[发明专利]一种耐高温紧固件用AlN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及涂层材料的技术领域，具体涉及一种耐高温紧固件用AlN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法，所述AlN/AlScN纳米复合压电涂层采用梯度层结构，由内到外依次包括结合层、支撑层、压电功能层和保护层，其中，结合层为纯金属AlSc层，支撑层为AlSc/AlScN纳米多层膜，压电功能层为AlN/AlScN纳米多层膜，保护层为AlON层。本发明的涂层具有比常规压电涂层更好的硬度、耐磨和韧性；充分利用梯度结构和纳米多层结构，形成结构和成分渐变，涂层和基体应力较低，具有好的附着力；提高了涂层的耐磨性能，同时耐腐蚀性能也大幅度提高；可以在高温时很好的保护压电复合涂层不被氧化，提高其高温稳定性。

技术领域

本发明涉及涂层材料的技术领域，具体涉及一种耐高温紧固件用AlN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法。

背景技术

螺栓紧固连接广泛应用于航空航天装备重要设备的结构上。螺栓预紧力是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力相关。预紧力是否合适将直接关系到整个产品、设备的可靠性和安全性。在拧紧时若预紧力过大，易导致螺栓疲劳破坏；若预紧力不够则会引起振动松弛和滑移，影响系统结构的整体性能，这两种情况都将导致航空航天设备的损坏和严重事故的发生。因此，必须采取有效手段精确控制螺栓预紧力，以确保航空航天装备的可靠性。

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。

根据经验，如图1所示，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。

超声导波是一种沿着结构件有限的边界形状快速传播并被构件边界形状所约束、所导向的机械弹性波，它具有检测距离长、覆盖范围广、检测效率高的优点。超声导波的透射波能量作为拧紧指数被广泛用作螺栓松动监测，然而根据粗糙接触力学理论，当接触压力达到一定值时，连接界面处的真实接触面积会达到饱和值，此时真实接触面积不再随着接触压力的增加而变化。因此利用透射波能量检测时，当螺栓预紧力达到一定值后，透过的导波能量不再变化，此时其检测灵敏度会显著降低。使用机电阻抗技术可以实现螺栓松动的有效监测，但它的检测范围局限于压电传感器附近，并且需要昂贵的高精度阻抗分析仪，因此应用存在一定的局限性。

利用压电传感器产生超声来进行预紧力测量是目前最新发展的技术，其主要通过在螺栓上制备永久型压电传感器形成智能螺栓，然后利用传感器的逆压电效应在螺栓内产生超声波信号，通过标定不同载荷、温度与超声波在螺栓内飞行时间差关系，来实现螺栓内载荷的测量，是螺栓载荷的直接、原位测量方法。但目前对于高温场合应用的超声传感器缺乏研究，急需开发新的耐高温超声传感器涂层材料。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种耐高温紧固件用AlN/AlScN纳米复合压电涂层，抑制了AlN和AlScN柱状晶的生长，提高压电涂层的致密度、涂层的耐磨性能和耐腐蚀性能。