一种具有可磨耗封严涂层的复合材料及其制备方法

本发明涉及铝基合金复合涂层制备技术领域，尤其是考虑到复合涂层的耐磨自润滑性能以及其可磨耗的特点，具体是一种具有可磨耗封严涂层的复合材料及其制备方法。

背景技术：

进入21世纪随着人们对出行高效化的需求日益增加，航空工业得到迅速发展。航空发动机作为飞机的心脏，各大航空公司对其性能要求越来越高，具体为大推力、高推重比，高工作效率、低油耗等等是现阶段航空发动机设计与制造的总体目标。当航空发动机的结构和材料一定时，发动机的整体气密性成为影响整机效率及油耗的关键因素。

研究表明航空发动机的转子与静子之间，转子叶片顶端与机匣间，转子前后断面与机匣间都存在着漏气损失，这会影响压气机的工作效率。

有数据显示航空发动机的涡轮，叶尖间隙与叶片长度比每增加1％发动机的油耗上升3％，而油耗占据一架飞机运营成本的53％。参照图2(a)和图2(b)，发动机在高速运行过程中由于装配，离心力，热膨胀等原因会使叶片之间产生一定的位移，所以叶片与机匣之间必须留有空隙，过大的间隙会使发动机效率降低，影响发动机的运行稳定性与安全性。为解决此类问题，目前采用可磨耗封严涂层减小发动机叶片尖端与机匣之间间隙，提高航空发动机的性能。

目前制备封严涂层的技术主要有超音速火焰喷涂、火焰喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂，但是此类技术在制备封严涂层过程中热源温度远高于原材料的熔化温度，涂层容易发生氧化、分解现象，且原料粉末粒子的飞行速度较低、扁平化效果较弱，导致涂层结构疏松、孔隙率高、结合强度低；对基体的热输入量大，基体易变形、开裂，严重影响发动机的服役寿命与服役安全。针对以上问题亟须提出一种新的封严涂层制备技术以满足现阶段航空发动机的服役要求。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有可磨耗封严涂层的复合材料及其制备方法，本发明采用冷喷涂方法在基体上制备可磨耗封严涂层，能够避免技术在制备封严涂层过程中的不足，并且制备的可磨耗封严涂层不仅可磨耗、还具有耐磨自润滑功能，其硬度达到了可磨耗封严涂层的要求。

本发明采用的技术方案如下：

一种具有可磨耗封严涂层的复合材料的制备方法，包括如下过程：

将用于制备可磨耗封严涂层的材料冷喷涂至基体表面，在基体表面形成冷喷涂涂层，对所述冷喷涂涂层表面采用激光冲击进行增强处理，在基体表面形成可磨耗封严涂层；

以质量百分数计，所述用于制备可磨耗封严涂层的材料包括：50％～95％的微米铝合金粉体，0.1％～45％的亚微米陶瓷粉体，0.05％～10％的微米润滑相粉体。

优选的，冷喷涂过程中，载气压力为0.5～5mpa，喷涂距离为5～30mm，喷枪移动速度为10～60mm/s，喷涂温度为100～400℃。

优选的，对冷喷涂涂层表面采用激光冲击进行增强处理过程中，激光冲击参数如下：激光波长500nm～2000nm，脉冲宽度10ns～50ns，光斑直径3mm～15mm，光斑搭接率10％～70％，重复频率1hz～10hz。

优选的，还包括对基体的预处理过程，包括：

对基体表面进行水砂纸打磨、超声波清洗和喷砂处理，在经过喷砂处理的基体表面进行冷喷涂；其中，喷砂处理使机体表面粗糙度达到ra60μm～80μm，喷砂处理过程中，砂为粒度400～700μm的棕刚玉，喷砂时压缩空气压力为0.5～0.7mpa。

对冷喷涂涂层表面采用激光冲击进行增强处理前，对冷喷涂涂层表面进行打磨抛光处理，抛光后的表面粗糙度不大于ra0.01μm，然后以乙醇为溶液，将带有冷喷涂涂层的基体进行超声清洗、干燥处理；干燥后，再对冷喷涂涂层表面采用激光冲击进行增强处理。

