在旋轉機械葉片表面制備多孔合金阻尼涂層的方法
【專利摘要】一種在旋轉機械葉片表面制備多孔合金阻尼涂層的方法，屬于材料【技術領域】，按以下步驟進行：（1）采用旋轉機械葉片為基體，清洗去除基體表面的油污和雜質，然后置于過濾電弧離子鍍膜機的真空室內；（2）將真空室抽真空，將基體預熱；（3）通入氬氣，開啟過濾電弧離子鍍膜機，向基體表面沉積鈦涂層，在基體表面沉積形成鈦涂層；（4）向鈦涂層表面沉積鎂鋁合金涂層，在基體表面為沉積形成鎂鋁合金涂層；（5）隨爐冷卻。采用本發明的方法基底預處理不破壞葉片表面結構；預熱溫度低對葉片材料結構特性影響小；涂層選用材料普遍，不受采購等條件制約。
【專利說明】在旋轉機械葉片表面制備多孔合金阻尼涂層的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于材料【技術領域】，特別涉及一種在旋轉機械葉片表面制備多孔合金阻尼涂層的方法。
【背景技術】
[0002]旋轉機械的零部件，特別是如航空發動機各類葉片由振動引起的疲勞故障是亟待解決的重要技術難題。由于此類機械結構在修改結構或減輕外激勵等方面受到限制，因此只有通過采取合理的被動減振方法來降低振動水平，涂層阻尼作為界面阻尼的一種主要方法是必然的選擇。但現有技術是在零部件表面用粘貼橡膠或其它粘彈性材料來實現減振目的，這些材料多是一些有機樹脂高分子聚合物，然而這些阻尼涂料環境穩定性差，使用溫度范圍窄，強度低，易老化、開裂和剝落，同時這類材料也存在著有毒、易燃、污染環境等缺點，因此嚴重影響了其性能的發揮和在實際零部件上的應用。
[0003]阻尼就是材料本身對能量的吸收和耗散作用，在涂層阻尼技術中不論哪種阻尼涂層都是圍繞如何把受激振動能轉化為其它形式的能(如熱能、變形能等)而使系統盡快恢復到受激前的狀態。對于金屬材料來講，涂層的內摩擦和其它微觀機制諸如，微觀裂紋的演變等均可提供能量耗散的機制。因此采用金屬涂層就可以有效的解決上述問題。目前，國內外關于旋轉機械葉片等薄壁構件涂層的研究多是集中于抗高溫、抗熱蝕的熱障陶瓷涂層的研究，對于阻尼涂層的研究則非常少。目前為止，在旋轉機械葉片表面采用多過濾陰極真空電弧沉積合金阻尼涂層制備方法尚未見報導。
【發明內容】
[0004]針對現有旋轉機械葉片的阻尼涂層在技術上存在的上述問題，本發明提供一種在旋轉機械葉片表面制備多孔合金阻尼涂層的方法，通過在旋轉機械葉片表面沉積鈦和鎂鋁合金，形成多孔合金阻尼涂層，提高旋轉機械葉片的抗震性能。
[0005]本發明的在旋轉機械葉片表面制備多孔合金阻尼涂層的方法按以下步驟進行:
1、采用旋轉機械葉片為基體，清洗去除基體表面的油污和雜質，然后置于過濾電弧離子鍍膜機的真空室內；
2、將真空室抽真空至壓力<9X10_3Pa，再將基體預熱至10(Tl50°C ；
3、向真空室通入氬氣至壓力在0.5~1Pa，開啟過濾電弧離子鍍膜機，采用金屬鈦作為靶材，向基體表面沉積鈦涂層，控制基體負偏壓幅值為10(T300V，偏壓占空比6(T80%，主弧電流4(T80A，沉積時間l(T30min，在基體表面沉積形成鈦涂層；
4、采用鎂鋁合金為靶材，向鈦涂層表面沉積鎂鋁合金涂層，控制基體負偏壓幅值為200^400 V，偏壓占空比1(T30%，主弧電流25~35A，沉積時間l~3h，在基體表面為沉積形成續招合金涂層；
