CN108085643A - 一种形成于金属部件表面的阻尼涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料表面涂层领域，尤其涉及一种形成于金属部件表面的阻尼涂层及其制备方法。本发明的阻尼涂层由均匀混合的氧化钇稳定氧化锆和氧化钇沉积于金属部件的表面形成；制备方法，包括步骤：1)阻尼材料配制：将质量百分含量为85％‑92％的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)和质量百分含量为8％‑15％的氧化钇混合均匀配置成阻尼涂料，2)阻尼涂层：采用物理气相沉积的方法在金属部件表面上进行阻尼涂层。采用本发明制备出的阻尼涂层具有强度高、不易老化、不易开裂和不易剥落的特点，同时，具有该阻尼涂层的金属部件的动刚度增大、抗震能力增强并且可有效地降低金属部件的振动水平。

Description

一种形成于金属部件表面的阻尼涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料表面涂层领域，尤其涉及一种形成于金属部件表面的阻尼涂层及其制备方法。
背景技术
旋转机械不断向高转速、高温、高压方向发展，其零部件，特别是如航空发动机各类金属叶片由振动引起的疲劳故障越来越多，成为目前亟待解决的重要技术难题。由于此类机械结构在修改结构或减轻外激励等方面受到限制，如何进行有效的振动抑制、降低振动水平和减少振动损伤故障发生的可能性成为急需研究解决的问题。
作为界面阻尼的一种主要方法利用涂层阻尼的被动减振方法来降低振动水平逐渐引起人们的关注。其实阻尼就是材料本身对能量的吸收和耗散作用，在涂层阻尼技术中不论哪种阻尼涂层都是围绕如何把受激振动能转化为其它形式的能(如热能、变形能等)而使系统尽快恢复到受激前的状态。为实现减振目的现有技术是通过在零部件表面粘贴橡胶或涂覆其它粘弹性材料，利用这些有机树脂高分子聚合物材料的阻尼特性。但目前这些涂料的环境稳定性差，使用温度范围窄，强度低，易老化、开裂和剥落，同时这类材料也存在着有毒、易燃、污染环境等缺点，因此严重影响了其性能的发挥和在实际零部件上的应用。
这就促使针对硬质涂层阻尼特性的研究逐渐被人们所关注。对于大部分陶瓷和金属类硬质涂层的阻尼性能的解释是涂层的阻尼能力来源于涂层的内摩擦和其他微观机制。因此采用硬质涂层可以有效的解决上述问题。目前，国内外关于旋转机械叶片等薄壁构件氧化钇稳定氧化锆(简称为YSZ)涂层的研究多是集中于抗高温、抗热蚀的热障陶瓷涂层的研究，对于阻尼涂层的研究则非常少。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决传统有机树脂高分子聚合物材料作为阻尼涂料的强度低、易老化、易开裂和易剥落的问题，本发明提供了一种形成于金属部件表面的阻尼涂层及其制备方法。
(二)技术方案
为了达到上述的目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种形成于金属部件表面的阻尼涂层，所述阻尼涂层的材料包括均匀混合的氧化钇稳定氧化锆和氧化钇，其中所述氧化钇稳定氧化锆的质量百分含量为85％-92％，所述氧化钇的质量百分含量为8％-15％；所述均匀混合的氧化钇稳定氧化锆和氧化钇沉积形成于金属部件表面。
进一步的，所述氧化钇稳定氧化锆的氧化钇质量分数为8％。
更进一步的，所述金属部件表面上的阻尼涂层厚度为15-30μm。
一种金属部件表面阻尼涂层的制备方法，所述阻尼涂层制备包括以下步骤：
