CN103590003A - 物理气相沉积在旋转机械叶片表面制备硬阻尼涂层的方法 - Google Patents

物理气相沉积在旋转机械叶片表面制备硬阻尼涂层的方法 Download PDF

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Abstract

一种物理气相沉积在旋转机械叶片表面制备硬阻尼涂层的方法，属于材料技术领域，按以下步骤进行：（1）采用旋转机械叶片作为基体，采用超声波清洗；（2）用空气吹干后用氮气冲洗；（3）将氮基体置于过滤电弧离子镀膜机的真空室内，抽真空；（4）通入氩气，对基体施加负偏压，利用电极间辉光放电产生的离子清洗基体表面；（5）抽真空后通入氩气，将基体预热至100~150℃；开启过滤电弧离子镀膜机，向基体表面沉积钛涂层；（6）对称开启多阴极磁过滤真空电弧，沉积Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层；在基体表面制成硬阻尼涂层。本发明的方法具有适用叶片范围广，涂层材料丰富多样，制备过程温度低，涂层均匀，粉尘、废气等无环境污染物，设备成本低，生产效率高等特点。

Description

物理气相沉积在旋转机械叶片表面制备硬阻尼涂层的方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种物理气相沉积在旋转机械叶片表面制备硬阻尼涂层的方法。
背景技术
表面技术作为一门新兴的综合性学科，是具极高使用价值的基础技术。其中，表面涂层技术是目前公认的工程材料中十分重要的关键技术之一，已经在各种机械结构的设计和生产中得到应用，主要用于某些结构件的抗高温（热障涂层）、抗摩擦、抗冲刷、抗腐蚀等性能的提高。近年来以航空发动机为代表的旋转机械不断向高转速、高温、高压方向发展，特别是随着现代战争对飞行器不断提出更高的性能要求，这就需要大量依靠新材料及新工艺的应用来实现。由振动应力水平较高所引发的结构件疲劳破坏问题越来越突出。因此，目前就有研究如何利用合金或陶瓷类硬涂层来提高构件的阻尼能力、改善旋转机械叶片的动态特性的方法和手段。
目前，在旋转机械叶片等零部件上制备涂层主要有EBPVD和APS两种方法。电子束蒸发物理气象沉积目前广泛应用于陶瓷如YSZ、ZrO2等涂层的制备中；但其设备成本高，且针对多元、成分复杂靶材蒸镀时工艺参数不易调整。而喷涂方法则相对效率较高，适合异形工件表面涂层，但涂层的表面粗糙度和涂层结构的控制则不如EBPVD方法。但两种方式均需要对基底进行加热或制备过程中使基底温度迅速升高，这就难免会对零件的组织结构产生影响，同时目前常用的基底处理方式如打磨、喷砂等也会对零件表面产生破坏。目前针对旋转机械叶片制备硬阻尼涂层的物理气相沉积方法尚未见报道。
发明内容
针对现有旋转机械叶片表面制备涂层技术上存在的上述问题，本发明提供一种物理气相沉积在旋转机械叶片表面制备硬阻尼涂层的方法，将经过表面处理的旋转机械叶片采用过滤电弧离子镀膜机沉积Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金，制成硬阻尼涂层，提高旋转机械叶片的阻尼能力，改善动态性能。
本发明的物理气相沉积在旋转机械叶片表面制备硬阻尼涂层的方法按以下步骤进行：
1、采用旋转机械叶片作为基体，将基体置于去离子水、丙酮或无水乙醇中，采用超声波对基体表面进行清洗； 
2、将清洗后的基体表面用空气吹干，然后用氮气冲洗；
3、将氮气冲洗后的基体置于过滤电弧离子镀膜机的真空室内，将真空室抽真空至压力≤1×10-3Pa；
4、向真空室内通入氩气至压力为0.5~1.5 Pa，对基体施加负偏压，负偏压幅值为200~400V，利用电极间辉光放电产生的离子轰击基体，清洗基体表面，时间为10~30min；
5、离子轰击后将真空室抽真空至压力在5×10-4~5×10-3Pa，然后向真空室通入氩气至压力为0.5~1.5 Pa，再将基体预热至100~150℃；开启过滤电弧离子镀膜机，采用金属钛作为靶材，向基体表面沉积钛涂层，控制基体负偏压幅值为100~300V，偏压占空比60~80%，主弧电流25~60A，沉积时间10~30min，在基体表面沉积形成钛涂层；
6、采用Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金作为靶材，对称开启6或8个多阴极磁过滤真空电弧，向基体表面的钛涂层上沉积Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层；控制负偏压幅值为200~400 V，偏压占空比10~30%，主弧电流25~60A，沉积时间为2.5~3小时，在基体表面制成硬阻尼涂层。
上述的钛涂层的厚度为0.5~1.5μm，Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层的厚度为20~35μm。
上述的硬阻尼涂层由钛涂层后Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层构成，其厚度为20.5~36.5μm。
上述的硬阻尼涂层的膜基结合力临界载荷在150~220N。
上述方法中，沉积钛涂层和Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层时，控制稳弧电流2~3A，聚焦电流2~3A。