5、將基體隨爐冷卻至室溫，在基體表面制成多孔合金阻尼涂層。
[0006]上述方法中，沉積鈦涂層和鎂鋁合金涂層時，控制基體以3~10rpm的速度自轉。[0007]上述的鈦涂層的厚度為f 2.5 U m,鎂鋁合金涂層的厚度為2(T25 U m,多孔合金阻尼涂層的厚度為2f27.5iim。
[0008]上述的多孔合金阻尼涂層的彈性模量在2(T80GPa。
[0009]上述方法中，沉積鈦涂層和鎂鋁合金涂層時，控制穩弧電流2~3A，聚焦電流2、k。
[0010]本發明的方法可在葉片表面形成均勻，結合力好的多孔合金阻尼涂層，多孔合金阻尼涂層后結構的動剛度增大，抗震能力增強，可有效地降低葉片的振動水平；該阻尼涂層具有良好的結合力，阻尼適用溫度范圍寬，且相對電子束蒸發物理氣相沉積(EBPVD)等方法，制備過程中材料設備成本較低；另外采用本發明提供方法制備合金阻尼涂層還具備以下特點:基底預處理不破壞葉片表面結構；預熱溫度低對葉片材料結構特性影響小；涂層選用材料普遍，不受采購等條件制約。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明實施例1的多孔合金阻尼涂層的結構示意圖；
圖2為過濾電弧離子鍍膜機的磁過濾電弧源分布位置示意圖；
圖3為圖2的側視圖；
圖4為圖2的俯視圖；
圖中，1、鎂鋁合金涂層，2、鈦涂層，3、基體，4、1#磁過濾電弧源，5、2#磁過濾電弧源，6、3#磁過濾電弧源，7、4#磁過濾電弧源，8、5#磁過濾電弧源，9、6#磁過濾電弧源。
【具體實施方式】
[0012]本發明實施例中采用的過濾電弧離子鍍膜機的型號為FMA90/80。
[0013]本發明實施例中采用的金屬鈦靶材的重量純度> 99.99%。
[0014]本發明實施例中采用的鎂鋁合金為是市購產品，雜質含量< 0.01%。
[0015]本發明實施例中將基體表面的油污和雜質去除是指采用常規方法進行噴砂，去除表面的銹蝕和雜質，然后置于無水乙醇、丙酮或去離子水中，對基體施加超聲波進行清洗，超聲波的頻率為35~55kHz，清洗時間為l(T20min，采用的超聲波清洗機型號為KQ-250B，最后用吹風機吹干完成預處理。
[0016]本發明實施例中沉積鈦涂層和鎂鋁合金涂層時，控制穩弧電流疒3A，聚焦電流
2~3A。
[0017]本發明實施例中選用的旋轉機械葉片為發動機轉子葉片。
[0018]實施例1
采用旋轉機械葉片為基體，清洗去除基體表面的油污和雜質，然后置于過濾電弧離子鍍膜機的真空室內；
將真空室抽真空至壓力< 9X10_3Pa，再將基體預熱至100°C ；
向真空室通入氬氣至壓力在0.5 Pa，開啟過濾電弧離子鍍膜機，采用金屬鈦作為靶材，向基體表面沉積鈦涂層，控制基體負偏壓幅值為100V，偏壓占空比60%，主弧電流40A，沉積時間lOmin，在基體表面沉積形成鈦涂層；
采用鎂鋁合金為靶材，向鈦涂層表面沉積鎂鋁合金涂層，控制基體負偏壓幅值為200V，偏壓占空比10%，主弧電流25A，沉積時間lh，在基體表面為沉積形成鎂鋁合金涂層；將基體隨爐冷卻至室溫，在基體表面制成多孔合金阻尼涂層；
沉積鈦涂層和鎂鋁合金涂層時，控制基體在以3rpm的速度自轉；
鈦涂層的厚度為lum，鎂鋁合金涂層的厚度為20i!m，多孔合金阻尼涂層的厚度為21 u m ；
