专利名称：：一种利用强脉冲离子束制备具有连续过渡层的镀层的方法
技术领域：
：本发明涉及一种镀层的制备方法，更具体的讲，涉及一种利用强脉冲离子束制备具有连续过渡层的镀层的方法。
背景技术：
：当前，民航涡轮风扇发动机低压涡轮单元体前端位于涡轮燃气流通道的零件(包括第3级涡轮转子叶片，导向叶片，内涵道与外涵道组件等大量零件)，工作温度为800-900°C，普遍涂复铝硅镀层，对零件表面进行热防护。民航涡轮风扇发动机的铝硅扩散镀层最初采用的是包埋扩散镀层工艺，该工艺是将发动机零件以包埋的方式放置于固态铝硅合金粉末中，然后在加热炉中进行加热，通过一系列化学反应使铝原子扩散到零件表面，在零件表面形成热防护层。此工艺的操作温度相对较高，容易引起零件变形，同时包埋固态粉末渗金属的工艺操作环境较差。随后，又发展出了离子气相沉积铝硅镀层工艺。目前已经发展了双层、多层和梯度热防护镀层。但是，由于基底与薄膜镀层的材料往往不相同，两者热学(例如热膨胀系数)和力学性质(例如杨氏模量)存在着不同程度的差异。在热和力的周期性作用下，由于在两者的界面上产生的热学性质和力学性质突变而失配，会在界面上产生很大的应变，使薄膜镀层在界面上容易开裂，使防护层失效。强流脉冲离子束亦称强脉冲离子束(Intensepulsedionbeam-IPIB)或称高功率离子束(Highpowerionbeam-HPIB)。离子能量达100_500keV，能量密度达0.5_5J/cm2的中，低功率的强脉冲离子束(IPIB)是一种材料表面改性的新技术，它是在核聚变推动下发展起来的。由于它的效率高，束流强，束斑大，作用时间短，它能在百万分之一秒内足以使固体材料表面熔融，再重新固化，从而使固体表面晶粒细化，甚至出现纳米晶粒，其深度达Iym左右，所以它只使材料表面改性而不伤及材料本身。迄今为止，强脉冲离子束技术已经成功地应用于辐照金属/非金属材料表面改性、薄膜沉积、材料表面清洗和纳米粉末制备等领域，使表面的硬度及其抗氧化、抗疲劳、耐磨、耐腐蚀的性能有所提高[1_12]。[1]V.A.Shulov,etal，ModificationofthePropertiesofAircraftEngineCompressorBladesbylntensePulsedIonBeams,SurfaceandCoatingTech.,1997,9639-44.[2]Y.Hashimato,etal,StudyonSmoothingofTitaniumSurfacebyIPIBIrradiation，Vacuum,2000，59:313_320.[3]H.Akamatsu,etal,SurfaceModificationofHigh-SpeedToolSteelbyRepeatedIrradiationsofIPIB,Jpn.J.Appl.Phys.2001,401083-1086.[4]H.Akamatsu,etal,NanocrystallizationofPureTitaniumSurfacebyIPIBIrradiation,Jpn.J.Appl.Phys.2002，41:399_404.[5]H.Akamatsu，etal,StructureAnalysisofaHighSpeedToolSteelIrradiationbyanIPIB，IEEETrans.PlasmaSci.2002，30:1800-1805.[6]X.X.Mei,etal,MicrostructureandWearResistanceofHigh-SpeedToolSteelTreatedwithlPIB,Nucl.Instr.AndMeth.inPhys.Res.B2005，239:152—158.
发明内容本发明的目的在于解决现有工艺中基底材料和镀层材料界面之间热膨胀系数不匹配的问题，提供一种能够制备具有连续过渡层的镀层的方法，以使不同材料在界面上的热膨胀系数能发生缓慢的连续变化，以克服在界面上的不匹配现象。本发明利用强脉冲离子束辐照工艺来制备具有连续过渡层的镀层，使两种或数种固体材料在界面上发生深度可达数百纳米至1μm左右的相互扩散，使基层与镀层材料在界面上的热膨胀系数及弹性模量只随基底与镀层元素在界面上的连续分布而发生缓慢的连续变化，因而不会突变而失配，这样在界面上就不会发生应力与应变的集中。本发明的利用强脉冲离子束制备具有连续过渡层的镀层的方法，按照下述步骤进行(1)对基底材料进行打磨、抛光、超声清洗；(2)利用磁控溅射法在基底材料上沉积镀层材料；(3)利用强脉冲离子束的一个脉冲辐照步骤(2)制备的样品，所述辐照工艺参数为强脉冲离子束的束流中含有数量百分比70%的质子和数量百分比30%的碳离子，加速电压脉冲为300-350kv，脉冲电流密度为30-50A/cm2，离子束能量为0.7-0.8J/cm2，一个脉冲的离子流为1-2XIO13个/cm2，脉冲宽度为50-70ns。所述的基底材料为金属镍或者金属铜，优选金属镍。所述的镀层材料为金属铝或者铝硅合金。所述的镀层材料优选铝硅合金，其中铝的质量百分比为93%_97%，硅的质量百分比为3%-7%。所述的镀层材料优选铝硅合金，其中铝的质量百分比为93%，硅的质量百分比为7%。所述的镀层材料优选铝与硅，其中铝的质量百分比为60%，硅的质量百分比为40%。