优选的，所述微米铝合金粉体的粒度为5μm～30μm，亚微米陶瓷粉体的粒度为30μm～100μm，微米润滑相粉体的粒度为1μm～10μm。

优选的，所述微米铝合金粉体采用6061铝合金粉体。

优选的，亚微米陶瓷颗粒为al2o3粉体，该al2o3粉体粒度为1～10μm为细小片层状氧化铝团聚而成的粉体。

优选的，润滑相粉体为石墨粉体。

优选的，所述基体材质为轻合金材料，所述轻合金材料包括铝、镁、钛、铝合金、镁合金或钛合金。

本发明还提供了一种具有可磨耗封严涂层的复合材料，该具有可磨耗封严涂层的复合材料通过本发明如上所述的制备方法制得，包括基体和机体表面的可磨耗封严涂层，所述可磨耗封严涂层厚度为500μm～3000μm。

本发明具有如下有益效果：

本发明具有可磨耗封严涂层的复合材料的制备方法创新性的采用冷气动力喷涂技术即冷喷涂技术制备可磨耗封严涂层，其加工温度较低，不会对喷涂材料和基体产生热影响，避免了现有制备可磨耗封严涂层时，采用热喷涂技术、等离子喷涂过程中需要把涂层材料加热熔化，导致涂层不同程度地发生相变等组织变化、无法保持原有的成分结构设计、使用性能会产生偏差的问题。这些现有技术对基体的热输入量大，基体易变形、开裂，严重影响发动机的服役寿命与服役安全。本发明能弥补上述技术的不足。使功能涂层达到更理想的使用性能。本发明用于制备可磨耗封严涂层的粉末设计采用微米级铝合金粉末参杂亚微米级陶瓷颗粒以及非金属润滑相复合粉末，因此在保证可磨耗的同时又增加了涂层的耐磨自润滑功能。

附图说明

图1为本发明复合材料的制备工艺流程图；

图2(a)为压气机叶片结构示意图；图2(b)为图2(a)的a放大图；

图3为本发明制备得到的可磨耗封严涂层示意图；

图4为本发明实施例中采用的片层状al2o3粉末形貌显微图；

图5为本发明实施例中采用的6061铝合金粉末显微图；

图6为本发明实施例1制得的可磨耗封严涂层的电子显微镜图；

图7为本发明实施例1制得的可磨耗封严涂层经过摩擦磨损实验后的电子显微镜图；

图8为本发明实施例2制得的可磨耗封严涂层的电子显微镜图；

图9为本发明实施例2制得的可磨耗封严涂层经过摩擦磨损实验后的电子显微镜图；

图10为本发明实施例3制得的可磨耗封严涂层的电子显微镜图；

图11为本发明实施例3制得的可磨耗封严涂层经过摩擦磨损实验后的电子显微镜图；

图中，1-气流，2-压气机机匣，3-叶片，4-压气机轴，5-封严涂层，6-发动机机匣，8-陶瓷颗粒，9-孔隙，10-基体，11-润滑相颗粒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明的目的是针对如何提高航空发动机的效率和降低油耗这一航空工业中亟待解决的关键问题，提供了一种新的涂层制备技术。它以微米6061al粉末(参照图5)参杂亚微米级陶瓷颗粒以及非金属润滑相复合粉末，以冷喷涂为主要涂层制备技术，通过控制工艺参数在轻合金材料(如钛合金)基体上制备出了多孔的蜂窝状的可磨耗封严涂层。该涂层不仅可磨耗，由于陶瓷颗粒的加入涂层也具备耐磨自润滑功能，而且涂层的硬度数据结果稳定达到了可磨耗封严涂层的要求。并且开拓了激光冲击处理技术，提升了涂层的结合强度和疲劳性能。同时冷喷涂技术又能避免热喷涂对基体和涂层的影响，而且冷喷涂采用氮气做保护气降低了喷涂成本。在提升航空发动机效率的同时降低了飞机运行成本。

