在旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件表面制備阻尼減振復(fù)合涂層的方法
【專利摘要】一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件表面制備阻尼減振復(fù)合涂層的方法,屬于材料【技術(shù)領(lǐng)域】,按以下步驟進(jìn)行:(1)以旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件作為基體,置于過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī)的真空室內(nèi);(2)抽真空后將基體預(yù)熱;(3)通入氬氣,開啟過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī),向基體表面沉積鈦涂層;(4)向鈦涂層表面沉積Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂層;(5)向Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8涂層表面沉積鎂鋁合金涂層,在基體表面制成阻尼減振復(fù)合涂層。本發(fā)明的方法制備阻尼減振復(fù)合涂層還具備以下特點(diǎn):基底預(yù)處理不破壞葉片表面結(jié)構(gòu);預(yù)熱溫度低對(duì)葉片材料結(jié)構(gòu)特性影響小;涂層選用材料普遍,不受采購(gòu)等條件制約,工藝簡(jiǎn)單穩(wěn)定性高,清潔無(wú)粉塵廢氣等污染物產(chǎn)生。
【專利說(shuō)明】在旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件表面制備阻尼減振復(fù)合涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料【技術(shù)領(lǐng)域】,特別涉及一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件表面制備阻尼減振復(fù)合涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從上世紀(jì)末至今,伴隨著科技的發(fā)展,特別是航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步,旋轉(zhuǎn)機(jī)械逐漸向高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展,其工作條件越來(lái)越嚴(yán)酷的同時(shí),振動(dòng)問(wèn)題也越來(lái)越突出。特別是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中典型薄殼構(gòu)件的振動(dòng)損傷故障具有多發(fā)性、突發(fā)性、災(zāi)難性特點(diǎn)。薄殼構(gòu)件在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作范圍內(nèi)很難完全避開高階共振點(diǎn)的強(qiáng)迫振動(dòng),并且薄殼構(gòu)件的許多振動(dòng)損傷故障多數(shù)情況下都?xì)w因于振動(dòng)所產(chǎn)生的較高的振動(dòng)應(yīng)力。同時(shí)由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械在修改結(jié)構(gòu)或減輕外激勵(lì)等方面受到限制,因此只有通過(guò)采取合理的被動(dòng)減振方法,進(jìn)行有效的振動(dòng)抑制,才能降低振動(dòng)水平,降低振動(dòng)損傷故障發(fā)生的可能性,可以說(shuō)采用被動(dòng)減振措施即增加和強(qiáng)化薄殼構(gòu)件的阻尼環(huán)節(jié)是必然的選擇。作為界面阻尼的一種主要方法,在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上,研究采用涂層阻尼實(shí)現(xiàn)對(duì)薄殼構(gòu)件振動(dòng)的抑制是非常必要的。
[0003]阻尼涂層最常采用的材料一般為具有粘彈性的有機(jī)高分子類材料。但隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械向高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的“三高”方向發(fā)展,振動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越突出的同時(shí),其工作條件也越來(lái)越嚴(yán)酷,傳統(tǒng)的有機(jī) 高分子阻尼涂料環(huán)境穩(wěn)定性差,幾乎無(wú)法使用。然而某些硬涂層在具有足夠的強(qiáng)度和韌性的同時(shí),還具有不依賴振幅或頻率的特點(diǎn),相對(duì)于有機(jī)材料來(lái)說(shuō)較少地依賴于溫度,并具有較高的內(nèi)稟阻尼特性。