上述方法中，沉积钛涂层和Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层时，基体在真空室内以3~10rpm的速度自转。
本发明的方法采用超声波清洗避免酸碱对叶片表面造成损伤，沉积金属钛和Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金，制成硬阻尼涂层，能够提高基体的阻尼能力，改善旋转机械叶片的动态性能。本发明的方法具有适用叶片范围广，涂层材料丰富多样，制备过程温度低，涂层均匀，粉尘、废气等无环境污染物，设备成本低，生产效率高等特点。
附图说明
图1为本发明实施例中制备的硬阻尼涂层结构示意图；
图2为本发明实施例中采用的过滤电弧离子镀膜机的真空室结构示意图；
图3为图2的侧视图；
图4为图2的俯视图；
图中，1、Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层，2、钛涂层，3、基体，4、1#磁过滤弧源，5、2#磁过滤弧源，6、3#磁过滤弧源，7、4#磁过滤弧源，8、5#磁过滤弧源，9、6#磁过滤弧源。
具体实施方式
本发明实施例中采用的过滤电弧离子镀膜机的型号为FMA90/80。
本发明实施例中采用的Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金为市购产品，杂质含量≤0.01%。
本发明实施例中采用的金属钛为市购产品，杂质重量含量≤0.01%。
本发明实施例中采用的氮气纯度≥99.99%。
本发明实施例中采用超声波对旋转机械叶片表面进行清洗时，超声波的频率为35~55kHz，清洗时间为10~20min。
本发明实施例中用氮气冲洗时间至少3s。
本发明实施例中进行超声波清洗时采用的设备为超声波清洗机，型号为KQ-250B。
本发明实施例中测量膜基结合力临界载荷采用划痕法，采用的设备为划痕仪，型号为WS-2005。
本发明实施例中沉积钛涂层和Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层时，控制稳弧电流2~3A，聚焦电流2~3A。
本发明实施例中沉积钛涂层和Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层时，基体在真空室内以3~10rpm的速度自转。
本发明实施例中选用的旋转机械叶片为发动机转子叶片。
实施例1
采用旋转机械叶片作为基体，将基体置于去离子水中，采用超声波对基体表面进行清洗； 
将清洗后的基体表面用空气吹干，然后用氮气冲洗；
将氮气冲洗后的基体置于过滤电弧离子镀膜机的真空室内，将真空室抽真空至压力≤1×10-3Pa；
向真空室内通入氩气至压力为0.5Pa，对基体施加负偏压，控制负偏压幅值为200V，利用电极间辉光放电产生的离子轰击基体，清洗基体表面，时间为10min；
离子轰击后将真空室抽真空至压力在5×10-4Pa，然后向真空室通入氩气至压力为0.5Pa，再将基体预热至100℃；开启过滤电弧离子镀膜机，采用金属钛作为靶材，向基体表面沉积钛涂层，控制基体负偏压幅值为100V，偏压占空比60%，主弧电流25A，沉积时间10min，在基体表面沉积形成钛涂层； 
采用Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金作为靶材，对称开启6个多阴极磁过滤真空电弧，向基体表面的钛涂层上沉积Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层；负偏压幅值为200V，偏压占空比10%，主弧电流25A，沉积时间为2.5小时，在基体表面制成硬阻尼涂层；其中钛涂层的厚度为0.5μm，Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层的厚度为20μm，的硬阻尼涂层的厚度为20.5μm；硬阻尼涂层的膜基结合力临界载荷在190N；依据ASTM D738标准的弯曲测试规范，采用Q800型动态机械分析仪在室温下进行测试，阻尼性能（Q-1）提高50%。
实施例2
采用旋转机械叶片作为基体，将基体置于丙酮中，采用超声波对基体表面进行清洗； 
将清洗后的基体表面用空气吹干，然后用氮气冲洗；
将氮气冲洗后的基体置于过滤电弧离子镀膜机的真空室内，将真空室抽真空至压力≤1×10-3Pa；
向真空室内通入氩气至压力为1Pa，对基体施加负偏压，负偏压幅值为300V，利用电极间辉光放电产生的离子轰击基体，清洗基体表面，时间为15min；
离子轰击后将真空室抽真空至压力在5×10-3Pa，然后向真空室通入氩气至压力为1.0 Pa，再将基体预热至120℃；开启过滤电弧离子镀膜机，采用金属钛作为靶材，向基体表面沉积钛涂层，控制基体负偏压幅值为200V，偏压占空比70%，主弧电流30A，沉积时间15min，在基体表面沉积形成钛涂层； 
采用Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金作为靶材，对称开启8个多阴极磁过滤真空电弧，向基体表面的钛涂层上沉积Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层；控制负偏压幅值为300 V，偏压占空比20%，主弧电流30A，沉积时间为2.6小时，在基体表面制成硬阻尼涂层；其中钛涂层的厚度为0.7μm，Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层的厚度为24μm，的硬阻尼涂层的厚度为24.7μm；硬阻尼涂层的膜基结合力临界载荷在200N；依据ASTM D738标准的弯曲测试规范，采用Q800型动态机械分析仪在室温下进行测试，阻尼性能（Q-1）提高50%。