参照图1，本发明具有可磨耗封严涂层的复合材料的制备方法包括如下步骤：

步骤1，将微米铝合金粉体、亚微米陶瓷粉体和微米润滑相粉体混合，然后将得到的混合原料置于混料机中进行混料，进行6～8h，保证充分混匀后取出得到混合粉末；其中，以质量百分数计，混合原料种含有50％～95％的微米铝合金粉体，0.1％～45％的亚微米陶瓷粉体，0.05％～10％的微米润滑相粉体。亚微米陶瓷颗粒为al2o3粉体，参照图4，al2o3粉体由细小片层状氧化铝团聚而成，细小片层状粉末粒度为1～10μm，团聚后形成的al2o3粉体粒度为30μm～100μm。微米铝合金粉体类型覆盖是1系列至7系列所有的铝合金。微米铝合金粉体度为5μm～30μm的球形粉末或球形度较高的粉末。微米润滑相粉体采用石墨粉体，粒度为1μm～10μm。

步骤2，将步骤1所得的混合粉末在60～100℃的真空干燥箱中干燥，保温5～8h后取出；

步骤3，将基体表面用80目、200目、1000目、1500目、2000目的水砂纸打磨平整然后进行超声波清洗，清洗完后进行喷砂处理；

步骤4，采用冷喷涂方法将上述干燥后的混合粉末喷涂到已经经过喷砂处理的基体表面，形成厚度为500μm～3000μm的冷喷涂涂层，所得结构参照图3。冷喷涂过程中，载气压力为0.5～5mpa，喷涂距离为5～30mm，喷枪移动速度为10～60mm/s，喷涂温度为100～400℃；基板可以采用钛合金，采用钛合金是因为航空发动机机匣一般为高强度钛合金材质例如tc4。所用冷喷涂技术提供的载气类型为氮气、氦气或压缩空气；钛合金表面喷砂处理选用的砂为粒度400～700μm的棕刚玉，喷砂压力为0.5～0.7mpa。

冷喷涂过程中，喷涂参数按照表1中参数进行匹配使用：

表1

步骤5，激光冲击预处理：在冷喷涂后的表面存在不同的粗糙度，使用不同粒度的水砂纸对冷喷涂涂层的表面进行打磨，再使用粒度为0.5微米的金刚石抛光剂对冷喷涂后的表面进行抛光处理，然后以乙醇为溶液，将带有冷喷涂涂层的基体放置于超声波清洗仓内进行超声清洗，清洗干净后静置于干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为80℃，干燥时间为1h。

步骤6，激光冲击：采用激光冲击对预处理后的冷喷涂涂层进行增强处理，激光冲击参数如下：激光波长500nm～2000nm，脉冲宽度10ns～50ns，光斑直径3mm～15mm，光斑搭接率10％～70％，重复频率1hz～10hz。

本发明在基体表面制备可磨耗封严涂层过程中，需要设计恰当的粉末粒度已达到良好的效果。选择粉末的粒度与材料的密度有关。因为冷喷涂技术采用高压气体为动力源，在喷涂过程中高压气体通过拉乌尔管后达到超音速，超音速气体在基体表面会形成激波，阻碍颗粒撞击基体。所以当粉末颗粒质量过小时就会因为难以逾越激波，从而不能实现有效沉积。但是当粉末颗粒过大，会因为气体对其加速效果较差，颗粒速度达不到沉积要求，也不能实现有效沉积。本发明中，经过合理的实验设计，得出铝合金粉体粒度为5μm～30μm，亚微米氧化铝粉体粒度为30μm～100μm。微米润滑相粉体粒度为1μm～10μm。

本发明制备可磨耗封严涂层的方法在实施时，将所述用于制备可磨耗封严涂层的材料冷喷涂至轻合金材料表面形成所述可磨耗封严涂层。冷喷涂技术(coldspray,cs)是一种新型的以低温固态沉积为特点的涂层制备技术，其喷涂过程温度远低于原始粉末材料的熔化温度，可以有效避免高温导致的氧化、相变和热裂等不利影响，且高速喷涂颗粒撞击基体或已沉积的颗粒可以获得更加致密的组织和良好的结合强度，用冷喷涂技术制备航空发动机可磨耗封严涂层具有很好的应用前景。目前可使用冷喷涂技术进行喷涂的材料主要为塑性较好的金属材料以及金属基陶瓷复合材料，制备得到的该类涂层的耐磨性较好，但是在摩擦磨损过程中纯金属涂层容易出现黏着现象，而金属基陶瓷复合涂层在摩擦磨损过程中硬质陶瓷颗粒容易划伤摩擦副，在封严涂层的应用中存在风险。所以在本发明中创新性的采用冷喷涂技术喷涂金属粉末参杂亚微米级陶瓷颗粒以及非金属润滑相复合粉末制备可磨耗封严涂层。