1)阻尼材料配制：将所述氧化钇稳定氧化锆和所述氧化钇混合均匀；所述氧化钇稳定氧化锆的质量百分含量为85％-92％，所述氧化钇的质量百分含量为8％-15％；
2)阻尼涂层：采用物理气相沉积的方法在金属部件表面上进行阻尼涂层。
进一步的，步骤2)中所述阻尼涂层在电子束蒸发装置中进行。
更进一步的，电子束蒸发装置的本底真空度不大于1×10-4Pa；所述机械叶片的基底加热温度500℃；蒸发束电流200-500mA；沉积时间为15-30min。
进一步的，在步骤2)之前，还包括对金属部件表面极净净化处理作业：将所述金属部件表面分别经溶剂超声波清洗、气体冲洗和常压等离子清洗作业。
更进一步的，所述溶剂超声波清洗的溶剂分别为去离子水、丙酮和无水乙醇；所述溶剂超声波清洗的超声波频率为55-65kHz，每种溶剂清洗时间为20min。
进一步的，所述气体清洗具体为先用高压空气吹干经所述溶剂超声波清洗处理后的所述金属部件表面的残留液体，然后采用高纯氮气对所述金属部件表面进行冲洗。
更进一步的，所述常压等离子清洗作业在等离子清洗机中进行，将所述等离子清洗机的清洗功率调至20-30W，所述等离子清洗机的电极距所述金属部件表面的处理距离为2-10mm，清洗时间为15min。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：将质量百分含量为85％-92％的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)和质量百分含量为8％-15％的氧化钇混合均匀配置成阻尼涂料，然后采用物物理气相沉积的方法在金属部件表面上进行阻尼涂层作业。制备出的阻尼涂层具有强度高、不易老化、不易开裂和不易剥落的特点，同时，具有该阻尼涂层的金属部件的动刚度增大、抗震能力增强并且可有效地降低金属部件的振动水平。
另外采用本发明制备的阻尼涂层还具备：极净净化处理作业不破坏金属部件的表面结构、涂层制备过程中加热温度低对金属部件材料结构特性影响小和涂层材料价格低廉的优点。
附图说明
图1为本发明实施例阻尼涂层的结构示意图；
图2为本发明实施例电子束蒸发沉积涂层的示意图。
【附图标记说明】
1：机械叶片基底；2：阻尼涂层；3：电子枪；4：磁场；5：蒸发粒子；6：熔化阻尼材料；7：固态阻尼材料；8：坩埚。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
下面以钛合金机械叶片为例，具体说明本发明阻尼涂层的制备方法。
一种形成于金属部件表面的阻尼涂层，阻尼涂层的材料包括均匀混合的氧化钇稳定氧化锆和氧化钇，其中氧化钇稳定氧化锆的质量百分含量为85％-92％，氧化钇的质量百分含量为8％-15％，氧化钇稳定氧化锆的氧化钇质量分数为8％(简称为8YSZ)；均匀混合的氧化钇稳定氧化锆和氧化钇沉积形成于金属部件表面。如图1所示，为氧化钇稳定氧化锆和氧化钇配制成的阻尼材料在机械叶片基底1的表面上形成阻尼涂层2。
如图2所示，为通过电子束蒸发物理气相沉积的方式将阻尼材料沉积在机械叶片基底1上的示意图；工作时，电子枪3不断发射出电子束，同时，在磁场4的影响下，电子束不断轰击坩埚8内的固态阻尼材料7，在电子束的作用下部分阻尼材料熔化，融化的阻尼材料6开始气化为蒸发粒子5，蒸发粒子5上升，然后在机械叶片基底1上形成最终的阻尼涂层2。
实施例1
机械叶片表面阻尼涂层制备包括以下步骤：