依據ASTM D738標準的彎曲測試規范，采用Q800型動態機械分析儀在室溫下進行測試，阻尼性能(Q—1)提高50% ;多孔合金阻尼涂層的彈性模量在80GPa。
[0019]實施例2
采用旋轉機械葉片為基體，清洗去除基體表面的油污和雜質，然后置于過濾電弧離子鍍膜機的真空室內；
將真空室抽真空至壓力< 9X10_3Pa，再將基體預熱至120°C ；
向真空室通入氬氣至壓力在I Pa，開啟過濾電弧離子鍍膜機，采用金屬鈦作為靶材，向基體表面沉積鈦涂層，控制基體負偏壓幅值為200V，偏壓占空比70%，主弧電流50A，沉積時間15min，在基體表面沉積形成鈦涂層；
采用鎂鋁合金為靶材，向鈦涂層表面沉積鎂鋁合金涂層，控制基體負偏壓幅值為300V，偏壓占空比20%，主弧電流30A，沉積時間1.5h，在基體表面為沉積形成鎂鋁合金涂層；將基體隨爐冷卻至室溫，在基體表面制成多孔合金阻尼涂層；
沉積鈦涂層和鎂鋁合金 涂層時，控制基體在以5rpm的速度自轉；
鈦涂層的厚度為1.3 y m，鎂鋁合金涂層的厚度為21 u m,多孔合金阻尼涂層的厚度為
22.3 u m ；
依據ASTM D738標準的彎曲測試規范，采用Q800型動態機械分析儀在室溫下進行測試，阻尼性能(Q—1)提高45% ;多孔合金阻尼涂層的彈性模量在60GPa。
[0020]實施例3
采用旋轉機械葉片為基體，清洗去除基體表面的油污和雜質，然后置于過濾電弧離子鍍膜機的真空室內；
將真空室抽真空至壓力< 9X10_3Pa，再將基體預熱至150°C ；
向真空室通入氬氣至壓力在0.6Pa，開啟過濾電弧離子鍍膜機，采用金屬鈦作為靶材，向基體表面沉積鈦涂層，控制基體負偏壓幅值為300V，偏壓占空比80%，主弧電流60A，沉積時間20min，在基體表面沉積形成鈦涂層；
采用鎂鋁合金為靶材，向鈦涂層表面沉積鎂鋁合金涂層，控制基體負偏壓幅值為400V，偏壓占空比30%，主弧電流35A，沉積時間2h，在基體表面為沉積形成鎂鋁合金涂層；將基體隨爐冷卻至室溫，在基體表面制成多孔合金阻尼涂層；
沉積鈦涂層和鎂鋁合金涂層時，控制基體在以7rpm的速度自轉；
鈦涂層的厚度為1.6 y m，鎂鋁合金涂層的厚度為22 u m,多孔合金阻尼涂層的厚度為
23.6 u m ；
依據ASTM D738標準的彎曲測試規范，采用Q800型動態機械分析儀在室溫下進行測試，阻尼性能(Q—1)提高41% ;多孔合金阻尼涂層的彈性模量在20GPa。
[0021]實施例4
采用旋轉機械葉片為基體，清洗去除基體表面的油污和雜質，然后置于過濾電弧離子鍍膜機的真空室內；將真空室抽真空至壓力< 9X10_3Pa，再將基體預熱至140°C ；向真空室通入氬氣至壓力在0.8Pa，開啟過濾電弧離子鍍膜機，采用金屬鈦作為靶材， 向基體表面沉積鈦涂層，控制基體負偏壓幅值為200V，偏壓占空比60%，主弧電流70A，沉積時間25min，在基體表面沉積形成鈦涂層；采用鎂鋁合金為靶材，向鈦涂層表面沉積鎂鋁合金涂層，控制基體負偏壓幅值為300 V，偏壓占空比10%，主弧電流25A，沉積時間2.5h，在基體表面為沉積形成鎂鋁合金涂層； 將基體隨爐冷卻至室溫，在基體表面制成多孔合金阻尼涂層；沉積鈦涂層和鎂鋁合金涂層時，控制基體在以IOrpm的速度自轉；鈦涂層的厚度為2.2 μ m，鎂鋁合金涂層的厚度為24 μ m，多孔合金阻尼涂層的厚度為26.2 μ m ；依據ASTM D738標準的彎曲測試規范，采用Q800型動態機械分析儀在室溫下進行測試，阻尼性能(Q—1)提高36% ;多孔合金阻尼涂層的彈性模量在20GPa。