实施例3
采用旋转机械叶片作为基体，将基体置于无水乙醇中，采用超声波对基体表面进行清洗； 
将清洗后的基体表面用空气吹干，然后用氮气冲洗；
将氮气冲洗后的基体置于过滤电弧离子镀膜机的真空室内，将真空室抽真空至压力≤1×10-3Pa；
向真空室内通入氩气至压力为1.5 Pa，对基体施加负偏压，负偏压幅值为400V，利用电极间辉光放电产生的离子轰击基体，清洗基体表面，时间为20min；
离子轰击后将真空室抽真空至压力在1×10-3Pa，然后向真空室通入氩气至压力为1.5 Pa，再将基体预热至130℃；开启过滤电弧离子镀膜机，采用金属钛作为靶材，向基体表面沉积钛涂层，控制基体负偏压幅值为300V，偏压占空比80%，主弧电流40A，沉积时间20min，在基体表面沉积形成钛涂层； 
采用Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金作为靶材，对称开启6个多阴极磁过滤真空电弧，向基体表面的钛涂层上沉积Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层；控制负偏压幅值为400 V，偏压占空比10%，主弧电流40A，沉积时间为2.7小时，在基体表面制成硬阻尼涂层；其中钛涂层的厚度为1.0μm，Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层的厚度为28μm，的硬阻尼涂层的厚度为29μm；硬阻尼涂层的膜基结合力临界载荷在150N；依据ASTM D738标准的弯曲测试规范，采用Q800型动态机械分析仪在室温下进行测试，阻尼性能（Q-1）提高30%。
实施例4
采用旋转机械叶片作为基体，将基体置于去离子水中，采用超声波对基体表面进行清洗； 
将清洗后的基体表面用空气吹干，然后用氮气冲洗；
将氮气冲洗后的基体置于过滤电弧离子镀膜机的真空室内，将真空室抽真空至压力≤1×10-3Pa；
向真空室内通入氩气至压力为0.8Pa，对基体施加负偏压，负偏压幅值为300V，利用电极间辉光放电产生的离子轰击基体，清洗基体表面，时间为25min；
离子轰击后将真空室抽真空至压力在2×10-3Pa，然后向真空室通入氩气至压力为0.8Pa，再将基体预热至140℃；开启过滤电弧离子镀膜机，采用金属钛作为靶材，向基体表面沉积钛涂层，控制基体负偏压幅值为200V，偏压占空比60%，主弧电流50A，沉积时间25min，在基体表面沉积形成钛涂层； 
采用Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金作为靶材，对称开启8个多阴极磁过滤真空电弧，向基体表面的钛涂层上沉积Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层；控制负偏压幅值为300 V，偏压占空比20%，主弧电流50A，沉积时间为2.8小时，在基体表面制成硬阻尼涂层；其中钛涂层的厚度为1.3μm，Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层的厚度为32μm，的硬阻尼涂层的厚度为33.3μm；硬阻尼涂层的膜基结合力临界载荷在220N；依据ASTM D738标准的弯曲测试规范，采用Q800型动态机械分析仪在室温下进行测试，阻尼性能（Q-1）提高45%。
实施例5
采用旋转机械叶片作为基体，将基体置于无水乙醇中，采用超声波对基体表面进行清洗； 
将清洗后的基体表面用空气吹干，然后用氮气冲洗；
将氮气冲洗后的基体置于过滤电弧离子镀膜机的真空室内，将真空室抽真空至压力≤1×10-3Pa；
向真空室内通入氩气至压力为1.2Pa，对基体施加负偏压，负偏压幅值为400V，利用电极间辉光放电产生的离子轰击基体，清洗基体表面，时间为30min；
离子轰击后将真空室抽真空至压力在3×10-3Pa，然后向真空室通入氩气至压力为1.2Pa，再将基体预热至150℃；开启过滤电弧离子镀膜机，采用金属钛作为靶材，向基体表面沉积钛涂层，控制基体负偏压幅值为300V，偏压占空比80%，主弧电流60A，沉积时间30min，在基体表面沉积形成钛涂层； 
采用Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金作为靶材，对称开启6个多阴极磁过滤真空电弧，向基体表面的钛涂层上沉积Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层；控制负偏压幅值为400 V，偏压占空比30%，主弧电流60A，沉积时间为3小时，在基体表面制成硬阻尼涂层；其中钛涂层的厚度为1.5μm，Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层的厚度为35μm，的硬阻尼涂层的厚度为36.5μm；硬阻尼涂层的膜基结合力临界载荷在180N；依据ASTM D738标准的弯曲测试规范，采用Q800型动态机械分析仪在室温下进行测试，阻尼性能（Q-1）提高40%。