冷喷涂前，对基体料表面进行喷砂处理，之后在已经经过喷砂处理的轻合金材料表面进行冷喷涂；喷砂处理时，砂为粒度400μm～700μm的棕刚玉，喷砂时压缩空气压力为0.5mpa～0.7mpa。再进行涂层制备前，先要对基体表面进行喷砂处理，达到毛化基体表面，增加颗粒与基体的接触面积，提高涂层与基体结合强度。对于铝合金基体而言，使用粒度为400μm～700μm的棕刚玉，喷砂时压缩空气压力为0.5mpa～0.7mpa时，可有效毛化表面，且涂层与基体结合强度较高。

冷喷涂可通过将复合粉末加速到亚临界速度来沉积均匀孔隙结构的涂层，调整喷嘴的移动速度可控制孔隙率在整个沉积物厚度上的分布。从而制备出符合要求的具有均匀孔隙的可磨耗封严涂层。

本发明可磨耗封严涂层的制备过程综合了粉末选择，现有技术的调查筛选，最大化地发挥了原始粉末材料的功能和潜力等等情况下选用冷喷涂技术。该技术即能出色的完成功能涂层的制备任务，极大的发挥了冷喷涂技术的自身优势，并给出了科学的布置，以最低的成本制备出性能最为优异的可磨耗封严涂层。

实施例1

本实施例具有可磨耗封严涂层的复合材料的制备方法体步骤如下：

步骤1，分别秤取40g氧化铝粉末、160g的6061铝合金粉末以及10g石墨，其中，6061铝合金粉末粒度为5μm～30μm，平均粒径为20μm；氧化铝粉末粒度为30μm～100μm，平均粒径为5μm；石墨粒度为1μm～10μm，平均粒径为5μm。

步骤2，将步骤1称量的氧化铝粉末、6061铝合金粉末和石墨混合均匀，然后置于混料机中进行混料，混料6h后取出；

步骤3，将步骤2混料得到的混合粉末在80℃的真空干燥箱中干燥，保温6h后取出。

步骤4，将钛合金基体表面依次用80目、200目、1000目、1500目、2000目的水砂纸打磨平整然后进行超声波清洗，清洗完后进行喷砂处理；

步骤5，采用冷喷涂技术将步骤3干燥后的混合粉末喷涂到已经经过喷砂处理的ti6al4v基板表面，形成厚度为2000μm的可磨耗封严涂层；其中，冷喷涂时，所用载气为氮气，载气压力为0.8mpa，喷涂距离为12mm，喷枪移动速度为15mm/s，喷涂温度为400℃；ti6al4v基板表面喷砂处理选用的砂为粒度400～700μm的棕刚玉，喷砂压力为0.5～0.7mpa。

步骤6，激光冲击预处理：在冷喷涂后的表面使用水砂纸进行打磨，再使用粒度为0.5微米的金刚石抛光剂对涂层表面进行抛光处理，然后以乙醇为溶液，将冷喷涂的铁基复合涂层与基体放置于超声波清洗仓内进行超声清洗，将已经清洗干净后的冷喷涂铁基复合涂层与基体静置于干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为80℃，干燥时间为1h。

步骤7，激光冲击：采用激光冲击对冷喷涂复合涂层进行增强处理，激光冲击参数如下：激光波长1000nm，脉冲宽度10ns～50ns，光斑直径3mm，光斑搭接率50％，重复频率5hz。