因此相比傳統(tǒng)有機(jī)阻尼涂層材料具有更廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于硬阻尼涂層來(lái)講,涂層的內(nèi)摩擦和其它微觀機(jī)制諸如,微觀裂紋的演變等均可提供能量耗散的機(jī)制。目前關(guān)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件阻尼減振的復(fù)合硬涂層配方及制備方法的研究尚未見報(bào)道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對(duì)現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件制備涂層技術(shù)存在的上述問(wèn)題,本發(fā)明提供一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件表面制備阻尼減振復(fù)合涂層的方法,以旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件作為基體,通過(guò)電弧離子鍍膜方法,在基體表面沉積鈦、鎳鉻鋁釔合金記憶鎂鋁合金,使基體表面獲得阻尼減振復(fù)合涂層,增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件的抗震能力,降低工作時(shí)的振動(dòng)水平。
[0005]本發(fā)明的在旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件表面制備阻尼減振復(fù)合涂層的方法按以下步驟進(jìn)行:
1、以旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件作為基體,將基體表面的油污和雜質(zhì)去除,然后置于過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī)的真空室內(nèi);
2、將真空室抽真空至壓力<lX10_3Pa,再將基體預(yù)熱至10(T300°C ;
3、向真空室通入氬氣至壓力在0.5~1Pa,開啟過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī),采用金屬鈦?zhàn)鳛榘胁?,向基體表面沉積鈦涂層,控制基體偏壓幅值為200~400 V,偏壓占空比10~30%,主弧電流為4(T80A ;沉積時(shí)間5~lOmin,在基體表面形成鈦涂層;4、采用Ni60Cr33.7A14.5Y1.8合金為靶材,向鈦涂層表面沉積Ni60Cr33.7A14.5Y1.8合金涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為200~400 V,偏壓占空比10~30%,主弧電流30~80A,沉積時(shí)間
0.5~1.5h,在基體表面為形成Ni60Cr33.7A14.5Y1.8合金涂層;
5、采用鎂鋁合金為靶材,向Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8涂層表面沉積鎂鋁合金涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為200~400 V,偏壓占空比10~30%,主弧電流25~35A,沉積時(shí)間1.5~2h,在基體表面為形成鎂鋁合金涂層,在基體表面制成阻尼減振復(fù)合涂層。
[0006]上述方法中,在沉積鈦涂層、Ni60Cr33.7A14.5Yl .8合金涂層和鎂鋁合金涂層時(shí),控制穩(wěn)弧電流2~3A,聚焦電流2~3A。
[0007]上述方法中,在沉積鈦涂層、Ni60Cr33.7A14.5Yl. 8合金涂層和鎂鋁合金涂層時(shí),控制基體在以3~10rpm的速度自轉(zhuǎn)。
[0008]上述的鎂鋁合金的成分按重量百分比含Mg70~90%。
[0009]上述的鈦涂層的厚度為0.5^1.5 μ m, Ni60Cr33.7A14.5Y1.8合金涂層的厚度為5^10 μ m,鎂鋁合金涂層的厚度為15~20 μ m,阻尼減振復(fù)合涂層的厚度為20.5~31.5 μ m。
[0010]上述方法制成的阻尼減振復(fù)合涂層的結(jié)合力臨界值在100~400mN。
[0011]上述方法制成的阻尼減振復(fù)合涂層的彈性模量在20~80GPa。
[0012]阻尼減振復(fù)合涂層具有良好的結(jié)合力,阻尼適用溫度范圍寬,涂層彈性模量低等特點(diǎn),且相對(duì)電子束蒸發(fā)物理氣相沉積(EBPVD)等方法,制備過(guò)程中材料設(shè)備成本較低,涂層原材料普遍。