Claims (3)

1.一种物理气相沉积在旋转机械叶片表面制备硬阻尼涂层的方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）采用旋转机械叶片作为基体，将基体置于去离子水、丙酮或无水乙醇中，采用超声波对基体表面进行清洗； 
（2）将清洗后的基体表面用空气吹干，然后用氮气冲洗；
（3）将氮气冲洗后的基体置于过滤电弧离子镀膜机的真空室内，将真空室抽真空至压力≤1×10-3Pa；
（4）向真空室内通入氩气至压力为0.5~1.5 Pa，对基体施加负偏压，负偏压幅值为200~400V，利用电极间辉光放电产生的离子轰击基体，清洗基体表面，时间为10~30min；
（5）离子轰击后将真空室抽真空至压力在5×10-4~5×10-3Pa，然后向真空室通入氩气至压力为0.5~1.5 Pa，再将基体预热至100~150℃；开启过滤电弧离子镀膜机，采用金属钛作为靶材，向基体表面沉积钛涂层，控制基体负偏压幅值为100~300V，偏压占空比60~80%，主弧电流25~60A，沉积时间10~30min，在基体表面沉积形成钛涂层；
（6）采用Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金作为靶材，对称开启6或8个多阴极磁过滤真空电弧，向基体表面的钛涂层上沉积Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层；控制负偏压幅值为200~400 V，偏压占空比10~30%，主弧电流25~60A，沉积时间为2.5~3小时，在基体表面制成硬阻尼涂层。
2.根据权利要求1所述的一种物理气相沉积在旋转机械叶片表面制备硬阻尼涂层的方法，其特征在于所述的钛涂层的厚度为0.5~1.5μm，所述的Ni60Cr33.7Al4.5Y1.8合金涂层的厚度为20~35μm。
3.根据权利要求1所述的一种物理气相沉积在旋转机械叶片表面制备硬阻尼涂层的方法，其特征在于硬阻尼涂层的膜基结合力临界载荷在150~220N。
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