1)阻尼材料配制：将氧化钇稳定氧化锆和氧化钇混合均匀，其中，氧化钇稳定氧化锆的氧化钇质量分数为8％，氧化钇稳定氧化锆的质量百分含量为92％，氧化钇的质量百分含量为8％；
2)机械叶片表面极净净化处理：将机械叶片分别经溶剂超声波清洗、气体冲洗和常压等离子清洗作业，
溶剂超声波清洗的溶剂分别为去离子水、丙酮和无水乙醇，溶剂超声波清洗的超声波频率为65kHz，每种溶剂清洗时间为20min，
然后将经溶剂超声波清洗的机械叶片先用高压空气吹干机械叶片表面的残留液体，然后采用高纯氮气对机械叶片表面进行冲洗，
最后将等离子清洗机的清洗功率调至20W，等离子清洗机的电极距机械叶片处理距离为10mm，清洗时间为15min，即完成对机械叶片表面极净净化处理作业。
3)阻尼涂层：采用物理气相沉积的方法在机械叶片上进行阻尼涂层，本实施例的物理气相沉积在电子束蒸发装置中进行，
将处理后的机械叶片放入电子束蒸发装置的真空室中，并在坩埚8中放置配置好的阻尼材料，然后将真空室抽至本底真空度为1×10-4Pa，并将机械叶片基底1加热到500℃，最后打开电子枪3，调节蒸发束电流至200mA，开始沉积涂层，沉积时间设置为为15min。
待真空室冷却至室温，取出涂层好的机械叶片，机械叶片上的阻尼涂层厚度为15μm。
实施例2
机械叶片阻尼涂层的制备包括以下步骤：
1)阻尼材料配制：将氧化钇稳定氧化锆和氧化钇混合均匀，其中，氧化钇稳定氧化锆的氧化钇质量分数为8％，氧化钇稳定氧化锆的质量百分含量为85％，氧化钇的质量百分含量为15％；
2)机械叶片表面极净净化处理：将机械叶片分别经溶剂超声波清洗、气体冲洗和常压等离子清洗作业，
溶剂超声波清洗的溶剂分别为去离子水、丙酮和无水乙醇，溶剂超声波清洗的超声波频率为55kHz，每种溶剂清洗时间为20min，
然后将经溶剂超声波清洗的机械叶片先用高压空气吹干机械叶片表面的残留液体，然后采用高纯氮气对机械叶片表面进行冲洗，
最后将等离子清洗机的清洗功率调至30W，等离子清洗机的电极距机械叶片处理距离为2mm，清洗时间为15min，即完成对机械叶片表面极净净化处理作业。
3)阻尼涂层：采用物理气相沉积的方法在机械叶片上进行阻尼涂层，本实施例的物理气相沉积在电子束蒸发装置中进行，
将处理后的机械叶片放入电子束蒸发装置的真空室中，并在坩埚8中放置配置好的阻尼材料，然后将真空室抽至本底真空度为1×10-5Pa，并将机械叶片基底1加热到500℃，最后打开电子枪3，调节蒸发束电流至500mA，开始沉积涂层，沉积时间设置为为15min。
待真空室冷却至室温，取出涂层好的机械叶片，机械叶片上的阻尼涂层厚度为30μm。
实施例3
机械叶片阻尼涂层的制备包括以下步骤：
1)阻尼材料配制：将氧化钇稳定氧化锆和氧化钇混合均匀，其中，氧化钇稳定氧化锆的氧化钇质量分数为8％，氧化钇稳定氧化锆的质量百分含量为90％，氧化钇的质量百分含量为10％；
2)机械叶片表面极净净化处理：将机械叶片分别经溶剂超声波清洗、气体冲洗和常压等离子清洗作业，
溶剂超声波清洗的溶剂分别为去离子水、丙酮和无水乙醇，溶剂超声波清洗的超声波频率为60kHz，每种溶剂清洗时间为20min，
然后将经溶剂超声波清洗的机械叶片先用高压空气吹干机械叶片表面的残留液体，然后采用高纯氮气对机械叶片表面进行冲洗，
最后将等离子清洗机的清洗功率调至25W，等离子清洗机的电极距机械叶片处理距离为6mm，清洗时间为15min，即完成对机械叶片表面极净净化处理作业。
3)阻尼涂层：采用物理气相沉积的方法在机械叶片上进行阻尼涂层，本实施例的物理气相沉积在电子束蒸发装置中进行，
