镍基合金表面光弹玻璃涂层及其制备方法

本发明属于金属表面玻璃涂层制备，涉及一种镍基合金表面光弹玻璃涂层及其制备方法。

背景技术：

1、目前航空发动机叶片应力测量技术发展缓慢，且停留在试验阶段，无法在模拟叶片真实工作环境的情况下，测量其应力。而叶片工作时的高温环境、及高速旋转时承受的载荷对其内应力影响很大，不能忽略。对比众多航空发动机叶片应力测量方法中，光弹涂层法能够实现全场、非接触测量，全场是指测量发动机叶片整个表面的应力，非接触是可实现在模拟叶片旋转的情况下测量其应力。光弹涂层法常用的涂层介质是透明环氧树脂、塑料、玻璃等，透明介质在受到一定载荷时，会对入射光产生双折射作用，一束光入射到介质的一点，这束光会沿着该点的主应力方向分解为两束光线，且这两束光频率相同，光程差恒定，将受到载荷的透明介质放入特有的光路中，让这两束光振动方向一致从而发生干涉，让其产生干涉条纹，通过采集条纹信息，来计算其中应力。但是，目前使用的涂层材料为环氧树脂等有机材料贴片，将其粘贴在叶片上进行测量。一方面环氧树脂耐温差，仅有200℃，无法模拟叶片高温工作环境；另一方面，贴片的方式难以应用在异形件上，考虑到叶片表面有一定弧度，与贴片无法良好吻合。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种镍基合金表面光弹玻璃涂层及其制备方法，以解决现有技术中环氧树脂作为有机材料贴片时，无法模拟叶片高温工作环境，以及贴片和叶片表面难以良好吻合的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、镍基合金表面光弹玻璃涂层，其特征在于，所述玻璃涂层附着在镍基合金的叶片表面，所述玻璃涂层的热膨胀系数为13.57×10-6/℃-1～16.68×10-6/℃-1；

4、以质量分数计，所述玻璃涂层由以下原料组成：磷酸二氢铵35～45％、氧化铝20～30％、氧化硼1～10％、碳酸钠10～20％、碳酸钾10～20％、碳酸锂1～10％、二氧化硅1～10％、氟化钙1～10％，所有组分的质量和为100％。

5、本发明的进一步改进在于：

6、优选的，所述玻璃涂层耐温温度为407～416℃，玻璃转变温度为407～416℃，玻璃析晶温度为510～520℃。

7、优选的，所述原料组成为磷酸二氢铵35％～45％、氧化铝20％～30％、氧化硼1％～10％、碳酸钠10％～20％、碳酸钾10％～20％、碳酸锂1％～10％、二氧化硅1％～10％、氟化钙1％～10％，所有组分的质量和为100％。