[0013]本發(fā)明提供的在旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件表面制備阻尼減振復(fù)合涂層的方法可在發(fā)動(dòng)機(jī)薄殼構(gòu)件表面形成均勻、結(jié)合力好的阻尼硬涂層,制備涂層后可以使結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度增大,抗震能力增強(qiáng),可有效地降低振動(dòng)水平;另外采用本發(fā)明的方法制備阻尼減振復(fù)合涂層還具備以下特點(diǎn):基底預(yù)處理不破壞葉片表面結(jié)構(gòu);預(yù)熱溫度低對(duì)葉片材料結(jié)構(gòu)特性影響??;涂層選用材料普遍,不受采購(gòu)等條件制約,工藝簡(jiǎn)單穩(wěn)定性高,清潔無(wú)粉塵廢氣等污染物產(chǎn)生。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的基體及阻尼減振復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖中,1、鎂合金涂層,2、Ni60Cr33.7A14.5Yl .8合金涂層,3、鈦涂層,4、基體。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明實(shí)施例中采用的過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī)的型號(hào)為FMA90/80。
[0016]本發(fā)明實(shí)施例中采用的金屬鈦的重量純度≥99.99%。
[0017]本發(fā)明實(shí)施例中采用的鎂鋁合金為市購(gòu)產(chǎn)品,雜質(zhì)重量含量≤0.01%。
[0018]本發(fā)明實(shí)施例中采用的Ni60Cr33.7A14.5Yl. 8合金為市購(gòu)產(chǎn)品,雜質(zhì)重量含量≤0.01%。
[0019]本發(fā)明實(shí)施例中將基體表面的油污和雜質(zhì)去除是指采用常規(guī)方法進(jìn)行噴砂,去除表面的銹蝕和雜質(zhì),然后置于無(wú)水乙醇、丙酮或去離子水中,對(duì)基體施加超聲波進(jìn)行清洗,超聲波的頻率為35~55kHz,清洗時(shí)間為10~20min ;最后用吹風(fēng)機(jī)吹干完成預(yù)處理;采用的超聲波清洗機(jī)型號(hào)為KQ-250B。[0020]本發(fā)明實(shí)施例中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件選用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。
[0021]本發(fā)明實(shí)施例中在沉積鈦涂層、Ni6tlCri7Al45Yu合金涂層和鎂鋁合金涂層時(shí),控制穩(wěn)弧電流2~3A,聚焦電流2~3A。
[0022]本發(fā)明實(shí)施例中在沉積鈦涂層、Ni6tlCri7Al45Yu合金涂層和鎂鋁合金涂層時(shí),控制基體在以3~10rpm的速度自轉(zhuǎn)。
[0023]實(shí)施例1
以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片作為基體,將基體表面的油污和雜質(zhì)去除,然后置于過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī)的真空室內(nèi);
將真空室抽真空至壓力< lX10_3Pa,再將基體預(yù)熱至200°C ;
向真空室通入氬氣至壓力在0.5 Pa,開啟過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī),采用金屬鈦?zhàn)鳛榘胁?,向基體表面沉積鈦涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為200V,偏壓占空比1(T30%,主弧電流為4(T80A ;沉積時(shí)間8min,在基體表面形成厚度為I y m的鈦涂層;
采用Ni60Cr33.7A14.5Yl 8合金為靶材,向鈦涂層表面沉積Ni60Cr33.7A14.5YL8合金涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為300 V,偏壓占空比20%,主弧電流50A,沉積時(shí)間lh,在基體表面為形成厚度8 ii m的Ni6tlCr7Al45Yu合金涂層;
采用鎂鋁合金為靶材,向Ni6ciCr317Al45Yu涂層表面沉積鎂鋁合金涂層,鎂鋁合金的成分按重量百分比含Mg70%,余量為Al ;控制基體負(fù)偏壓幅值為300 V,偏壓占空比20%,主弧電流30A,沉積時(shí)間2h,在基體表面為形成厚度18 iim的鎂鋁合金涂層,在基體表面制成阻尼減振復(fù)合涂層,阻尼減振復(fù)合涂層的厚度為27 y m ;依據(jù)ASTM D738標(biāo)準(zhǔn)的彎曲測(cè)試規(guī)范,采用Q800型動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀在室溫下進(jìn)行阻尼性能測(cè)試,阻尼性能(Q—1)提高47% ;阻尼減振復(fù)合涂層的結(jié)合力臨界值在200mN,彈性模量在20GPa。
[0024]實(shí)施例2
以旋轉(zhuǎn)葉片作為基體,將基體表面的油污和雜質(zhì)去除,然后置于過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī)的真空室內(nèi);
將真空室抽真空至壓力< lX10_3Pa,再將基體預(yù)熱至100°C ;
向真空室通入氬氣至壓力在0.6 Pa,開啟過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī),采用金屬鈦?zhàn)鳛榘胁?,向基體表面沉積鈦涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為200V,偏壓占空比1(T30%,主弧電流為40A ;沉積時(shí)間lOmin,在基體表面形成厚度為1.5 y m的鈦涂層;
