高温合金表面纳米涂层局部修复工艺研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 50 高温合金表面纳米涂层局部修复工艺研究 费则元1 孙慧艳2 于 婷2 裴丽艳2 柳逸夫2 1.海装沈阳局驻沈阳地区某军事代表室，辽宁 沈阳 110043 2.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043 摘要：摘要：本项目主要是以附着力、盐雾、高温氧化及盐雾/热暴露等性能测试作为考核指标，同时对不同涂层的电偶腐蚀性能进行的测试，研制了一种纳米涂层的局部修复工艺，确定了涂层修复的工艺方法及工艺参数，使其各项性能指标均能满足相关标准的技术要求，达到了高温合金材料在沿海环境下使用的要求。以期为相关行业工艺研发提供相关数据参考。关键词：关键词：高温合金；纳米涂层；修复工艺；三防；海洋环境 中图分类号：中图分类号：TG174 0 引言 海军舰船长期在海洋环境服役，由于海水盐度高，海洋潮湿大气中含有大量的硫酸盐、镁盐以及 Cl-，其中大量的 Cl-是造成舰载燃气轮机的部分零部件发生腐蚀的最主要原因,金属表面先会被氧化，表面形成一层氧化膜，氧化膜在一定程度上可能降低腐蚀的发展，但海水中的 Cl-接触氧化膜后，会穿过氧化膜，导致氧化膜破损，从而富含氧离子的海水接触金属基体，进一步腐蚀零件，这便严重影响了海洋舰船的工作寿命，对其防腐维修费用非常高，因此，减缓舰船发动机腐蚀一直是各国海军重视的问题之一。某型自主研制的燃气轮发动机低压一级导向器的零组件由GH907材料制造，由于该材料铬含量较低（化学成分表见表 1），仅为 1%左右，一般良好的耐腐蚀性能需要铬含量要大于 13%，因此，GH907 材料在海洋环境下的耐蚀性较差，目前采用喷涂纳米防腐涂层的方式来提高其防腐性能，该纳米防腐涂层最高适用温度 700，适用于磨损、冲刷、高温盐雾、氧化环境中的钢、高温合金、钛合金、铝合金构件。但随着零件生产批量的增大，不断暴露出喷涂完成后的零件，在进行后续安装托板螺母、喷涂镍铝涂层、车镍铝涂层、磨蜂窝前保护、电火花磨蜂窝、超声波清洗等机械加工和装配工序过程中，经常会在不同位置出现涂层局部剥落现象，这样会严重影响零件在海洋环境下的耐蚀性。纳米涂层需加温固化，且时间较长，采用原涂层在飞机发动机上无法进行局部修复工作。当时的解决方案是，涂层一旦出现局部剥落现象，则要将已装配至飞机发动机上的零组件分解，重新喷涂纳米涂层，分解过程中还会导致部分紧固件无法恢复使用，这种涂层故检修理方法，生产周期长，成本高。为此，解决零件在加工过程中导致的纳米涂层剥落后的修复问题已迫在眉睫。1 试验目标 本项目通过涂料筛选、修复涂层制备工艺试验，研究了一种可以室温固化的耐高温局部修复涂料及涂层施工工艺，涂层的各项性能测试指标满足相关技术文件要求，解决了纳米涂层的局部修复工艺缺失问题。该项目研制成功，则可以避免零件的分解，直接在组合件上进行补涂。大大地缩短了涂层修复的施工周期，节约生产成本，延长了高温合金材料表面纳米涂层在海洋环境下的使用寿命，提高飞机发动机在海洋环境下使用的安全性和可靠性。2 试验方法 海洋环境是一种极具挑战性的腐蚀环境，海水中盐分、潮湿、氧化等因素对纳米涂层会造成持续性的腐蚀损害，需要采取有效的修复措施，通常修复的方法有表 1 GH907 材料的化学成分表（wt%）元素 C Cr S P Al Ti Co Mn Cu B Nb+Ta Ni Si 含量 0.06 1.00 0.015 0.015 0.20 1.3-1.8 12.0-16.0 1.0 0.5 0.012 4.3-5.2 35.0-40.0 0.07-0.35 中国科技期刊数据库 工业 A 51 局部补漆法和涂层剥离再涂法。但无论采用哪种修复方法，都需要先了解涂层种类和受损情况，根实际情况选择相应修复方法。下面主要针对纳米涂层小面积损伤情况开展研究，以达到最好的修复效果。纳米涂层的修复漆原则上采用原涂层进行修复，但该涂层的制备工艺要求在 230固化 3h，所以原涂层不适合作为局部修复漆使用。