專利名稱：壓氣機榫接抗微動損傷NiTi形狀記憶合金涂層制備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航空發(fā)動機壓氣機涂層制備的方法，尤其涉及一種壓氣機榫接抗微動損傷NiTi形狀記憶合金涂層制備的方法，屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
航空發(fā)動機壓氣機葉片和輪盤通常采用燕尾型榫接結(jié)構(gòu)。榫接構(gòu)件承受復(fù)雜載荷的耦合作用，微動疲勞破壞是其主要失效形式之一，這極大地限制著航空發(fā)動機的使用壽命和可靠性。這里微動疲勞是指兩個接觸表面在一定法向載荷作用下，由于表面間存在微米級的相對振蕩移動而引起的漸進損傷過程。
鈦合金是高性能航空發(fā)動機壓氣機葉片主選材料。但鈦合金耐磨性能差，葉片榫頭和壓氣機盤榫槽配合面對微動疲勞極為敏感。
目前提高榫接抗微動疲勞的方法是采用各種表面改性技術(shù)，如噴丸處理、鍍銀、涂干膜潤滑劑、貼類橡膠阻尼膜等，但效果均不理想。其中噴丸處理、鍍銀等傳統(tǒng)表面改性技術(shù)僅通過表面加工硬化，提高零件的疲勞強度，但沒有從微動機理上減少微動次數(shù)；貼類橡膠阻尼膜僅增大了阻尼，從而減少微動次數(shù)，但老化較快，不適宜長時間應(yīng)用。
NiTi形狀記憶合金是新型智能材料，是智能結(jié)構(gòu)中最先應(yīng)用的一種驅(qū)動元件。它的最大特點是具有形狀記憶效應(yīng)和偽彈性?，F(xiàn)已明確，以上兩種特性與材料的熱彈性馬氏體相變有關(guān)。形狀記憶效應(yīng)表現(xiàn)為變形后的馬氏體態(tài)NiTi合金在環(huán)境溫度上升到母相轉(zhuǎn)變開始溫度后，如果不受外力的約束，將發(fā)生形狀恢復(fù)；當受到外力約束而不能恢復(fù)時，將輸出應(yīng)力。偽彈性表現(xiàn)為處于母相狀態(tài)的NiTi合金因應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的發(fā)生，其宏觀可恢復(fù)拉伸應(yīng)變遠大于一般金屬材料的彈性變形極限(可達10%)。由這兩個獨特的基本特性延展出很多新的特性，如耐磨損性、抗疲勞性和高阻尼性等。目前，國內(nèi)外應(yīng)用NiTi形狀記憶合金偽彈性、耐磨損性及高阻尼特性來抑制航空發(fā)動機榫接構(gòu)件的微動疲勞方面還未見文獻記載，尚屬空白。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的是提供一種壓氣機榫接抗微動損傷NiTi形狀記憶合金涂層制備的方法，該方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，對提高航空發(fā)動機壓氣機榫接的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性，延長像壓氣機輪盤和葉片等關(guān)鍵構(gòu)件的使用壽命，開創(chuàng)了一條新的途徑。
2、 技術(shù)方案
通過對航空發(fā)動機壓氣機榫接結(jié)構(gòu)在高低周復(fù)合載荷下的微動疲勞損傷機理(如附圖1)、NiTi涂層理論及實驗技術(shù)的研究，在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了一種抗微動損傷涂層制備的方法，即對壓氣機榫頭表面采用物理氣相沉積磁控濺射NiTi涂層(如圖2， 3)，利用NiTi涂層的偽彈性、抗磨損性及其高阻尼特性，對榫接結(jié)構(gòu)的微動磨損及疲勞損傷進行防護和抑制。本發(fā)明彌補了傳統(tǒng)表面改性技術(shù)的缺點(如噴丸處理、鍍銀、涂干膜潤滑劑、貼類橡膠阻尼膜等)，是一種從材料性質(zhì)到微動本質(zhì)，全方位巧妙地減少微動損傷的新方法。
