一種通過磁控濺射表面處理提高tc4鈦合金的阻尼性能的技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬表面處理功能材料，尤其是磁控濺射表面處理技術(shù)領(lǐng)域TC4鈦合 金是一類具有中等力學(xué)強度的α+β兩相鈦合金，其α相和β相之間的轉(zhuǎn)化溫度在995°C 左右，TC4鈦合金各類性能均良好，具有優(yōu)良的耐蝕性、小的密度、高的比強度以及好的韌 性和焊接性等一系列優(yōu)點，在航空航天、石油化工、造船、汽車，醫(yī)藥等部門都得到成功的應(yīng) 用，目前TC4鈦合金是應(yīng)用最廣泛的鈦合金。在航空航天領(lǐng)域中TC4在飛機的發(fā)動機的風(fēng) 扇、壓氣機盤以及其葉片的制造中均有廣泛的使用，整個飛機艙體結(jié)構(gòu)中極為關(guān)鍵的載重 部件比如艙體機身的橫梁、框架以及艙體中的接頭等等均離不開TC4的使用，因此TC4的性 能是和整個飛機在行駛過程中的安全是息息相關(guān)的。
[0002] TC4是一種兩相合金，因此其阻尼機制應(yīng)該為復(fù)相型的阻尼機制，即樣品在載荷作 用下發(fā)生振動變形時，基體α相由于強度高產(chǎn)生彈性變形，彌散相β相強度相對較低則產(chǎn) 生塑性變形從而導(dǎo)致能量的耗散，從而產(chǎn)生阻尼效應(yīng)。但由于在振動中β相強度雖然比α 相相對低，但其強度實際上也是較高的，因此振動時無論是α相還是β相，兩者的變形都 不明顯，對能量的耗散是較少，因此TC4具有鈦合金普遍存在的阻尼性能較低的缺點，當(dāng)機 械構(gòu)件受到外界的激勵將產(chǎn)生振動和噪聲，寬頻帶隨機激勵會引起結(jié)構(gòu)的多振動峰效應(yīng)， 會造成電子器件儀器零件等失效失靈，因此在航空航天等等領(lǐng)域均存在著大大小小的由噪 音以及振動所帶來的問題，由衛(wèi)星火箭等的失效事件數(shù)據(jù)來看，其中因為振動所帶來的失 效已達到了 60%，比如很多飛機中常見的問題飛機尾罩裂紋萌生、機艙噪音等等，作為在航 天航空中普遍使用的合金材料，如果其阻尼性能過低是不能滿足日益嚴(yán)重的振動噪音問 題的，因此TC4鈦合金阻尼性能過低可能會直接造成飛機由于振動所產(chǎn)生的失事，通過材 料各種改性手段改善TC4阻尼性能是降低其在服役過程中振動失效的必要研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明的目的是采用真空磁控濺射技術(shù)對TC4鈦合金 進行磁控濺射表面鍍膜，獲得的鍍膜使原材料基體的阻尼性能得到改善。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過如下的手段實現(xiàn)的。
[0005] -種通過磁控濺射表面處理提高TC4鈦合金的阻尼性能的技術(shù)，對TC4鈦合金進 行表面處理以提高阻尼性能。選用適當(dāng)靶材在磁控濺射設(shè)備采用優(yōu)選的濺射工藝參數(shù)在 TC4樣品上沉積表面膜，以改善TC4鈦合金的阻尼性能；
[0006] 所述磁控濺射鍍膜采用直流濺射或射頻濺射方式，相應(yīng)的工藝參數(shù)為：
[0007] 射頻磁控：
[0008] 工作氣壓 0· 4Pa ;功率 900x0. 2- 1000x0. 2 伏安；偏壓 200V ;Ar 流量 18-20sccm ;
[0009] 直流磁控：
[0010] 工作氣壓0· 5Pa ;功率175x0. 5伏安；偏壓60V ;Ar流量18-20sccm。
[0011] 進一步的，所述祀材可為金屬、無機非金屬氧化物以及金屬化合物。
[0012] 所述表面膜為單層膜或者復(fù)合膜層。
[0013] 所述金屬包括Au、Cu、Ti ;所述無機非金屬氧化物包括：Si02、B203 ;所述金屬化合 物包括Zn0、Ti02。
[0014] 本發(fā)明中，單層膜（如銅膜）改善TC4阻尼性能的機理主要分為兩方面：一方面 Cu膜本身能夠吸收一部分振動能量，Cu膜吸收能量的機理可以使用K-G-L位錯釘扎理論 來進行解釋，主要是靠 Cu材料內(nèi)部位錯來吸收能量；另一方面薄膜與基體材料之間形成 界面，樣品振動時薄膜與基體之間通過界面的缺陷進行摩擦以及產(chǎn)生微塑性變形進而耗散 能量。當(dāng)應(yīng)變振幅小于5. 96 X 10 4時，樣品處于低應(yīng)力狀態(tài)，界面摩擦和變形都較小，主要 靠基體材料TC4和表面薄膜材料Cu的固有阻尼吸收能量，根據(jù)K-G-L模型的理論，Cu層 的點缺陷對位錯進行釘扎，此時振幅的增大材料的阻尼上升并不明顯。但當(dāng)應(yīng)力振幅達到 5. 96X 10 4, 一方面振幅增大引起界面變形，基體材料、薄膜材料以及兩者反應(yīng)的過渡區(qū)產(chǎn) 生摩擦，樣品對振動時能量的耗損大大增加，樣品的阻尼迅速上升；另一方面樣品中的位錯 脫釘，位錯線在雜質(zhì)原子處釋放，材料的阻尼上升速度變快。