8、优选的，所述原料组成为磷酸二氢铵40％、氧化铝20％、氧化硼6％、碳酸钠12％、碳酸钾12％、碳酸锂4％、二氧化硅2％、氟化钙4％。

9、优选的，所述镍基合金为gh738镍基合金。

10、上述镍基合金表面光弹玻璃涂层的制备方法，包括以下步骤：

11、步骤1，将原料称量后混合均匀，研磨过筛后进行熔制，将熔融后的玻璃液水淬，将玻璃颗粒球磨至微米级，获得微米级玻璃粉；

12、步骤2，打磨镍基合金叶片，将微米级玻璃粉末和水混合后，形成浆料，将浆料涂刷在镍基合金叶片表面，烘干后保温，将保温后的叶片取出后空淬，涂层制备完成。

13、优选的，步骤1中，熔制温度为1100～1300℃，熔制时间为10～30min。

14、优选的，步骤2中，烘干温度为20～70℃；保温温度为700～1000℃，保温时间为1～10min。

15、优选的，步骤2中，玻璃粉末和水的混合体积比为9:1～6:4。

16、优选的，空淬的过程为：将包裹有涂层的压片置于常温的耐火砖上空淬5s，再与常温铁块接触，冷却后涂层制备完成。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、本发明公开了一种镍基合金表面光弹玻璃涂层，该光弹玻璃涂层设置在航空发动机叶片上，用于检测叶片中的应力分布，制备出涂层的热膨胀系数最高达16.68×10-6/℃-1、耐温达416℃、高透明度的磷酸盐玻璃；该玻璃涂层的耐温性高，能轻松实现高温下对叶片应力的测量；且玻璃涂层与叶片的结合为化学结合，玻璃涂层与叶片之间的元素相互扩散渗透，形成了一个过渡层，使得结合程度更好，使得变形更加一致，计算结果准确度高；此外，可在具有一定弧度的叶片表面制备涂层，适用于异形件叶片。通过该涂层能够利用光学系统对带有光弹涂层的镍基合金进行光弹性测试，当合金受载时，合金表面产生应变并同步传递到涂层，通过检测涂层的应变状态可获得合金的应变状态，即从系统发出的偏振光经涂层入射至合金表面再反射，在此过程中，入射光和反射光因涂层的光弹性发生双折射，使得出射光具有一定的相位差，出射光再经系统中偏光镜的作用发生干涉，会出现丰富的条纹图像，通过高速相机获取条纹图像，并用程序处理条纹图像，即可分析镍基合金的应力(应变)场分布。

19、本发明的实施例之一为公开了一种镍基合金表面光弹玻璃涂层制备方法，该方法通过熔融-水淬法，以gh738镍基合金为基体，采用浆料喷涂-烧结-快冷工艺，在镍基合金表面制备结合良好、厚度薄且均匀、透明度高的光弹玻璃涂层。

技术特征：

1.镍基合金表面光弹玻璃涂层，其特征在于，所述玻璃涂层附着在镍基合金的叶片表面，所述玻璃涂层的热膨胀系数为13.57×10-6/℃-1～16.68×10-6/℃-1；

2.根据权利要求1所述的镍基合金表面光弹玻璃涂层，其特征在于，所述玻璃涂层耐温温度为407～416℃，玻璃转变温度为407～416℃，玻璃析晶温度为510～520℃。

3.根据权利要求1所述的镍基合金表面光弹玻璃涂层，其特征在于，所述原料组成为磷酸二氢铵35％～45％、氧化铝20％～30％、氧化硼1％～10％、碳酸钠10％～20％、碳酸钾10％～20％、碳酸锂1％～10％、二氧化硅1％～10％、氟化钙1％～10％，所有组分的质量和为100％。

4.根据权利要求1所述的镍基合金表面光弹玻璃涂层，其特征在于，所述原料组成为磷酸二氢铵40％、氧化铝20％、氧化硼6％、碳酸钠12％、碳酸钾12％、碳酸锂4％、二氧化硅2％、氟化钙4％。

5.根据权利要求1所述的镍基合金表面光弹玻璃涂层，其特征在于，所述镍基合金为gh738镍基合金。

6.权利要求1所述镍基合金表面光弹玻璃涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的镍基合金表面光弹玻璃涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中，熔制温度为1100～1300℃，熔制时间为10～30min。

8.根据权利要求6所述的镍基合金表面光弹玻璃涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中，烘干温度为20～70℃；保温温度为700～1000℃，保温时间为1～10min。

9.根据权利要求6所述的镍基合金表面光弹玻璃涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中，玻璃粉末和水的混合体积比为9:1～6:4。

10.根据权利要求6所述的镍基合金表面光弹玻璃涂层的制备方法，其特征在于，空淬的过程为：将包裹有涂层的压片置于常温的耐火砖上空淬5s，再与常温铁块接触，冷却后涂层制备完成。

技术总结
本发明公开了一种镍基合金表面光弹玻璃涂层及其制备方法，该光弹玻璃涂层设置在航空发动机叶片上，用于检测叶片中的应力分布，制备出涂层的热膨胀系数最高达16.68×10<supgt;‑6</supgt;/℃<supgt;‑1</supgt;、耐温达416℃、高透明度的磷酸盐玻璃；该玻璃涂层的耐温性高，能轻松实现高温下对叶片应力的测量；且玻璃涂层与叶片的结合为化学结合，玻璃涂层与叶片之间的元素相互扩散渗透，形成了一个过渡层，使得结合程度更好，使得变形更加一致，计算结果准确度高；此外，可在具有一定弧度的叶片表面制备涂层，适用于异形件叶片。

技术研发人员：张文东,牛敏,张华健,贾书海,王红洁
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11