专利名称：压气机榫接抗微动损伤NiTi形状记忆合金涂层制备的方法
技术领域：
本发明涉及一种航空发动机压气机涂层制备的方法，尤其涉及一种压气机榫接抗微动损伤NiTi形状记忆合金涂层制备的方法，属于航空航天技术领域。
(二)
背景技术：
航空发动机压气机叶片和轮盘通常采用燕尾型榫接结构。榫接构件承受复杂载荷的耦合作用，微动疲劳破坏是其主要失效形式之一，这极大地限制着航空发动机的使用寿命和可靠性。这里微动疲劳是指两个接触表面在一定法向载荷作用下，由于表面间存在微米级的相对振荡移动而引起的渐进损伤过程。
钛合金是高性能航空发动机压气机叶片主选材料。但钛合金耐磨性能差，叶片榫头和压气机盘榫槽配合面对微动疲劳极为敏感。
目前提高榫接抗微动疲劳的方法是采用各种表面改性技术，如喷丸处理、镀银、涂干膜润滑剂、贴类橡胶阻尼膜等，但效果均不理想。其中喷丸处理、镀银等传统表面改性技术仅通过表面加工硬化，提高零件的疲劳强度，但没有从微动机理上减少微动次数；贴类橡胶阻尼膜仅增大了阻尼，从而减少微动次数，但老化较快，不适宜长时间应用。
NiTi形状记忆合金是新型智能材料，是智能结构中最先应用的一种驱动元件。它的最大特点是具有形状记忆效应和伪弹性。现已明确，以上两种特性与材料的热弹性马氏体相变有关。形状记忆效应表现为变形后的马氏体态NiTi合金在环境温度上升到母相转变开始温度后，如果不受外力的约束，将发生形状恢复；当受到外力约束而不能恢复时，将输出应力。伪弹性表现为处于母相状态的NiTi合金因应力诱发马氏体相变的发生，其宏观可恢复拉伸应变远大于一般金属材料的弹性变形极限(可达10%)。由这两个独特的基本特性延展出很多新的特性，如耐磨损性、抗疲劳性和高阻尼性等。目前，国内外应用NiTi形状记忆合金伪弹性、耐磨损性及高阻尼特性来抑制航空发动机榫接构件的微动疲劳方面还未见文献记载，尚属空白。
(三)
发明内容
1、目的本发明的目的是提供一种压气机榫接抗微动损伤NiTi形状记忆合金涂层制备的方法，该方法克服了现有技术的不足，对提高航空发动机压气机榫接的结构完整性和可靠性，延长像压气机轮盘和叶片等关键构件的使用寿命，开创了一条新的途径。
2、 技术方案
通过对航空发动机压气机榫接结构在高低周复合载荷下的微动疲劳损伤机理(如附图1)、NiTi涂层理论及实验技术的研究，在此基础上，本发明提出了一种抗微动损伤涂层制备的方法，即对压气机榫头表面采用物理气相沉积磁控溅射NiTi涂层(如图2， 3)，利用NiTi涂层的伪弹性、抗磨损性及其高阻尼特性，对榫接结构的微动磨损及疲劳损伤进行防护和抑制。本发明弥补了传统表面改性技术的缺点(如喷丸处理、镀银、涂干膜润滑剂、贴类橡胶阻尼膜等)，是一种从材料性质到微动本质，全方位巧妙地减少微动损伤的新方法。
本发明一种压气机榫接抗微动损伤NiTi形状记忆合金涂层制备的方法，该方法具体步骤如下-
步骤一NiTi涂层的溅射沉积
(1) 设备准备设备采用德国LEYBOLD公司生产的Z400射频磁控溅射设备；
(2) 靶材准备靶材采用NiTi基态合金靶，正式溅射前需用挡板挡住基片对靶面进行预溅射30分钟左右，以清洗靶面；
(3) 基底准备选择航空发动机的钛合金叶片作基底，溅射前需对叶片尤其是需要喷涂NiTi的榫头部位进行严格的清洗；先用洗涤液清洗掉表面油污，再放在无水乙醇溶液中用超声波清洗10分钟，取出后热风快速吹干，放入射频磁控溅射机中；基底与耙材的距离为150mm;
(4) 待Z400射频磁控溅射机内抽真空完毕后，实施溅射沉积其工艺参数为——真空度为6xl(T7Torr， Ar气压为6xlO气5xl(^Torr，溅射功率为150W左右；为增加溅射效率，应尽可能地调整匹配以降低反溅功率，通常为30-50W;涂层厚度为6-8微米；
步骤二对溅射沉积件实施晶化退火
(1) 设备准备KG-2-ZE型快速光热炉，置入Ar气保护
(2) 加热将已溅射的带NiTi涂层榫头的叶片置入Ar气保护的快速光热炉中加热晶化，加热晶化温度控制在480-550'C,晶化时间为30分钟；
(3) 冷却采用Ar气保护下的随炉缓慢冷却至室温。
3、 优点及功效通过对航空发动机榫接构件的精确数值模拟来说明改新方法的效果1)未采用本方法，直接用传统钛合金榫接结构，榫头的寿命为2.9262乂106循环；2)采用本方法，即榫头带NiTi涂层的钛合金榫接结构，榫头寿命为4.9678X10M盾环。可以看到，压气机榫接构件采用NiTi涂层新方法，榫头寿命可以提高一倍，抗微动疲劳的效果十分显著。