[0022]實施例5采用旋轉機械葉片為基體，清洗去除基體表面的油污和雜質，然后置于過濾電弧離子鍍膜機的真空室內；將真空室抽真空至壓力< 9X10_3Pa，再將基體預熱至110°C ；向真空室通入氬氣至壓力在0.9 Pa，開啟過濾電弧離子鍍膜機，采用金屬鈦作為靶材， 向基體表面沉積鈦涂層，控制基體負偏壓幅值為300V，偏壓占空比80%，主弧電流80A，沉積時間30min，在基體表面沉積形成鈦涂層；采用鎂鋁合金為靶材，向鈦涂層表面沉積鎂鋁合金涂層，控制基體負偏壓幅值為400 V，偏壓占空比30%，主弧電流35A，沉積時間3h，在基體表面為沉積形成鎂鋁合金涂層； 將基體隨爐冷卻至室溫，在基體表面制成多孔合金阻尼涂層；沉積鈦涂層和鎂鋁合金涂層時，控制基體在以5rpm的速度自轉；鈦涂層的厚度為2.5 μ m，鎂鋁合金涂層的厚度為25 μ m,多孔合金阻尼涂層的厚度為27.5 μ m ；依據ASTM D738標準的彎曲 測試規范，采用Q800型動態機械分析儀在室溫下進行測試，阻尼性能(Q—1)提高32% ;多孔合金阻尼涂層的彈性模量在40GPa。
【權利要求】
1.一種在旋轉機械葉片表面制備多孔合金阻尼涂層的方法，其特征在于按以下步驟進行: (1)采用旋轉機械葉片為基體，清洗去除基體表面的油污和雜質，然后置于過濾電弧離子鍍膜機的真空室內； (2)將真空室抽真空至壓力<9X10_3Pa，再將基體預熱至10(Tl50°C ； (3)向真空室通入氬氣至壓力在0.5^1 Pa，開啟過濾電弧離子鍍膜機，采用金屬鈦作為靶材，向基體表面沉積鈦涂層，控制基體負偏壓幅值為10(T300V，偏壓占空比6(T80%，主弧電流4(T80A，沉積時間l(T30min，在基體表面沉積形成鈦涂層； (4)采用鎂鋁合金為靶材，向鈦涂層表面沉積鎂鋁合金涂層，控制基體負偏壓幅值為200^400 V，偏壓占空比1(T30%，主弧電流25~35A，沉積時間l~3h，在基體表面為沉積形成續招合金涂層； (5)將基體隨爐冷卻至室溫，在基體表面制成多孔合金阻尼涂層。
2.根據權利要求1所述的一種在旋轉機械葉片表面制備多孔合金阻尼涂層的方法，其特征在于沉積鈦涂層和鎂鋁合金涂層時，控制基體以3~10rpm的速度自轉。
3.根據權利要求1所述的一種在旋轉機械葉片表面制備多孔合金阻尼涂層的方法，其特征在于所述的鈦涂層的厚度為f 2.5 u m,所述的鎂鋁合金涂層的厚度為2(T25 u m,所述的多孔合金阻尼涂層的厚度為27.5 u m。
4.根據權利要求1所述的一種在旋轉機械葉片表面制備多孔合金阻尼涂層的方法，其特征在于多孔合金阻尼涂層的彈性模量在2(T80GPa。
【文檔編號】C23C14/46GK103602955SQ201310561895
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】杜廣煜, 孫偉, 巴德純, 韓清凱 申請人:東北大學