本發(fā)明一種壓氣機榫接抗微動損傷NiTi形狀記憶合金涂層制備的方法，該方法具體步驟如下-
步驟一NiTi涂層的濺射沉積
(1) 設(shè)備準備設(shè)備采用德國LEYBOLD公司生產(chǎn)的Z400射頻磁控濺射設(shè)備；
(2) 靶材準備靶材采用NiTi基態(tài)合金靶，正式濺射前需用擋板擋住基片對靶面進行預(yù)濺射30分鐘左右，以清洗靶面；
(3) 基底準備選擇航空發(fā)動機的鈦合金葉片作基底，濺射前需對葉片尤其是需要噴涂NiTi的榫頭部位進行嚴格的清洗；先用洗滌液清洗掉表面油污，再放在無水乙醇溶液中用超聲波清洗10分鐘，取出后熱風(fēng)快速吹干，放入射頻磁控濺射機中；基底與耙材的距離為150mm;
(4) 待Z400射頻磁控濺射機內(nèi)抽真空完畢后，實施濺射沉積其工藝參數(shù)為——真空度為6xl(T7Torr， Ar氣壓為6xlO氣5xl(^Torr，濺射功率為150W左右；為增加濺射效率，應(yīng)盡可能地調(diào)整匹配以降低反濺功率，通常為30-50W;涂層厚度為6-8微米；
步驟二對濺射沉積件實施晶化退火
(1) 設(shè)備準備KG-2-ZE型快速光熱爐，置入Ar氣保護
(2) 加熱將已濺射的帶NiTi涂層榫頭的葉片置入Ar氣保護的快速光熱爐中加熱晶化，加熱晶化溫度控制在480-550'C,晶化時間為30分鐘；
(3) 冷卻采用Ar氣保護下的隨爐緩慢冷卻至室溫。
3、 優(yōu)點及功效通過對航空發(fā)動機榫接構(gòu)件的精確數(shù)值模擬來說明改新方法的效果1)未采用本方法，直接用傳統(tǒng)鈦合金榫接結(jié)構(gòu)，榫頭的壽命為2.9262乂106循環(huán)；2)采用本方法，即榫頭帶NiTi涂層的鈦合金榫接結(jié)構(gòu)，榫頭壽命為4.9678X10M盾環(huán)。可以看到，壓氣機榫接構(gòu)件采用NiTi涂層新方法，榫頭壽命可以提高一倍，抗微動疲勞的效果十分顯著。
本發(fā)明對提高航空發(fā)動機壓氣機榫接的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性，延長像壓氣機輪盤和葉片等關(guān)鍵構(gòu)件的使用壽命具有重要意義。同時，該發(fā)明對鐵路運輸和機械制造等領(lǐng)域出現(xiàn)的微動疲勞失效問題，也有很好的參考價值。它具有重要的社會經(jīng)濟效益和廣泛的應(yīng)用前景。
(四)


圖1為壓氣機葉片輪盤榫接處的受力狀態(tài)示意圖
圖2為榫接構(gòu)件示意圖
圖3為榫頭噴涂NiTi涂層的示意圖
圖中符號說明如下-
HCF:高周疲勞； LCF:低周疲勞； M:彎矩；N:表面正壓力；S:剪切
力； F:榫接部件承受由葉片離心力等構(gòu)成的LCF載荷；
V:由氣動載荷誘發(fā)葉片橫向振動的HCF載荷。1葉片榫頭； 2壓氣機盤榫槽；3 NiTi涂層。
(五)
具體實施例方式
見圖1、圖2、圖3所示， 一種壓氣機榫接抗微動損傷NiTi形狀記憶合金涂層制備的方法，該方法具體步驟如下
步驟一NiTi涂層的濺射沉積
(1) 設(shè)備準備設(shè)備采用德國LEYBOLD公司生產(chǎn)的Z400射頻磁控濺射設(shè)備；
(2) 靶材準備靶材采用NiTi基態(tài)合金靶；正式濺射前需用擋板擋住基片對耙面進行預(yù)濺射30分鐘，以清洗靶面；