再者在大组件上进行原涂层补漆时，其结合力较差，补涂位置涂层易剥落。初步分析为零件装配至大组件状态过程中，涂层曾浸入至冷却液、煤油等介质，这些有机物会渗透至涂层的孔隙内，从而影响了漆层的修复质量。鉴于上述情况，本项目研究开发了一种可室温固化、耐高温（600）的局部修专用涂料（LM-65B），进一步开展修复工艺研究。首先将受损涂层周边用细砂纸打磨去除松散和生锈涂层，清理干净后后再采用空气喷涂方法，局部喷涂LM-65B 专用修复涂料，并晾干 24h 以上，实现涂层修复。主要工艺流程如下：除油清理表面非涂覆表面保护（胶带）打磨缺陷表面表面清理补喷涂层室温固化（24h）检验。本项目采用的试验设备为恒温恒湿喷房、充电型小型喷笔或小口径的 SATA 喷枪、温湿度计、涡流测厚仪和烧杯等。本项目采用的试验材料为无水已醇、丙酮、LM-65B型涂料、去离子水或蒸馏水，试片采用的是马口铁、GH907 材料。具体试验过程如下：2.1 除油 将无水已醇和丙酮按 1：1 比例配制成除油液，然后用毛刷和方块布等蘸除油液反复刷洗、擦拭3-4遍，持续清洗至少 10min 以上，确保原涂层中污染物彻底清理干净。零件经除油后应在室温下自然干燥 15 min20 min 或用清洁、干燥的压缩空气吹干。2.2 打磨缺陷表面 用 240400#的砂纸，对涂层损坏的区进行轻微的打磨，使其区域略大于损坏的区域，同时，要保证漆层的边缘薄且呈羽毛状，确保打磨平滑，无任何多余物残留，便于增加涂层的结合力。然后再用酒精或丙酮清洗打磨区域并用无水、无油的压缩空气吹干或晾干。2.3 局部补喷涂 LM-65B 型涂料为双组份，其中组份一为灰色粉末，组份二为无色粘稠液体。按 50：55 的固液质量比分别称取组分一和组分二，放在烧杯中混合好，并加入总质量约 50%的去离子水或蒸馏水，然后用玻璃棒或搅拌器（300r/min)搅拌 20min 以上，使涂料充分混合均匀。使用前用 200 目不锈钢网过滤，混合完成的涂料要在6h 内用完，超过使用有效期，则涂料报废。将混合好的涂料倒入充电型小型喷笔或小口径的SATA喷枪中备用。喷房中的温度控制在（20-30），湿度控制在35%60%，避免涂层出现大面积干喷（粗砂纸状涂层）现象。压力控制在（0.10.2）MPa，喷涂距离控制在（250300)mm，一般需喷涂(23)遍。第一遍喷涂要做到薄而均匀，室温晾干 20min 后，再喷涂第 2-3 遍，每遍喷涂完成后，均要在室温下晾干 20min 以上。LM-65B 修复涂层表面干时间约需 20min，彻底固化需干燥 24h 以上，修补涂层的厚度约控制在 3040um。为验证涂覆效果，在试片上制备纳涂层，然后预制造涂层缺陷，采用空气喷涂法进行修复，修复表面外观平滑，修复前后的宏观形貌如图 1 所示。（a）涂层缺陷图片 （b）局部修复后形貌 图 1 修补前后表面形貌 从图 1 可以看出：采用喷涂方法修复后，补涂区的颜色与原涂层较为接近，界面结合良好，无明显修补痕迹，存在轻微的印痕。同时，针对修复区域的原纳米涂层、过渡区涂层及修补区域涂层进行了微观形貌分析，发现修补区的涂层表面粗糙度略小，这是由于涂层中固体成分含量降低所致，如图 2 所示，但修复效果中国科技期刊数据库 工业 A 52 与原涂层基本相当，可满足防腐要求。（a）原纳米涂层 （b）局部修复后图层 图 2 修补区附近涂层微观形貌图 3 试验结果与讨论 对修复后的涂层分别进行耐冲击性测试、附着力测试、抗氧化性能测试、热震性能测试及盐雾性能测试，从而验证 LM-65B 修复涂层的使用性能，具体测试结果如下：3.1 耐冲击性 按 GB/T 1732-2020漆膜耐冲击性测定法标准检查 LM-65B 修复涂层的耐冲击性，修复涂层的修复位置及原涂层位置均无裂纹、皱纹或剥落现象，见图 3，耐冲击性合格，符合标准要求。图 3 LM-65B 耐冲击性测试后表面形貌 3.2 附着力 按 GB/T 5210-2006 色漆和清漆 拉开法附着力试验 标准对涂层的拉伸结合强度进行测试，拉伸结合强度测试结果见表 2，拉伸断裂后的均为涂层处断裂。