摘 要:采用等离子喷涂铝粉作为打底材料在碳纤维增强聚酰亚胺复合材料(PMC)基体上制备了Al2O3和ZrO2轻质陶瓷防护涂层,测试了涂层的剪切结合强度、耐热循环性能、抗冲蚀性能、隔热性能。结果表明,等离子喷涂铝粉作打底层的涂层系统,性能优于电弧喷铝或电弧喷锌作打底层的涂层系统。带有Al2O3涂层的试样失重不到基体材料失重的1/3,Al2O3和ZrO2陶瓷涂层都可以为聚酰亚胺复合材料基体提供有效的冲蚀防护。Al2O3和ZrO2陶瓷涂层都可以为聚酰亚胺复合材料基体提供有效的隔热防护,ZrO2涂层隔热性能优于Al2O3涂层。
关键词:高温树脂基复合材料;陶瓷涂层;冲蚀;隔热涂层
0 序 言
高温树脂基复合材料出现以来,由于其工作温度高,高温性能优异,比强度、比刚度高,已广泛应用于航空航天领域。美国在20世纪80年代初期就已将聚酰亚胺基高温复合材料用于战斗机发动机的制造,到现在该技术已日臻成熟并发展了系列产品[1]。为提高树脂基复合材料的耐高温性能和耐冲蚀性能,各国研究工作者进行了广泛的研究。碳纤维/聚酰亚胺的耐热温度是300℃左右,但在其外表面加上氧化硅涂层,可使其在400e甚至更高的温度下使用[2],铝涂层的应用可以使碳纤维/聚酰亚胺的抗高温氧化能力增加[3]。为了找到适合于发动机上高温树脂基复合材料上应用的耐高温抗冲蚀涂层,NASA Glenn Research Center和Allison Advanc- ed Development Company合作,在碳纤维增强聚酰亚胺树脂基复合材料T650-35/PMR-15上试验了采用两种底层材料和三种耐磨性良好的顶层材料的不同涂层系统,其中顶层材料分别为Cr3C2-NiCr,WC-Co,TiN,在随后的热循环响应和耐冲蚀磨损性能试验中发现,Cr3C2-NiCr及WC-Co涂层材料表现出良好的耐冲蚀性能,是未防护的聚酰亚胺树脂基复合材料的8. 5倍[4, 5],采用等离子喷涂获得的涂层性能远高于采用CVD(化学气相乘积)方法获得的TiN涂层[6]。采用电弧喷锌作为打底层,等离子喷涂Al2O3作为防护涂层,在高温树脂基复合材料上制备出了轻质陶瓷防护涂层[7],涂层和基体结合强度高,抗热震性能好。为了进一步提高防护涂层和基体的结合强度及耐热循环性能,采用等离子喷涂铝粉作为打底层,制备了高温树脂基复合材料轻质防护涂层,研究了防护陶瓷涂层的隔热和耐冲蚀性能。
1 试验材料及方法
试验的基体材料为某航空研究单位开发的碳纤维增强聚酰亚胺复合材料,该材料可在371℃下长期稳定工作,瞬时耐温可达500℃。防护涂层采用了两种材料,一种是加有13% TiO2的Al2O3粉末,另一种是Y2O3部分稳定的ZrO2。这两种陶瓷涂层都采用等离子喷涂方法制备。打底材料为等离子喷涂纯铝粉。聚酰亚胺复合材料平板在喷涂前经过喷砂粗化处理。所用等离子喷涂设备为瑞士PT公司生产的R-750C等离子喷涂设备,喷涂工艺参数见表1。
涂层与基体的结合强度参照国标GB/T 7124-1986《胶粘剂拉伸剪切强度测定方法》测定,试样为宽20mm、长40mm、厚2mm平板。将喷涂好的试样涂层一侧用强力胶粘贴在预先喷砂处理过的2mm厚钢板上,制成拉伸试样。粘贴部分宽度15mm左右。待粘贴好的试样经24 h室温固化后,在Instron 1186电子万能材料试验机上拉伸,直至涂层脱落。记录最大拉伸力,测量涂层开裂面积,计算出涂层剪切结合强度。采用OLYMPUS PMG3显微镜对涂层进行金相组织观察。
热循环试验采用加热、保温、浸入室温的水中进行冷却的方式循环进行。将喷涂好的试样在电炉中加热到371℃,保温10min,取出浸入室温的水中,用放大镜观察冷却后的试样表面,记录第一次发现裂纹时的浸水冷却次数,定为启裂次数。为了和前期试验结果进行对比,在进行浸水冷却循环试验前,先进行了50个加热、保温、空冷循环。
冲蚀试验采用自制的冲蚀试验机进行。试样固定装置的角度可以调节,喷枪到试样的距离也可以根据需要进行调节。设备还备有用于观察的玻璃窗和清理残砂的通道。表2为冲蚀试验各项参数值。冲蚀采用每次给砂量确定的方法,每次冲蚀用砂0.25 kg,每次冲蚀完毕之后进行试样称重,称重采用精度为万分之一的天平。采用S-5700型扫描电镜对冲蚀试样表面形貌进行观察。
隔热试验是将试件有涂层的一面面对300℃热源固定,采用红外线测温仪测量另一侧复合材料的温度。每隔5 s测量一次。
2 结果与讨论
2.1 等离子喷涂铝粉作为打底层