步骤8，用洛氏硬度计测得可磨耗封严涂层的洛氏硬度值是65，在30～80之间符合可磨耗封严涂层的服役要求。

步骤9，对可磨耗封严涂层进行摩擦磨损实验，在显微镜下观察磨损情况。发现主要磨损机制剥落断裂，符合可磨耗封严涂层的服役要求。

本实施例制得的可磨耗封严涂层截面形貌如图6所示，由图6中可以看出，氧化铝颗粒撞击基体或先沉积颗粒后原始团聚颗粒状氧化铝变成细小片状氧化铝均匀的分布在涂层中，摩擦过程中涂层中的铝合金在剪切力的作用下可包覆在细片氧化铝表面，细片状氧化铝在涂层摩擦过程中可有效承担摩擦副给予涂层的载荷而不发生变形，即可提高涂层的耐磨自润滑性能。

本实例制得的可磨耗封严涂层经过摩擦磨损实验后的电子显微镜图如图7所示，由图7可以看出黏着层黏着在对磨球表面保证了可磨耗封严涂层在服役过程中涂层不会破坏叶片，在叶片转动过程中涂层会黏着在叶片上被叶片带走达到了涂层可磨耗的要求，证明本发明的可磨耗封严涂层达到了服役要求。

实施例2

本实施例具有可磨耗封严涂层的复合材料的制备方法体步骤如下：

步骤1，分别秤取将60g抛光氧化铝粉末、140g的6061铝合金粉末以及10g石墨，其中6061铝合金粉末粒度为5μm～30μm，平均粒径为20μm；；氧化铝粉末粒度为30μm～100μm，平均粒径为5μm；石墨粒度为1μm～10μm，平均粒径为5μm。

步骤2，将步骤1称量的抛光氧化铝粉末、6061铝合金粉末混合均匀，然后置于混料机中进行混料，混料6h后取出；

步骤3，将步骤2混料得到的混合粉末在80℃的真空干燥箱中干燥，保温6h后取出；

步骤4，将钛合金基体表面依次用80目、200目、1000目、1500目的水砂纸打磨平整然后进行超声波清洗，清洗完后进行喷砂处理；

步骤5，采用冷喷涂技术将步骤3干燥后的混合粉末喷涂到已经经过喷砂处理的ti6al4v基板表面，形成厚度为2000μm的可磨耗封严涂层；其中，冷喷涂时，所用载气为氮气，载气压力为0.8mpa，喷涂距离为12mm，喷枪移动速度为15mm/s，喷涂温度为400℃；ti6al4v基板喷砂处理选用的砂为粒度400μm～700μm的棕刚玉，喷砂压力为0.5～0.7mpa。

步骤6，激光冲击预处理：在冷喷涂后的表面使用水砂纸进行打磨，再使用粒度为0.5微米的金刚石抛光剂对图层表面进行抛光处理，然后以乙醇为溶液，将冷喷涂的可磨耗封严与基体放置于超声波清洗仓内进行超声清洗，将已经清洗干净后的冷喷涂铁基复合涂层与基体静置于干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为80℃，干燥时间为1h。

步骤7，激光冲击：采用激光冲击对冷喷涂复合涂层进行增强处理，激光冲击参数如下：激光波长1000nm，脉冲宽度10ns～50ns，光斑直径3mm，光斑搭接率50％，重复频率5hz。

步骤8，用洛氏硬度计测得可磨耗封严涂层的洛氏硬度值是68，在30～80之间符合可磨耗封严涂层的服役要求。

步骤9，对可磨耗封严涂层进行摩擦磨损实验，在显微镜下观察磨损情况。发现主要磨损机制剥落断裂，符合可磨耗封严涂层的服役要求。

本实施例制得的可磨耗封严涂层截面形貌如图8所示，由图中可以看出，氧化铝颗粒撞击基体或先沉积颗粒后原始团聚颗粒状氧化铝变成细小片状氧化铝均匀的分布在涂层中，摩擦过程中涂层中的铝合金在剪切力的作用下可包覆在细片氧化铝表面，细片状氧化铝在涂层摩擦过程中可有效承担摩擦副给予涂层的载荷而不发生变形，即可提高涂层的耐磨自润滑性能。

