CN114182193B - 一种轻型飞机螺旋桨用保护层及其制造方法 - Google Patents

一种轻型飞机螺旋桨用保护层及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻型飞机螺旋桨用保护层及其制造方法，该保护内由内及外分为四层，分别是40μm‑50μm厚的铝过渡层、20μm‑25μm厚铝熔覆层、15μm‑20μm厚的微弧氧化层和厚度30μm‑50μm的水性醇酸氨基漆表面层。该轻型飞机螺旋桨用保护层基体为复合材料、表面光度好、表面完整性好、与基体结合力好、表面耐热、耐蚀、耐磨。

Description

一种轻型飞机螺旋桨用保护层及其制造方法
技术领域
本发明涉及金属复合材料加工技术领域，尤其涉及一种轻型飞机螺旋桨用保护层及其制造方法。
背景技术
轻型飞机，也就是民用小型飞机，它的螺旋桨材料在近十几年的飞速发展过程中，一个显著的特征就是复合材料应用的快速增长，从小的受力结构到要求更高的控制面。现在，越来越多的研究表面，从铝到复合材料螺旋桨变革带来的技术优势。这主要归功于复合材料的以下优点：①更好的抗冲击性：碳纤维复合材料结构在与铝合金相同的强度下具有更高的刚度，这就提供了更大的安全性和更好的抗腐蚀和抗冲击性能；②减小单位价格：部件的整体化和共固化成型减少了制造商的生产和装配时间，同时减少了劳动力费用，消除了大量沉重而且会产生诱导应力的紧固件。③减小维修：金属材料长期使用容易疲劳和腐蚀，相反，复合材料具有更好的抗疲劳和耐腐性，这就减少了机体的检测、维护和维修费用。④改善气动外形：复合材料结构的成型不受金属材料生产的限制，可以实现理想的动力外形。⑤提高功率-质量比：复合材料螺旋桨相较传统的螺旋桨具有更轻的质量和更高的强度，可以明显降低传动轴需要随的扭矩，提升操作效率和飞机性能。
但复合材料也有其缺点：一是其直接硬度低于铝制螺旋桨，导致其表面易受损，受损来源可能是稍大的颗粒、飞鸟、冰屑等；二是其不致密的结构也易被空气中的油、水、粉尘侵入，导致重心偏移或老化失效；三是表面光度较低，切割空气时阻力更大，带来不必须的动力损失；四是表面耐热、耐候、表面耐磨性能均较差，在恶劣空况下运转风险较大。
因此，市面上急需一种基体为复合材料、表面光度好、表面完整性好、与基体结合力好、表面耐热、耐蚀、耐磨的轻型飞机螺旋桨用保护层及其制造方法。
发明内容
本发明旨在提供一种基体为复合材料、表面光度好、表面完整性好、与基体结合力好、表面耐热、耐蚀、耐磨的轻型飞机螺旋桨用保护层及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种轻型飞机螺旋桨用保护层的制造方法，其特征在于包括以下阶段：
S1：原料准备
①原材料准备：准备市售的表面为玻璃纤维和芳纶纤维混编层的泡沫夹心桨叶，颗粒大小为10μm-15μm的铝颗粒；
②辅材及设备准备：准备等离子喷涂设备，准备等离子束发生设备，准备微弧氧化处理槽，准备足量水性醇酸氨基漆、准备足量二氯乙烷；
S2：表面预处理
①将阶段S1步骤①准备的泡沫夹心桨叶表面采用去离子水与乙醇按体积比1：1混合制成的混合液清洗干净，获得表面洁净桨叶；
②将步骤①获得的表面洁净桨叶放置于阶段S1步骤②准备的等离子喷涂设备的可旋转工位上，将阶段S1步骤①准备的铝颗粒投入料箱，采用喷涂距离15cm-17cm、介质气体为氩气、气体流量600L/h-800L/h、送粉气体压强0.3MPa-0.5MPa、电流160A-170A、电压65V的工艺参数，采用面上同一点暴露在等离子流下面时长7s-8s的工位位移速率进行喷涂，每喷涂一轮停止涂喷20s-22s，这样反复喷涂，直至涂层厚度40μm-50μm，获得单面喷涂桨叶；
③将步骤②获得的单面喷涂桨叶置于阶段S1步骤②准备的等离子束发生设备的可旋转工位上，以氩气为介质，以阶段S1步骤①准备的铝颗粒为原料，以600L/h-800L/h的流量，等离子束流的扫描速度400mm/min-500mm/min，喷嘴距离工件25mm-27mm，工作电流250A-260A以工件为阳极，进行旋转处理，直至桨叶旋转7圈后，完成等离子束表面熔凝处理，获得单面铝覆处理桨叶；
④将桨叶翻转，重复步骤②-步骤③，获得双面铝覆处理桨叶；
S3：表面强化处理