[0015] 雙層膜（如Ti/Au雙層膜）改善TC4阻尼性能的機理是：在TC4基體、Ti薄膜層 和AuTi薄膜層之間形成了雙界面，Ti屬于低彈性模量金屬，AuTi層的彈性模量是遠遠大于 Ti層的，因此該樣品首先在TC4與Ti層之間形成結(jié)構(gòu)類似于自由阻尼結(jié)構(gòu)，其次在Ti層 和AuTi層之間又形成一種約束性阻尼結(jié)構(gòu)，AuTi層對Ti層起約束作用，增加 Ti層的剪切 形變。在應(yīng)變振幅在3X10 4之前時，樣品復(fù)合結(jié)構(gòu)的剪切變形較少對阻尼的貢獻不大，主 要靠這三種材料的固有阻尼來減弱振動，因此此時的樣品阻尼并不明顯，當(dāng)應(yīng)變振幅達到 3X10 4時，達到了復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切變形的臨界點，然后隨著應(yīng)變振幅的增加，樣品的剪切應(yīng)變 越來越大，阻尼迅速上升。
【附圖說明】
[0016] 圖1 TC4表面沉積Cu層阻尼因子。
[0017] 圖2 TC4合金表面沉積Si02薄膜層樣品阻尼因子。
[0018] 圖3 TC4合金表面沉積ZnO薄膜層樣品阻尼因子。 圖4 TC4合金表面沉積Ti/Au膜阻尼測試結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0019] 本發(fā)明的制備方法包括如下步驟：
[0020] (1)材料選用TC4鈦合金棒材料作為原始材料，TC4鈦合金棒的化學(xué)成分如表1-1 所示。
[0021] 表1-1TC4化學(xué)成分
[0023] (2)采用成都西沃克公司生產(chǎn)的型號為JC400-1的磁控濺射鍍膜機對樣品進行真 空鍍膜。選用各種類型的靶材，在基體TC4兩個相鄰表面進行磁控濺射鍍膜處理。分別在 TC4樣品表面形成了金屬薄膜、無機非金屬薄膜、復(fù)合薄膜以及一些化合物薄膜。試驗中所 使用的所有陽極靶材以及每種靶材具體的工藝參數(shù)如1-2表中所示。
[0024] 表1-2磁控濺射鍍膜工藝參數(shù)
[0026] (3)采用JN-1葛式扭擺儀測試表征阻尼性能。試樣經(jīng)線切割加工長寬高為1. 5_ xl. 5mm x60mm的正方形截面的合金絲，進行阻尼性能的測試，主要變量為應(yīng)變振幅，測定內(nèi) 耗與應(yīng)變振幅之間的關(guān)系，阻尼結(jié)果用品質(zhì)因子的倒數(shù)Q-1來表征。
[0027] 實施例1 :
[0028] TC4表面沉積Cu層樣品阻尼實驗參數(shù)如表2所示
[0029] 表2TC4表面沉積Cu層樣品阻尼實驗參數(shù)
[0031] 樣品阻尼測試結(jié)果如圖1所示。
[0032] 由鍍Cu樣品和未鍍膜TC4樣品比較可知，鍍Cu樣品的阻尼比基體阻尼性能大大 提高，在應(yīng)變振幅達到10 3最高點阻尼系數(shù)接近0. 009,表面鍍Cu后樣品的阻尼Q 1提高了 三倍左右。圖中，樣品阻尼隨著應(yīng)變振幅的增加一直較為平滑的上升，樣品在應(yīng)變振幅為 5. 96 X 10 4后阻尼的上升的速度變快。Cu膜層改善TC4阻尼性能的機理主要分為兩方面： 一方面Cu膜本身能夠吸收一部分振動能量，Cu膜吸收能量的機理可以使用K-G-L位錯釘 扎理論來進行解釋，主要是靠 Cu材料內(nèi)部位錯來吸收能量；另一方面薄膜與基體材料之間 形成界面，樣品振動時薄膜與基體之間通過界面的缺陷進行摩擦以及產(chǎn)生微塑性變形進而 耗散能量。當(dāng)應(yīng)變振幅小于5. 96X 10 4時，樣品處于低應(yīng)力狀態(tài)，界面摩擦和變形都較小， 主要靠基體材料TC4和表面薄膜材料Cu的固有阻尼吸收能量，根據(jù)K-G-L模型的理論，Cu 層的點缺陷對位錯進行釘扎，此時振幅的增大材料的阻尼上升并不明顯。但當(dāng)應(yīng)力振幅達 到5. 96X 10 4, 一方面振幅增大引起界面變形，基體材料、薄膜材料以及兩者反應(yīng)的過渡區(qū) 產(chǎn)生摩擦，樣品對振動時能量的耗損大大增加，樣品的阻尼迅速上升；另一方面樣品中的位 錯脫釘，位錯線在雜質(zhì)原子處釋放，材料的阻尼上升速度變快。
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