将处理后的机械叶片放入电子束蒸发装置的真空室中，并在坩埚8中放置配置好的阻尼材料，然后将真空室抽至本底真空度为1×10-4Pa，并将机械叶片基底1加热到500℃，最后打开电子枪3，调节蒸发束电流至350mA，开始沉积涂层，沉积时间设置为为25min。
待真空室冷却至室温，取出涂层好的机械叶片，机械叶片上的阻尼涂层厚度为20μm。
综上所述的实施例1到实施例3，最终获得的阻尼涂层都满足行业内的技术指标，具有强度高、不易剥落和不易老化的优点。同时，具有该阻尼涂层的机械叶片的动刚度增大、抗震能力增强并且可有效地降低叶片的振动水平。特别说明的是，本发明中，经过极净净化处理作业的机械叶片如不立即使用，应将处理好的机械叶片存放于真空度高于1×10- 4Pa的清洁真空室内，或封存于冲有正压干燥氮气的密封塑料袋中。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种形成于金属部件表面的阻尼涂层，其特征在于，所述阻尼涂层的材料包括均匀混合的氧化钇稳定氧化锆和氧化钇，其中所述氧化钇稳定氧化锆的质量百分含量为85％-92％，所述氧化钇的质量百分含量为8％-15％；
所述均匀混合的氧化钇稳定氧化锆和氧化钇沉积形成于金属部件表面。
2.根据权利要求1所述的一种形成于金属部件表面的阻尼涂层，其特征在于，所述氧化钇稳定氧化锆的氧化钇质量分数为8％。
3.根据权利要求1-2所述的一种形成于金属部件表面的阻尼涂层，其特征在于，所述金属部件表面上的阻尼涂层厚度为15-30μm。
4.一种金属部件表面阻尼涂层的制备方法，其特征在于，所述阻尼涂层制备包括以下步骤：
1)阻尼材料配制：将所述氧化钇稳定氧化锆和所述氧化钇混合均匀；所述氧化钇稳定氧化锆的质量百分含量为85％-92％，所述氧化钇的质量百分含量为8％-15％；
2)阻尼涂层：采用物理气相沉积的方法在金属部件表面上进行阻尼涂层。
5.根据权利要求4所述的一种金属部件表面阻尼涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述阻尼涂层在电子束蒸发装置中进行。
6.根据权利要求5所述的一种金属部件表面阻尼涂层的制备方法，其特征在于，电子束蒸发装置的本底真空度不大于1×10-4Pa；所述机械叶片的基底加热温度500℃；蒸发束电流200-500mA；沉积时间为15-30min。
7.根据权利要求4所述的一种金属部件表面阻尼涂层的制备方法，其特征在于，在步骤2)之前，还包括对金属部件表面极净净化处理作业：将所述金属部件表面分别经溶剂超声波清洗、气体冲洗和常压等离子清洗作业。
8.根据权利要求7所述的一种金属部件表面阻尼涂层的制备方法，其特征在于，所述溶剂超声波清洗的溶剂分别为去离子水、丙酮和无水乙醇；
所述溶剂超声波清洗的超声波频率为55-65kHz，每种溶剂清洗时间为20min。
9.根据权利要求7所述的一种金属部件表面阻尼涂层的制备方法，其特征在于，所述气体清洗具体为先用高压空气吹干经所述溶剂超声波清洗处理后的所述金属部件表面的残留液体，然后采用高纯氮气对所述金属部件表面进行冲洗。
10.根据权利要求7所述的一种金属部件表面阻尼涂层的制备方法，其特征在于，所述常压等离子清洗作业在等离子清洗机中进行，将所述等离子清洗机的清洗功率调至20-30W，所述等离子清洗机的电极距所述金属部件表面的处理距离为2-10mm，清洗时间为15min。
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