(3) 基底準備選擇航空發(fā)動機的鈦合金葉片作基底，濺射前需對葉片尤其是需要噴涂NiTi的榫頭部位進行嚴格的清洗；先用洗滌液清洗掉表面油污，再放在無水乙醇溶液中用超聲波清洗10分鐘，取出后熱風(fēng)快速吹干，放入射頻磁控濺射機中；
基底與靶材的距離為150mm;
(4) 待Z400射頻磁控濺射機內(nèi)抽真空完畢后，實施濺射沉積其工藝參數(shù)為——真空度為6xlO々Torr， Ar氣壓為6xl(T4-5xl(r3Torr，濺射功率為150W;為增加濺射效率，應(yīng)盡可能地調(diào)整匹配以降低反濺功率，將反濺功率設(shè)置為40W。涂層厚度為8微米。
步驟二對濺射沉積件實施晶化退火(1) 設(shè)備準備KG-2-ZE型快速光熱爐，置入Ar氣保護。
(2) 加熱。將己濺射的帶NiTi涂層榫頭的葉片置入Ar氣保護的快速光熱爐中加熱晶化?？刂凭Щ瘻囟仍?00'C。晶化時間為30分鐘。
(3) 冷卻。釆用Ar氣保護下的隨爐緩慢冷卻至室溫。
權(quán)利要求
1、一種壓氣機榫接抗微動損傷NiTi形狀記憶合金涂層制備的方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一NiTi涂層的濺射沉積(1)設(shè)備準備設(shè)備采用德國LEYBOLD公司生產(chǎn)的Z400射頻磁控濺射設(shè)備；(2)靶材準備靶材采用NiTi基態(tài)合金靶，正式濺射前需用擋板擋住基片對靶面進行預(yù)濺射30分鐘左右，以清洗靶面；(3)基底準備選擇航空發(fā)動機的鈦合金葉片作基底，濺射前需對葉片尤其是需要噴涂NiTi的榫頭部位進行嚴格的清洗；先用洗滌液清洗掉表面油污，再放在無水乙醇溶液中用超聲波清洗10分鐘，取出后熱風(fēng)快速吹干，放入射頻磁控濺射機中；基底與靶材的距離為150mm；(4)待Z400射頻磁控濺射機內(nèi)抽真空完畢后，實施濺射沉積其工藝參數(shù)為——真空度為6×10-7Torr，Ar氣壓為6×10-4-5×10-3Torr，濺射功率為150W；為增加濺射效率，應(yīng)盡可能地調(diào)整匹配以降低反濺功率，通常為30-50W；涂層厚度為6-8微米；步驟二對濺射沉積件實施晶化退火(1)設(shè)備準備KG-2-ZE型快速光熱爐，置入Ar氣保護；(2)加熱將已濺射的帶NiTi涂層榫頭的葉片，置入Ar氣保護的快速光熱爐中加熱晶化，加熱晶化溫度控制在480-550℃，晶化時間為30分鐘；(3)冷卻采用Ar氣保護下的隨爐緩慢冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明一種壓氣機榫接抗微動損傷NiTi形狀記憶合金涂層制備的方法，該方法有兩大步驟步驟一NiTi涂層的濺射沉積；步驟二對濺射沉積件實施晶化退火。本發(fā)明利用NiTi涂層獨特的偽彈性、抗磨損性及其高阻尼特性，對壓氣機榫頭表面采用物理氣相沉積磁控濺射NiTi涂層，從而達到對榫接結(jié)構(gòu)的微動磨損及疲勞損傷進行防護和抑制的目的。本發(fā)明對提高航空發(fā)動機壓氣機榫接的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性，延長像壓氣機輪盤和葉片等榫接構(gòu)件的使用壽命具有重要意義。它具有可觀的社會經(jīng)濟效益和廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號C23C14/34GK101463468SQ20091007635
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月14日
發(fā)明者江 樊, 王曉雪, 王榮橋, 胡殿印 申請人:北京航空航天大學(xué)