次，涂层结合力为41.4Mpa；
当所述曲面薄壁件的材质为GH3536合金时，曲面薄壁件外表面曲率半径在390-400mm之间，内表面有6个以上凸台与1条以上加强筋，最大厚度不超过3mm，宽度在200-300mm之间，长度在300-400mm之间；激光毛化后，曲面薄壁件的表面粗糙度为30.29μm，局部变形量为0.38mm；激光扫描的次数为5次，涂层结合力为42.6MPa；
激光毛化后，可在满足表面粗糙度的条件下，所述曲面薄壁件仅产生±0.2mm以内的变形。
2.根据权利要求1所述曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法，其特征在于，当所述曲面薄壁件的材质为GH99合金时，所述激光毛化的激光功率为95-105W，激光频率为19-20KHz，扫描速度为1990-2010mm/s，扫描间距为0.2-0.3mm。
3.根据权利要求1所述曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法，其特征在于，当所述曲面薄壁件的材质为TA15合金时，所述激光毛化的激光功率为97-107W，激光频率为18-21KHz，扫描速度为1990-2010mm/s，扫描间距为0.2-0.3mm。
4.根据权利要求1所述曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法，其特征在于，当所述曲面薄壁件的材质为Ti60合金时，所述激光毛化的激光功率为97-107W，激光频率为18-21KHz，扫描速度为1990-2010mm/s，扫描间距为0.2-0.3mm。
5.根据权利要求1所述曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法，其特征在于，当所述曲面薄壁件的材质为GH3536合金时，所述激光毛化的激光功率为95-105W，激光频率为19-20KHz，扫描速度为1990-2020mm/s，扫描间距为0.2-0.3mm。
6.一种曲面薄壁件等离子喷涂方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的曲面薄壁件等离子喷涂前处理方法对曲面薄壁件进行前处理，再对曲面薄壁件进行等离子喷涂。
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