前期研究结果表明[7],电弧喷铝作为聚酰亚胺基复合材料防护涂层的打底层,会对基体产生烧损,涂层和基体的结合强度只有7. 54MPa;采用电弧喷锌作为打底材料,涂层结合强度为10. 45MPa。为进一步提高防护涂层和基体的结合强度及耐热循环能力,尝试了采用等离子喷铝作为打底层,在其上喷涂Al2O3涂层及ZrO2涂层作为冲蚀防护及隔热涂层。Al/Al2O3涂层显微组织见图1。
由图1可以看出,和电弧喷涂的铝打底层不同,等离子喷涂的铝打底层和基体结合良好,界面处没有烧损带的存在。
电弧喷涂采用的材料是铝丝材,丝材端部必须被加热到铝的熔点以上一段时间,才能形成液滴,在压缩空气的作用下被雾化,喷涂到基材上。铝丝材在电弧中加热时间长、过热度大,给基体带去的热量多,造成基体温升过高,使界面处基体烧损。尽管等离子弧的温度比电弧要高,但等离子喷涂时使用的材料是铝粉末,粉末进入等离子弧后立刻被喷涂到基体上,加热时间很短,铝粉的过热度较小,没有造成基体的烧损。剪切结合强度测试结果和前期试验结果对比见表3。可以看出,等离子喷涂铝打底层和基体的结合强度为11. 89MPa,不仅高于电弧喷铝作打底层的涂层系统,而且也高于电弧喷锌作打底层的涂层系统。热循环试验结果和前期试验结果对比见表4。
聚酰亚胺复合材料的工作温度较高,通常在300℃以上。锌作为打底层材料,虽然和基体结合良好,塑性也很好,但在这样高的温度下,其本身强度降低较严重,降低了涂层系统的耐热循环能力,涂层在第31个循环即发生了开裂。铝的熔点远高于锌的熔点,当聚酰亚胺复合材料在较高温度下工作时,其本身强度比锌打底层高,同样加热冷却情况下,等离子喷铝作为打底层的涂层系统分别在第34个和第37个循环时才产生裂纹。电弧喷铝作打底层的涂层系统在第23个循环发生了开裂,是由于基体发生了烧损造成的。
2.2 防护涂层的耐冲蚀性能
图2为冲蚀试验后,不带防护涂层和带有陶瓷防护涂层的试样的表面形貌。冲蚀攻角为30°。可以看出,没有防护涂层的聚酰亚胺复合材料表面冲蚀破坏严重,表层的聚酰亚胺和增强碳纤维已被冲蚀掉,基体内部碳纤维暴露出来。冲蚀造成了大量碳纤维断裂,见图2a。碳纤维断裂将极大地影响复合材料的强度,而且碳纤维暴露在空气中,在较高温度下,容易发生氧化反应,给复合材料带来进一步的损伤。而带有陶瓷防护涂层的试样冲蚀后,仅发生了表面陶瓷涂层的轻微冲蚀,完全没有伤及基体材料,见图2b、图2c。
图3为聚酰亚胺复合材料基体及带有陶瓷涂层试样的冲蚀失重曲线,冲蚀攻角为30°。可以看出,在同样冲蚀条件下,带有Al2O3涂层的试样失重不到基体失重的1/3,带有ZrO2涂层的试样失重约为基体失重的1/2。而且,Al2O3涂层的密度约为基体材料密度的2倍,ZrO2涂层的密度约为基体材料密度的4倍,考虑其体积损失,陶瓷涂层的冲蚀磨损量仅为聚酰亚胺复合材料基体的1/8左右。陶瓷涂层对聚酰亚胺复合材料起到了很好的保护作用。
图4是带有Al2O3防护涂层的试样在不同冲蚀攻角下冲蚀失重的比较。可以看出,冲蚀攻角为90°时涂层质量损失严重,冲蚀用砂量0. 5 g时,涂层失重已超过20 g;小攻角冲蚀时涂层的耐冲蚀性较好,冲蚀用砂量1. 25 g时,涂层失重不到10 g,表现出典型的脆性材料冲蚀特征。
2.3 防护涂层的隔热性能
图5为涂层隔热性能的测试结果。可以看出，Al2O3和ZrO2两种涂层都有较好的隔热作用。没有防护涂层的基体材料升温较快, 10 s后即达到198e,随后升温速度逐渐减缓。带有Al2O3防护涂层的试件升温速度稍慢于无防护涂层试件,温度一直低于无防护涂层试件, 35 s后温度低于无防护涂层试件23℃。带有ZrO2防护涂层的试件升温较慢,10 s后,试样背面仅为59℃。35 s后,试件背面温度低于无防护涂层试件41℃。ZrO2是一种隔热性能非常好的陶瓷材料,采用很薄的涂层,即可大幅度提高基体材料的使用温度。
3 结 论
(1)在聚酰亚胺复合材料上采用等离子喷涂铝粉作打底涂层,可以获得比电弧喷铝或电弧喷锌作打底层更高的结合强度,是一种更好的打底涂层。采用等离子喷铝在聚酰亚胺复合材料上制备的Al2O3和ZrO2陶瓷涂层的抗热震性能都优于电弧喷铝或电弧喷锌作打底层的涂层系统。
(2)在同样冲蚀条件下,带有Al2O3涂层的试样失重不到基体失重的1/3,带有ZrO2涂层的试样失重约为基体失重的1/2。Al2O3和ZrO2陶瓷涂层都可以为聚酰亚胺复合材料基体提供有效的冲蚀防护。在高攻角冲蚀条件下,陶瓷涂层冲蚀较严重,小攻角冲蚀条件下,陶瓷涂层冲蚀轻微,表现出典型的脆性材料冲蚀特征。
(3) Al2O3和ZrO2陶瓷涂层都可以为聚酰亚胺复合材料基体提供有效的隔热防护, ZrO2陶瓷涂层隔热性能优于Al2O3涂层。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
