[发明专利]一种智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及合涂层材料的技术领域，具体涉及一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法，所述AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层采用梯度层结构，由内至外包括依次设置的结合层、过渡层、压电功能层和保护层，结合层为纯金属AlCr合金层，过渡层为AlCr/AlCrN纳米多层膜，压电功能层为AlCrN/AlScN纳米多层膜，保护层为AlCrON涂层。本发明的复合压电涂层具有抗腐蚀、高耐磨和高韧性的特点，可以保证压电涂层长期稳定的在智能螺栓表面工作，减少腐蚀等导致的失效可能性。采用的溅射技术为工业上的通用技术，工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的生产成本。

技术领域

本发明涉及合涂层材料的技术领域，具体涉及一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法。

背景技术

相较于通用螺栓，航空发动机所用的航空螺栓对预紧力的形成精度提出了更高的要求，所应用的环境也更为复杂。此外，目前国内针对航空螺栓的研究较少，这导致航空螺栓装配工艺的设计缺乏试验指导。在螺栓预紧力的确定方面，欧美国家做的较为成熟。波音公司制定了的螺栓连接分析指南，还制定了预紧力的设计准则、螺栓螺母的安装等。国外在螺栓预紧力的安装及设计方面制定了相应的标准。由于航空发动机中存在大量采用螺栓连接的装配结构，如发动机静子机匣、压气机转子、涡轮转子等。螺栓预紧力的大小及一致性会影响发动机结构系统性能稳健性。随着发动机转速与推重比逐代提升，使得螺栓连接结构对整机性能与稳定性的影响越来越大，所以对螺栓连接预紧力控制也需要更为精准和严格。

预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上大量的试验和使用经验证明较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然“物极必反”，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。螺栓连接是航空航天等产品中应用最为广泛的连接方式，其最根本的目的是在被连接件之间产生可靠的夹紧力，即螺栓的预紧力。预紧力在拧紧过程和产品使用过程中很难进行直接的监测与控制，目前主要通过扭矩法、转角法、超声导波法、机电阻抗法、超声波传感器法等测量方式来控制预紧力。

目前应用最广泛的控制螺栓预紧力方法为扭矩法，扭矩拧紧法的原理是扭矩大小和轴向预紧力之间存在一定关系。根据经验，在拧紧过程中，有50%的扭矩消耗在螺栓端面的摩擦上，有40%消耗在螺纹的摩擦上，仅有10%的扭矩用来产生预紧力。当通过拧紧力矩控制预紧力时，人们希望拧紧力与螺栓预紧力呈线性关系，这样通过控制拧紧力矩的大小就可以计算得到预紧力值。但在实际中，由于受摩擦因数和几何参数偏差的影响，在一定的拧紧力矩下，预紧力变化比较大，所以通过拧紧力矩来控制螺栓预紧力的精度不高，存在较大的误差，最大可达±40%。这也就导致螺栓预紧力的离散度过大，严重影响连接系统的安全性。

基于压电传感器的超声测预紧力法是目前最新发展的技术，逐步为欧美工业界的高端产品所采纳，主要应用于航空、航天等工业产品中。主要有贴片法和溅射镀膜方法。贴片法使用方便，但其精度差，容易剥落。溅射法其测量精度可以控制在5%以下，附着力好，耐腐蚀耐冲击，是目前最有前途的预紧力测量技术。但目前主要为低温使用的，高温的未见到任何报道。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层，提高了涂层的韧性，避免受到冲击时或者高低温膨胀时开裂，此外多层结构还可以提高涂层的硬度，可以提高压电复合涂层的耐磨性。

本发明的目的之二在于提供一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法，制备工艺简便，易于调节，工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的生产成本。