采用Ni60Cr33.7A14.5Yl 8合金為靶材,向鈦涂層表面沉積Ni60Cr33.7A14.5YL8合金涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為400 V,偏壓占空比30%,主弧電流40A,沉積時(shí)間1.5h,在基體表面為形成厚度10 ii m的Ni6tlCr3^Al45Yh8合金涂層;
采用鎂鋁合金為靶材,向Ni6ciCr317Al45Yu涂層表面沉積鎂鋁合金涂層,鎂鋁合金的成分按重量百分比含Mg75%,余量為Al ;控制基體負(fù)偏壓幅值為400 V,偏壓占空比30%,主弧電流25A,沉積時(shí)間1.5h,在基體表面為形成厚度20 iim的鎂鋁合金涂層,在基體表面制成阻尼減振復(fù)合涂層,阻尼減振復(fù)合涂層的厚度為31.5 y m ;依據(jù)ASTM D738標(biāo)準(zhǔn)的彎曲測(cè)試規(guī)范,采用Q800型動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀在室溫下進(jìn)行阻尼性能測(cè)試,阻尼性能(Q—1)提高36% ;阻尼減振復(fù)合涂層的結(jié)合力臨界值在lOOmN,彈性模量在50GPa。
[0025]實(shí)施例3
以旋轉(zhuǎn)葉片作為基體,將基體表面的油污和雜質(zhì)去除,然后置于過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī)的真空室內(nèi);
將真空室抽真空至壓力< lX10_3Pa,再將基體預(yù)熱至300°C ;
向真空室通入氬氣至壓力在0.8 Pa,開啟過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī),采用金屬鈦?zhàn)鳛榘胁模蚧w表面沉積鈦涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為300V,偏壓占空比1(T30%,主弧電流為80A ;沉積時(shí)間lOmin,在基體表面形成厚度為0.5 y m的鈦涂層;
采用Ni60Cr33.7A14.5Yl 8合金為靶材,向鈦涂層表面沉積Ni60Cr33.7A14.5YL8合金涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為400 V,偏壓占空比10%,主弧電流60A,沉積時(shí)間0.5h,在基體表面為形成厚度5 ii m的Ni6tlCrn7Al45Yu合金涂層;
采用鎂鋁合金為靶材,向Ni6ciCr317Al45Yu涂層表面沉積鎂鋁合金涂層,鎂鋁合金的成分按重量百分比含Mg80%,余量為Al ;控制基體負(fù)偏壓幅值為200 V,偏壓占空比10%,主弧電流35A,沉積時(shí)間2h,在基體表面為形成厚度15 iim的鎂鋁合金涂層,在基體表面制成阻尼減振復(fù)合涂層,阻尼減振復(fù)合涂層的厚度為20.5 y m ;依據(jù)ASTM D738標(biāo)準(zhǔn)的彎曲測(cè)試規(guī)范,采用Q800型動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀在室溫下進(jìn)行阻尼性能測(cè)試,阻尼性能(Q—1)提高44% ;阻尼減振復(fù)合涂層的結(jié)合力臨界值在400mN,彈性模量在30GPa。
[0026]實(shí)施例4
以旋轉(zhuǎn)葉片作為基體,將基體表面的油污和雜質(zhì)去除,然后置于過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī)的真空室內(nèi);
將真空室抽真空至壓力< lX10_3Pa,再將基體預(yù)熱至200°C ;
向真空室通入氬氣至壓力在I Pa,開啟過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī),采用金屬鈦?zhàn)鳛榘胁模蚧w表面沉積鈦涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為300V,偏壓占空比1(T30%,主弧電流為60A ;沉積時(shí)間5min,在基體表面形成厚度為0.8 ii m的鈦涂層;
采用Ni60Cr33.7A14.5Y, 8合金為靶材,向鈦涂層表面沉積Ni60Cr33.7A14.5YL8合金涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為200V,偏壓占空比20%,主弧電流30A,沉積時(shí)間lh,在基體表面為形成厚度 6 ii m 的 Ni60Cr33.7A14.5YL 8 合金涂層;
采用鎂鋁合金為靶材,向Ni6ciCr317Al45Yu涂層表面沉積鎂鋁合金涂層,鎂鋁合金的成分按重量百分比含Mg85%,余量為Al ;控制基體負(fù)偏壓幅值為300 V,偏壓占空比20%,主弧電流30A,沉積時(shí)間1.5h,在基體表面為形成厚度18 iim的鎂鋁合金涂層,在基體表面制成阻尼減振復(fù)合涂層,阻尼減振復(fù)合涂層的厚度為24.8 y m ;依據(jù)ASTM D738標(biāo)準(zhǔn)的彎曲測(cè)試規(guī)范,采用Q800型動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀在室溫下進(jìn)行阻尼性能測(cè)試,阻尼性能(Q—1)提高40% ;阻尼減振復(fù)合涂層的結(jié)合力臨界值在300mN,彈性模量在40GPa。