①将阶段S2步骤④获得的双面铝覆处理桨叶完全浸入阶段S1步骤②准备的微弧氧化处理槽，以380V-400V的微弧氧化处理直流电压，170A-180A的处理电流，处理20min-25min，获得一段强化处理桨叶；
②调整微弧氧化工艺，升压至420V-430V，升流至200A-210A，再处理8min-10min，获得二段强化桨叶；
S4：表面完整性改良及封闭
①将阶段S3步骤②获得的二段强化桨叶表面采用乙醇洗净，然后采用800目-1000目的砂纸抛光完毕，再采用乙醇洗净去除表面粉末，获得粗抛光强化桨叶；
②将步骤①获得的粗抛光强化桨叶完全浸入阶段S1步骤②准备的水性醇酸氨基漆，采用220W-250W超声波振动处理1min-1.5min后，取出采用65℃-70℃烘干50min-60min；
③重复步骤②2-3次，再采用阶段S1步骤②准备二氯乙烷液剂雾化冲刷漆面抛光，抛光完成后获得所需表面防护强化桨叶。
根据上述方法制造的轻型飞机螺旋桨用保护层，由内及外分为四层，分别是40μm-50μm厚的铝过渡层、20μm-25μm厚的铝熔覆层、15μm-20μm厚的微弧氧化层和厚度30μm-50μm的水性醇酸氨基漆表面层。
与现有技术相比，本发明由于采用了以上技术方案，具有：（1）首先，针对现有市售铝制螺旋桨和复合材料螺旋桨进行综合调研和评判之后，结合有限元分析和受力模型，得出芯部采用复合材料、表面采用铝基强化处理能获得最好的技术效果，兼顾两者的优点，且在成本提升上可以接受（单支螺旋桨成本增加不到200元人民币），因此本发明经过多轮试验，包括火焰喷涂（被排除，因为树脂基体性能劣化）、表面直接陶瓷化处理（被排除，结合力不达标）、高强合金等离子喷涂（钢、铸铁等，均因与基体膨胀系数差距大易造成基体表面撕裂排除）等多种方法，最终确定了本工艺路线，即使是本工艺路线，其工艺参数也经历过了无数轮摸索（包括喷涂时位移速度过慢造成表面烧蚀、过快造成结合力下降、功率过高造成机械性能下降、功率过低造成喷涂结合力差等），而且还在喷涂铝后又增加了一次熔覆铝，都是综合试验下来结合力最好、对基体影响最小、表面最致密的工艺路线，因此，本发明事实上是一个综合性的解决方案。（2）针对市售有机复合材料的弱点，即表面硬度低，本发明选择了特殊覆铝工艺，即在不影响基体性能的基础上，在复合材料表面覆铝，明显提升了桨叶表面的硬度、耐磨和抗冲击能力。（3）针对一般铝喷层呈颗粒状、表面完整性差、且续处理困难的缺点，又增加了表面熔覆铝工艺，在已经有一层较厚过渡铝层的前提下，通过熔覆再在粗糙的表面熔覆一层具有相对光滑表面和致密表面的铝熔覆层，为后续结构的表面完整性打下基础。（4）通过表面微弧氧化而不是直接喷涂氧化铝的方式将表面陶瓷化，主要是因为两个原因，一个是这样处理表面致密度更好、内应力最小，另一个是不会因为有高温颗粒喷涂在表面导致基体过热失效，从而获得了450HV-500HV的强化层硬度。（5）针对强化后硬而粗糙的表面，采用水性醇酸氨基漆膜进行表面防护，一方面是填充微弧氧化后表面多疏孔的粗糙表面，提升表面完整性，另一个是提升表面憎水和减摩能力，提升桨叶的使用寿命。因此，本发明具有基体为复合材料、表面光度好、表面完整性好、与基体结合力好、表面耐热、耐蚀、耐磨的特性。
附图说明
图1是本发明微弧氧化后的横截面强化层形貌；
图2是本发明微弧氧化后的桨叶表面形貌。
具体实施方式
实施例1：
①将市售的表面为玻璃纤维和芳纶纤维混编层的泡沫夹心桨叶表面采用去离子水与乙醇按体积比1：1混合制成的混合液清洗干净，再放置于等离子喷涂设备的可旋转工位上，将颗粒大小为10μm-15μm的铝颗粒投入料箱，采用喷涂距离15cm-17cm、介质气体为氩气、气体流量600L/h-800L/h、送粉气体压强0.3MPa-0.5MPa、电流160A-170A、电压65V的工艺参数，采用面上同一点暴露在等离子流下面时长7s-8s的工位位移速率进行喷涂，每喷涂一轮停止涂喷20s-22s，这样反复喷涂，直至涂层厚度40μm-50μm，获得单面喷涂桨叶；
②将单面喷涂桨叶置于等离子束发生设备的可旋转工位上，以氩气为介质，以颗粒大小为10μm-15μm的铝颗粒为原料，以600L/h-800L/h的流量，等离子束流的扫描速度400mm/min-500mm/min，喷嘴距离工件25mm-27mm，工作电流250A-260A以工件为阳极，进行旋转处理，直至桨叶旋转7圈后，完成等离子束表面熔凝处理，获得单面铝覆处理桨叶；