本实例制得的可磨耗封严涂层经过摩擦磨损实验后的电子显微镜图如图9所示，由图9可以看出黏着层黏着在对磨球表面保证了可磨耗封严涂层在服役过程中涂层不会破坏叶片，在叶片转动过程中涂层会黏着在叶片上被叶片带走达到了涂层可磨耗的要求，证明本发明的可磨耗封严涂层达到了服役要求。

实施例3

本实施例具有可磨耗封严涂层的复合材料的制备方法体步骤如下：

步骤1，分别秤取40g氧化铝粉末、160g的6061铝合金粉末以及10g石墨，其中，6061铝合金粉末粒度为5μm～30μm平均粒径为20μm；氧化铝粉末粒度为30μm～100μm，平均粒径为5μm；石墨粒度为1μm～10μm，平均粒径为5μm。

步骤2，将步骤1称量的氧化铝粉末、6061铝合金粉末和石墨混合均匀，然后置于混料机中进行混料，混料6h后取出；

步骤3，将步骤2混料得到的混合粉末在80℃的真空干燥箱中干燥，保温6h后取出。

步骤4，将钛合金基体表面依次用80目、200目、1000目、1500目的水砂纸打磨平整然后进行超声波清洗，清洗完后进行喷砂处理；

步骤5，采用冷喷涂技术将步骤3干燥后的混合粉末喷涂到已经经过喷砂处理的ti6al4v基板表面，形成厚度为2000μm的可磨耗封严涂层；其中，冷喷涂时，所用载气为氮气，载气压力为0.8mpa，喷涂距离为12mm，喷枪移动速度为15mm/s，喷涂温度为400℃；ti6al4v基板表面喷砂处理选用的砂为粒度400μm～700μm的棕刚玉，喷砂压力为0.5mpa～0.7mpa。

步骤6，激光冲击预处理：在冷喷涂后的表面使用水砂纸进行打磨，再使用粒度为0.5μm的金刚石抛光剂对冷喷涂后的表面进行抛光处理，然后以乙醇为溶液，将冷喷涂的可磨耗封严涂层与基体放置于超声波清洗仓内进行超声清洗，将已经清洗干净后的冷喷涂铁基复合涂层与基体静置于干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为80℃，干燥时间为1h。

步骤7，激光冲击：采用激光冲击对冷喷涂复合涂层进行增强处理，激光冲击参数如下：激光波长1000nm，脉冲宽度10ns～50ns，光斑直径3mm，光斑搭接率50％，重复频率5hz。

步骤8，用洛氏硬度计测得可磨耗封严涂层的洛氏硬度值是60，在30～80之间符合可磨耗封严涂层的服役要求。

步骤9，对可磨耗封严涂层进行摩擦磨损实验，在显微镜下观察磨损情况。发现主要磨损机制剥落断裂，符合可磨耗封严涂层的服役要求。

本实施例制得的可磨耗封严涂层截面形貌如图10所示，由图中可以看出，氧化铝颗粒撞击基体或先沉积颗粒后原始团聚颗粒状氧化铝变成细小片状氧化铝均匀的分布在涂层中，摩擦过程中涂层中的铝合金在剪切力的作用下可包覆在细片氧化铝表面，细片状氧化铝在涂层摩擦过程中可有效承担摩擦副给予涂层的载荷而不发生变形，即可提高涂层的耐磨自润滑性能。

本实例制得的可磨耗封严涂层经过摩擦磨损实验后的电子显微镜图如图11所示，由图11可以看出黏着层黏着在对磨球表面保证了可磨耗封严涂层在服役过程中涂层不会破坏叶片，在叶片转动过程中涂层会黏着在叶片上被叶片带走达到了涂层可磨耗的要求，证明本发明的可磨耗封严涂层达到了服役要求。

本发明利用冷喷涂技术喷涂金属粉末参杂亚微米级陶瓷颗粒以及非金属润滑相复合粉末制备可磨耗封严涂层，涂层耐热、耐蚀、抗氧化、抗冲蚀且具备耐磨自润滑功能，可以满足航空发动机中温段可磨耗封严的需要，进而提升了发动机的性能。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。