LM-65 修复涂层附着力平均值为 24.66MPa，满足该涂层拉伸结合强度要求，断裂发生在涂层中间，涂层与基体结合良好。表 2 涂层拉伸结合强度测试结果 名称 拉伸结合强度（MPa）平均值 测试点 1 2 3 LM-65B 25.19 24.12 24.66 24.66 3.3 抗氧化性能 高温氧化也是导致高温结构部件失效的重要因素之一，涂层要求具有良好的抗高温氧化性能。按HB5258-2000钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法标准，对修复后的涂层进行 650氧化，100h 后，平均氧化增速小于 0.1g/m2h，达到了完全抗氧化 1 级。涂层颜色略微变黄，涂层完整而致密，未发生起皮、起泡、剥落及裂纹现象，见图 4。（a)涂层原始 （b)650氧化 100h 图 4 LM-65B 型修复涂层原始及 650氧化 100h 后宏观形貌 3.4 热震性能 按照该涂层使用的工况，对 LM-65B 修复涂层在 650温度下进行 1000 次空冷热震试验，涂层表面保持完整，未发生起皮、起泡、脱落和剥落现象，具有较好的抗热震性能。涂层原始形貌和 1000 次热震试验后的宏观形貌见图 5。3.5 盐雾性能 按 GJB150.11A-2009军用装备实验室环境试验 盐雾试验标准，在 GH907 材料裸样进行了 24h 盐雾试验，结果 GH907 材料耐蚀性极差，24h 后发生了大面积锈蚀；对 GH907 试样喷涂 LM-65B 修复涂层，然后进行 1000h 常温盐雾试验，涂层完好，有轻微变色，没有中国科技期刊数据库 工业 A 53 出现起泡、起皮、脱落现象，见图 6，因此，LM-65B 修复涂层通过 1000h 盐雾测试，在盐雾环境中可起到防腐功能。（a)涂层原始 （b)650热震 1000 次 图 5 LM-65B 型修复涂层原始及650热振1000 次后宏观形貌 （a)GH907 材料裸样 （b)喷涂 LM-65B 型修复涂层 图 6 GH907 材料裸样和喷涂 LM-65B 型修复涂层盐雾 1000h后形貌 4 试验结论（1）当纳米涂层局部出现暴露基体的缺陷时，允许局部修补 LM-65B 涂层，但为了零件外观美观，每个零件不允许超过 5 处，且单处面积不应超过 150mm2。（2）LM-65B 局部修复涂层可以采用喷涂方法制备，工艺流程如下：除油清理表面非涂覆区域保护打磨缺陷表面表面清理补涂涂层室温固化检验。喷涂时压力控制在（0.10.2）MPa，喷涂距离控制在（250300）mm，一般需喷涂（23）遍。第一遍喷涂要做到薄而均匀，室温晾干 20min 后，再喷涂第2-3 遍，每遍喷涂完成后，均要在室温下晾干 30min 以上，彻底固化需干燥 24h 以上。涂层修复时可充电型小型喷笔或小口径的 SATA 喷枪进行喷涂，环境温湿度应保证：温度控制在（20-30），湿度控制在 35%60%。（3）LM-65B 局部修复涂层耐冲击性、附着力、抗氧化性、热震及盐雾的性能测试结果均合格。达到了GH907材料在沿海环境下耐650高温的使用的技术要求，实现了防盐雾、防湿热、防霉菌及抗高温氧化的目的。（4）采用 LM-65B 涂层局部修复，可以节省时间和成本，对有缺陷区域的修复具有精准性。局部修复工艺可以减少浪废，同时也能减少对环境污染和废弃物的产生。尤其是对一些无法分解的零组件及工作过程不能停机的各型发动机零部件更加适用。参考文献 1李铁藩.金属高温氧化和热腐蚀M.北京:化学工业出版社,2003.2K.J.克莱邦德.纳米材料化学M.北京:化学工业出版社,2004.3金石.高温抗氧化涂层M.北京:科学出版社,1980.4金海波.现代表面处理新工艺 新技术与新标准M.北京:当代中国音像出版社,2004.5曾荣昌.材料的腐蚀与防护M.北京:化学工业出版社,2006.6白春礼.纳米科技及其发展前景J.世界科学,2001(1):1.7李成功.航空航天材料M.北京:国防工业出版社,2002.