[0027]實(shí)施例5
以旋轉(zhuǎn)葉片作為基體,將基體表面的油污和雜質(zhì)去除,然后置于過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī)的真空室內(nèi);
將真空室抽真空至壓力< lX10_3Pa,再將基體預(yù)熱至300°C ;
向真空室通入氬氣至壓力在0.5Pa,開啟過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī),采用金屬鈦?zhàn)鳛榘胁模蚧w表面沉積鈦涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為400V,偏壓占空比1(T30%,主弧電流為70A ;沉積時(shí)間8min,在基體表面形成厚度為1.2 y m的鈦涂層;
采用Ni60Cr33.7A14.5Y, 8合金為靶材,向鈦涂層表面沉積Ni60Cr33.7A14.5YL8合金涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為300 V,偏壓占空比30%,主弧電流80A,沉積時(shí)間1.5h,在基體表面為形成厚度8 Ii m的Ni60Cr33.7A14.5YL 8合金涂層;
采用鎂鋁合金為靶材,向Ni6ciCr317Al45Yu涂層表面沉積鎂鋁合金涂層,鎂鋁合金的成分按重量百分比含Mg90%,余量為Al ;控制基體負(fù)偏壓幅值為400 V,偏壓占空比30%,主弧電流35A,沉積時(shí)間2h,在基體表面為形成厚度16 iim的鎂鋁合金涂層,在基體表面制成阻尼減振復(fù)合涂層,阻尼減振復(fù)合涂層的厚度為25.2 y m ;依據(jù)ASTM D738標(biāo)準(zhǔn)的彎曲測(cè)試規(guī)范采用Q800型動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀在室溫下進(jìn)行阻尼性能測(cè)試,,阻尼性能(Q—1)提高30% ;阻尼減振復(fù)合涂層的結(jié)合力臨界值在`150mN,彈性模量在80GPa。
【權(quán)利要求】
1.一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件表面制備阻尼減振復(fù)合涂層的方法,其特征在于按以下步驟進(jìn)行: (1)以旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件作為基體,將基體表面的油污和雜質(zhì)去除,然后置于過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī)的真空室內(nèi); (2)將真空室抽真空至壓力<lX10_3Pa,再將基體預(yù)熱至10(T300°C ; (3)向真空室通入氬氣至壓力在0.5^1 Pa,開啟過(guò)濾電弧離子鍍膜機(jī),采用金屬鈦?zhàn)鳛榘胁模蚧w表面沉積鈦涂層,控制基體偏壓幅值為200~400 V,偏壓占空比10~30%,主弧電流為4(T80A ;沉積時(shí)間5~lOmin,在基體表面形成鈦涂層; (4)采用Ni6tlCr317Al45Yu合金為靶材,向鈦涂層表面沉積Ni6tlCr33.7A14.J1.8合金涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為200~400 V,偏壓占空比10~30%,主弧電流3(T80A,沉積時(shí)間0.5^1.5h,在基體表面為形成Ni6tlCr33.7A14.J1.8合金涂層; (5)采用鎂鋁合金為靶材,向Ni6ciCr317Al45Yu涂層表面沉積鎂鋁合金涂層,控制基體負(fù)偏壓幅值為200~400 V,偏壓占空比10~30%,主弧電流25~35A,沉積時(shí)間1.5~2h,在基體表面為形成鎂鋁合金涂層,在基體表面制成阻尼減振復(fù)合涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件表面制備阻尼減振復(fù)合涂層的方法,其特征在于所述的鎂鋁合金的成分按重量百分比含Mg7(T90%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件表面制備阻尼減振復(fù)合涂層的方法,其特征在于制成的阻尼減振復(fù)合涂層的結(jié)合力臨界值在10(T400mN。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)械薄殼構(gòu)件表面制備阻尼減振復(fù)合涂層的方法,其特征在于制成的阻尼減振復(fù)合涂層的彈性模量在2(T80GPa。
【文檔編號(hào)】C23C14/32GK103572221SQ201310562024
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】杜廣煜, 巴德純, 孫偉, 韓清凱 申請(qǐng)人:東北大學(xué)