③将桨叶翻转，重复步骤①-步骤②，获得双面铝覆处理桨叶；
④将双面铝覆处理桨叶完全浸入微弧氧化处理槽，以380V-400V的微弧氧化处理直流电压，170A-180A的处理电流，处理20min-25min，进行一段处理；再调整微弧氧化工艺，升压至420V-430V，升流至200A-210A，再处理8min-10min，获得二段强化桨叶；
⑤将二段强化桨叶表面采用乙醇洗净，然后采用800目-1000目的砂纸抛光完毕，再采用乙醇洗净去除表面粉末，再完全浸入水性醇酸氨基漆液中，采用220W-250W超声波振动处理1min-1.5min后，取出采用65℃-70℃烘干50min-60min；重复2-3次，再采用二氯乙烷液剂雾化冲刷漆面抛光，抛光完成后获得所需表面防护强化桨叶。
根据本实施例方法制造的轻型飞机螺旋桨用保护层，其强化层表面硬度450HV-500HV，表面完全封闭，划格法测表面漆膜结合力为1级，基体、铝过渡层、铝熔覆层和微弧氧化层相互间结合力均在5MPa-6MPa的范围，耐水、耐滑油、耐盐水、耐汽油、耐3%NaCl盐水、耐盐雾各试验均能满足96h不变质，耐温试验65℃保持72h，桨叶机械性能无明显变化。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种轻型飞机螺旋桨用保护层的制造方法，其特征在于包括以下阶段：
S1：原料准备
①原材料准备：准备市售的表面为玻璃纤维和芳纶纤维混编层的泡沫夹心桨叶，颗粒大小为10μm-15μm的铝颗粒；
②辅材及设备准备：准备等离子喷涂设备，准备等离子束发生设备，准备微弧氧化处理槽，准备足量水性醇酸氨基漆、准备足量二氯乙烷；
S2：表面预处理
①将阶段S1步骤①准备的泡沫夹心桨叶表面采用去离子水与乙醇按体积比1：1混合制成的混合液清洗干净，获得表面洁净桨叶；
②将步骤①获得的表面洁净桨叶放置于阶段S1步骤②准备的等离子喷涂设备的可旋转工位上，将阶段S1步骤①准备的铝颗粒投入料箱，采用喷涂距离15cm-17cm、介质气体为氩气、气体流量600L/h-800L/h、送粉气体压强0.3MPa-0.5MPa、电流160A-170A、电压65V的工艺参数，采用面上同一点暴露在等离子流下面时长7s-8s的工位位移速率进行喷涂，每喷涂一轮停止涂喷20s-22s，这样反复喷涂，直至涂层厚度40μm-50μm，获得单面喷涂桨叶；
③将步骤②获得的单面喷涂桨叶置于阶段S1步骤②准备的等离子束发生设备的可旋转工位上，以氩气为介质，以阶段S1步骤①准备的铝颗粒为原料，以600L/h-800L/h的流量，等离子束流的扫描速度400mm/min-500mm/min，喷嘴距离工件25mm-27mm，工作电流250A-260A以工件为阳极，进行旋转处理，直至桨叶旋转7圈后，完成等离子束表面熔凝处理，获得单面铝覆处理桨叶；
④将桨叶翻转，重复步骤②-步骤③，获得双面铝覆处理桨叶；
S3：表面强化处理
①将阶段S2步骤④获得的双面铝覆处理桨叶完全浸入阶段S1步骤②准备的微弧氧化处理槽，以380V-400V的微弧氧化处理直流电压，170A-180A的处理电流，处理20min-25min，获得一段强化处理桨叶；
②调整微弧氧化工艺，升压至420V-430V，升流至200A-210A，再处理8min-10min，获得二段强化桨叶；
S4：表面完整性改良及封闭
①将阶段S3步骤②获得的二段强化桨叶表面采用乙醇洗净，然后采用800目-1000目的砂纸抛光完毕，再采用乙醇洗净去除表面粉末，获得粗抛光强化桨叶；
②将步骤①获得的粗抛光强化桨叶完全浸入阶段S1步骤②准备的水性醇酸氨基漆，采用220W-250W超声波振动处理1min-1.5min后，取出采用65℃-70℃烘干50min-60min；
③重复步骤②2-3次，再采用阶段S1步骤②准备二氯乙烷液剂雾化冲刷漆面抛光，抛光完成后获得所需表面防护强化桨叶。
2.根据权利要求1所述的轻型飞机螺旋桨用保护层的制造方法制造的轻型飞机螺旋桨用保护层，其特征在于：该保护内由内及外分为四层，分别是40μm-50μm厚的铝过渡层、20μm-25μm厚的铝熔覆层、15μm-20μm厚的微弧氧化层和厚度30μm-50μm的水性醇酸氨基漆表面层。
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