一种通过磁控溅射表面处理提高tc4钛合金的阻尼性能的技术的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属表面处理功能材料，尤其是磁控溅射表面处理技术领域TC4钛合 金是一类具有中等力学强度的α+β两相钛合金，其α相和β相之间的转化温度在995°C 左右，TC4钛合金各类性能均良好，具有优良的耐蚀性、小的密度、高的比强度以及好的韧 性和焊接性等一系列优点，在航空航天、石油化工、造船、汽车，医药等部门都得到成功的应 用，目前TC4钛合金是应用最广泛的钛合金。在航空航天领域中TC4在飞机的发动机的风 扇、压气机盘以及其叶片的制造中均有广泛的使用，整个飞机舱体结构中极为关键的载重 部件比如舱体机身的横梁、框架以及舱体中的接头等等均离不开TC4的使用，因此TC4的性 能是和整个飞机在行驶过程中的安全是息息相关的。
[0002] TC4是一种两相合金，因此其阻尼机制应该为复相型的阻尼机制，即样品在载荷作 用下发生振动变形时，基体α相由于强度高产生弹性变形，弥散相β相强度相对较低则产 生塑性变形从而导致能量的耗散，从而产生阻尼效应。但由于在振动中β相强度虽然比α 相相对低，但其强度实际上也是较高的，因此振动时无论是α相还是β相，两者的变形都 不明显，对能量的耗散是较少，因此TC4具有钛合金普遍存在的阻尼性能较低的缺点，当机 械构件受到外界的激励将产生振动和噪声，宽频带随机激励会引起结构的多振动峰效应， 会造成电子器件仪器零件等失效失灵，因此在航空航天等等领域均存在着大大小小的由噪 音以及振动所带来的问题，由卫星火箭等的失效事件数据来看，其中因为振动所带来的失 效已达到了 60%，比如很多飞机中常见的问题飞机尾罩裂纹萌生、机舱噪音等等，作为在航 天航空中普遍使用的合金材料，如果其阻尼性能过低是不能满足日益严重的振动噪音问 题的，因此TC4钛合金阻尼性能过低可能会直接造成飞机由于振动所产生的失事，通过材 料各种改性手段改善TC4阻尼性能是降低其在服役过程中振动失效的必要研究。
【发明内容】
[0003] 鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是采用真空磁控溅射技术对TC4钛合金 进行磁控溅射表面镀膜，获得的镀膜使原材料基体的阻尼性能得到改善。
[0004] 本发明的目的是通过如下的手段实现的。
[0005] -种通过磁控溅射表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的技术，对TC4钛合金进 行表面处理以提高阻尼性能。选用适当靶材在磁控溅射设备采用优选的溅射工艺参数在 TC4样品上沉积表面膜，以改善TC4钛合金的阻尼性能；
[0006] 所述磁控溅射镀膜采用直流溅射或射频溅射方式，相应的工艺参数为：
[0007] 射频磁控：
[0008] 工作气压 0· 4Pa ;功率 900x0. 2- 1000x0. 2 伏安；偏压 200V ;Ar 流量 18-20sccm ;
[0009] 直流磁控：
[0010] 工作气压0· 5Pa ;功率175x0. 5伏安；偏压60V ;Ar流量18-20sccm。
[0011] 进一步的，所述祀材可为金属、无机非金属氧化物以及金属化合物。
[0012] 所述表面膜为单层膜或者复合膜层。
[0013] 所述金属包括Au、Cu、Ti ;所述无机非金属氧化物包括：Si02、B203 ;所述金属化合 物包括Zn0、Ti02。
[0014] 本发明中，单层膜（如铜膜）改善TC4阻尼性能的机理主要分为两方面：一方面 Cu膜本身能够吸收一部分振动能量，Cu膜吸收能量的机理可以使用K-G-L位错钉扎理论 来进行解释，主要是靠 Cu材料内部位错来吸收能量；另一方面薄膜与基体材料之间形成 界面，样品振动时薄膜与基体之间通过界面的缺陷进行摩擦以及产生微塑性变形进而耗散 能量。当应变振幅小于5. 96 X 10 4时，样品处于低应力状态，界面摩擦和变形都较小，主要 靠基体材料TC4和表面薄膜材料Cu的固有阻尼吸收能量，根据K-G-L模型的理论，Cu层 的点缺陷对位错进行钉扎，此时振幅的增大材料的阻尼上升并不明显。但当应力振幅达到 5. 96X 10 4, 一方面振幅增大引起界面变形，基体材料、薄膜材料以及两者反应的过渡区产 生摩擦，样品对振动时能量的耗损大大增加，样品的阻尼迅速上升；另一方面样品中的位错 脱钉，位错线在杂质原子处释放，材料的阻尼上升速度变快。