本发明对提高航空发动机压气机榫接的结构完整性和可靠性，延长像压气机轮盘和叶片等关键构件的使用寿命具有重要意义。同时，该发明对铁路运输和机械制造等领域出现的微动疲劳失效问题，也有很好的参考价值。它具有重要的社会经济效益和广泛的应用前景。
(四)
图1为压气机叶片轮盘榫接处的受力状态示意图
图2为榫接构件示意图
图3为榫头喷涂NiTi涂层的示意图
图中符号说明如下-
HCF:高周疲劳； LCF:低周疲劳； M:弯矩；N:表面正压力；S:剪切
力； F:榫接部件承受由叶片离心力等构成的LCF载荷；
V:由气动载荷诱发叶片横向振动的HCF载荷。1叶片榫头； 2压气机盘榫槽；3 NiTi涂层。
(五)
具体实施例方式
见图1、图2、图3所示， 一种压气机榫接抗微动损伤NiTi形状记忆合金涂层制备的方法，该方法具体步骤如下
步骤一NiTi涂层的溅射沉积
(1) 设备准备设备采用德国LEYBOLD公司生产的Z400射频磁控溅射设备；
(2) 靶材准备靶材采用NiTi基态合金靶；正式溅射前需用挡板挡住基片对耙面进行预溅射30分钟，以清洗靶面；
(3) 基底准备选择航空发动机的钛合金叶片作基底，溅射前需对叶片尤其是需要喷涂NiTi的榫头部位进行严格的清洗；先用洗涤液清洗掉表面油污，再放在无水乙醇溶液中用超声波清洗10分钟，取出后热风快速吹干，放入射频磁控溅射机中；
基底与靶材的距离为150mm;
(4) 待Z400射频磁控溅射机内抽真空完毕后，实施溅射沉积其工艺参数为——真空度为6xlO々Torr， Ar气压为6xl(T4-5xl(r3Torr，溅射功率为150W;为增加溅射效率，应尽可能地调整匹配以降低反溅功率，将反溅功率设置为40W。涂层厚度为8微米。
步骤二对溅射沉积件实施晶化退火(1) 设备准备KG-2-ZE型快速光热炉，置入Ar气保护。
(2) 加热。将己溅射的带NiTi涂层榫头的叶片置入Ar气保护的快速光热炉中加热晶化。控制晶化温度在500'C。晶化时间为30分钟。
(3) 冷却。釆用Ar气保护下的随炉缓慢冷却至室温。
权利要求
1、一种压气机榫接抗微动损伤NiTi形状记忆合金涂层制备的方法，其特征在于该方法具体步骤如下步骤一NiTi涂层的溅射沉积(1)设备准备设备采用德国LEYBOLD公司生产的Z400射频磁控溅射设备；(2)靶材准备靶材采用NiTi基态合金靶，正式溅射前需用挡板挡住基片对靶面进行预溅射30分钟左右，以清洗靶面；(3)基底准备选择航空发动机的钛合金叶片作基底，溅射前需对叶片尤其是需要喷涂NiTi的榫头部位进行严格的清洗；先用洗涤液清洗掉表面油污，再放在无水乙醇溶液中用超声波清洗10分钟，取出后热风快速吹干，放入射频磁控溅射机中；基底与靶材的距离为150mm；(4)待Z400射频磁控溅射机内抽真空完毕后，实施溅射沉积其工艺参数为——真空度为6×10-7Torr，Ar气压为6×10-4-5×10-3Torr，溅射功率为150W；为增加溅射效率，应尽可能地调整匹配以降低反溅功率，通常为30-50W；涂层厚度为6-8微米；步骤二对溅射沉积件实施晶化退火(1)设备准备KG-2-ZE型快速光热炉，置入Ar气保护；(2)加热将已溅射的带NiTi涂层榫头的叶片，置入Ar气保护的快速光热炉中加热晶化，加热晶化温度控制在480-550℃，晶化时间为30分钟；(3)冷却采用Ar气保护下的随炉缓慢冷却至室温。
全文摘要
本发明一种压气机榫接抗微动损伤NiTi形状记忆合金涂层制备的方法，该方法有两大步骤步骤一NiTi涂层的溅射沉积；步骤二对溅射沉积件实施晶化退火。本发明利用NiTi涂层独特的伪弹性、抗磨损性及其高阻尼特性，对压气机榫头表面采用物理气相沉积磁控溅射NiTi涂层，从而达到对榫接结构的微动磨损及疲劳损伤进行防护和抑制的目的。本发明对提高航空发动机压气机榫接的结构完整性和可靠性，延长像压气机轮盘和叶片等榫接构件的使用寿命具有重要意义。它具有可观的社会经济效益和广泛的应用前景。
文档编号C23C14/34GK101463468SQ20091007635
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月14日 优先权日2009年1月14日
发明者江 樊, 王晓雪, 王荣桥, 胡殿印 申请人:北京航空航天大学