[0015] 双层膜（如Ti/Au双层膜）改善TC4阻尼性能的机理是：在TC4基体、Ti薄膜层 和AuTi薄膜层之间形成了双界面，Ti属于低弹性模量金属，AuTi层的弹性模量是远远大于 Ti层的，因此该样品首先在TC4与Ti层之间形成结构类似于自由阻尼结构，其次在Ti层 和AuTi层之间又形成一种约束性阻尼结构，AuTi层对Ti层起约束作用，增加 Ti层的剪切 形变。在应变振幅在3X10 4之前时，样品复合结构的剪切变形较少对阻尼的贡献不大，主 要靠这三种材料的固有阻尼来减弱振动，因此此时的样品阻尼并不明显，当应变振幅达到 3X10 4时，达到了复合结构剪切变形的临界点，然后随着应变振幅的增加，样品的剪切应变 越来越大，阻尼迅速上升。
【附图说明】
[0016] 图1 TC4表面沉积Cu层阻尼因子。
[0017] 图2 TC4合金表面沉积Si02薄膜层样品阻尼因子。
[0018] 图3 TC4合金表面沉积ZnO薄膜层样品阻尼因子。 图4 TC4合金表面沉积Ti/Au膜阻尼测试结果图。
【具体实施方式】
[0019] 本发明的制备方法包括如下步骤：
[0020] (1)材料选用TC4钛合金棒材料作为原始材料，TC4钛合金棒的化学成分如表1-1 所示。
[0021] 表1-1TC4化学成分
[0023] (2)采用成都西沃克公司生产的型号为JC400-1的磁控溅射镀膜机对样品进行真 空镀膜。选用各种类型的靶材，在基体TC4两个相邻表面进行磁控溅射镀膜处理。分别在 TC4样品表面形成了金属薄膜、无机非金属薄膜、复合薄膜以及一些化合物薄膜。试验中所 使用的所有阳极靶材以及每种靶材具体的工艺参数如1-2表中所示。
[0024] 表1-2磁控溅射镀膜工艺参数
[0026] (3)采用JN-1葛式扭摆仪测试表征阻尼性能。试样经线切割加工长宽高为1. 5_ xl. 5mm x60mm的正方形截面的合金丝，进行阻尼性能的测试，主要变量为应变振幅，测定内 耗与应变振幅之间的关系，阻尼结果用品质因子的倒数Q-1来表征。
[0027] 实施例1 :
[0028] TC4表面沉积Cu层样品阻尼实验参数如表2所示
[0029] 表2TC4表面沉积Cu层样品阻尼实验参数
[0031] 样品阻尼测试结果如图1所示。
[0032] 由镀Cu样品和未镀膜TC4样品比较可知，镀Cu样品的阻尼比基体阻尼性能大大 提高，在应变振幅达到10 3最高点阻尼系数接近0. 009,表面镀Cu后样品的阻尼Q 1提高了 三倍左右。图中，样品阻尼随着应变振幅的增加一直较为平滑的上升，样品在应变振幅为 5. 96 X 10 4后阻尼的上升的速度变快。Cu膜层改善TC4阻尼性能的机理主要分为两方面： 一方面Cu膜本身能够吸收一部分振动能量，Cu膜吸收能量的机理可以使用K-G-L位错钉 扎理论来进行解释，主要是靠 Cu材料内部位错来吸收能量；另一方面薄膜与基体材料之间 形成界面，样品振动时薄膜与基体之间通过界面的缺陷进行摩擦以及产生微塑性变形进而 耗散能量。当应变振幅小于5. 96X 10 4时，样品处于低应力状态，界面摩擦和变形都较小， 主要靠基体材料TC4和表面薄膜材料Cu的固有阻尼吸收能量，根据K-G-L模型的理论，Cu 层的点缺陷对位错进行钉扎，此时振幅的增大材料的阻尼上升并不明显。但当应力振幅达 到5. 96X 10 4, 一方面振幅增大引起界面变形，基体材料、薄膜材料以及两者反应的过渡区 产生摩擦，样品对振动时能量的耗损大大增加，样品的阻尼迅速上升；另一方面样品中的位 错脱钉，位错线在杂质原子处释放，材料的阻尼上升速度变快。
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