所述利用强脉冲离子束辐照加工的工艺参数优选为强脉冲离子束的束流中含有数量百分比70%的质子和数量百分比30%的碳离子，加速电压脉冲为320-350kV，脉冲电流密度为40-50A/cm2，离子束能量为0.8J/cm2，一个脉冲的离子流为2X1013/Cm2，脉冲宽度为60-70ns。所述利用强脉冲离子束辐照加工的工艺参数优选为强脉冲离子束的束流中含有数量百分比70%的质子与数量百分比30%的碳离子，加速电压脉冲为300kV，脉冲电流密度为50A/cm2，离子束能量为0.8J/cm2，一个脉冲的离子流为2X1013/Cm2，脉冲宽度为50ns。所述利用强脉冲离子束辐照加工的工艺参数优选为强脉冲离子束的束流中含有数量百分比70%的质子和数量百分比30%的碳离子，加速电压脉冲为350kv，脉冲电流密度为40A/cm2，离子束能量为0.8J/cm2，一个脉冲的离子流为2X1013/Cm2，脉冲宽度为70ns。本发明选择磁控溅射方法进行镀层，可以采用铝硅合金靶(其中铝的质量百分比为93%-97%，硅的质量百分比为3%-7%)，也可以采用铝硅双靶进行溅射(可获得高的硅元素含量)。本发明选择适合的参数(选择“高电压小电流密度”脉冲，可制备较高质量的镀层)对样品进行辐照，利用强脉冲离子束效率高，束流强，束斑大，作用时间短，释放能量大的特点，使基底材料和镀层材料在界面上发生深度可达数百纳米至1μm左右的相互扩散，形成由内到外的“基地材料-基底材料与镀层材料互相扩散而发生连续分布的连续过渡层-镀层材料”的新结构镀层，使其在界面上的热膨胀系数及弹性模量只发生缓慢的连续变化，以克服在界面上的不匹配现象。图1本发明实施例1的SIMNRA分析模拟图。图2本发明实施例2的SIMNRA分析模拟图。图3本发明实施例3的SIMNRA分析模拟图。图4本发明实施例4的SIMNRA分析模拟图。在四张附图中，红色的线是经过SIMNRA软件分析后的模拟谱，另一个是实验测定的实验谱。具体实施例方式下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。本发明利用TEMP-6型加速器产生强脉冲离子束，其中大连理工大学材料学院表面工程实验室对其磁绝缘离子二极管(MID)作了改进，开发了高强度的单/双极模的脉冲离子源，每个脉冲所包含的离子数可高达2X103/Cm2，其加速电压脉冲可高达388kV。采用聚乙烯膜层的不锈钢阳极，它产生的束流中含有数量百分比为70%的质子与数量百分比为30%的碳离子。实施例1(1)选用金属镍为基底材料，先后使用1600#与2000#砂纸打磨，并在抛光机上抛至镜面，然后在丙酮中用超声清洗，在去离子水中冲洗后晾干。(2)利用磁控溅射法，在金属镍上沉积300nm厚的铝硅合金镀层材料，其中铝硅合金靶中铝的质量百分比为93%，硅的质量百分比为7%，薄膜镀层记作(Al-Si)/Ni。(3)利用强脉冲离子束的一个脉冲辐照上述的(Al_Si)/Ni样品，辐照工艺参数束流中含有数量百分比70%的质子与数量百分比30%的碳离子；脉冲加速电压为350kV；电流密度为40A/cm2；离子束能量为0.8J/cm2，一个脉冲的离子流为2X1013/Cm2，脉冲宽度为70nsο实施例2(1)选用金属镍为基底材料，先后使用1600#与2000#砂纸打磨，并在抛光机上抛至镜面，然后在丙酮中用超声清洗，在去离子水中冲洗后晾干。(2)利用磁控溅射法，在金属镍上沉积400nm厚的铝硅镀层材料，采用铝硅双靶共同溅射，薄膜镀层记作(Al-Si)/Ni。(3)利用强脉冲离子束的一个脉冲辐照上述的(Al_Si)/Ni样品，辐照工艺参数束流中含有数量百分比70%的质子与数量百分比30%的碳离子；加速电压为300kV;电流密度为50A/cm2；离子束能量为0.8J/cm2，一个脉冲的离子流为2X1013/Cm2，脉冲宽度为50nsο实施例3(1)选用金属铜为基底材料，先后使用1600#与2000#砂纸打磨，并在抛光机上抛至镜面，然后在丙酮中用超声清洗，在去离子水中冲洗后晾干。(2)利用磁控溅射法，在金属铜上沉积SOOnm厚的铝硅合金镀层材料，其中铝硅合金靶中铝的质量百分比为94%，硅的质量百分比为6%，薄膜涂层记作(Al-Si)/Cu。(3)利用强脉冲离子束的一个脉冲辐照上述的(Al_Si)/Cu样品，辐照工艺参数束流中含有数量百分比70%的质子与数量百分比30%的碳离子；加速电压为330kV;电流密度为45A/cm2；离子束能量为0.7J/cm2，一个脉冲的离子流为1X1013/Cm2，脉冲宽度为60nsο实施例4(1)选用金属镍为基底材料，先后使用1600#与2000#砂纸打磨，并在抛光机上抛至镜面，然后在丙酮中用超声清洗，在去离子水中冲洗后晾干。(2)利用磁控溅射法，在金属镍上沉积500nm厚的金属铝，薄膜镀层记作Al/Ni。(3)利用强脉冲离子束的一个脉冲辐照上述的Al/Ni样品，辐照工艺参数束流中含有数量百分比70%的质子与数量百分比30%的碳离子；加速电压为320kV；电流密度为40A/cm2；离子束能量为0.8J/cm2，一个脉冲的离子流为2X1013/Cm2，脉冲宽度为70ns。卢瑟福背散射谱学(RBS)是利用加速器产生的高能粒子束分析薄膜或近表面层化学组成的一种方法。其基本原理如下离子入射到待研究的材料样品上，被样品靶原子所散射，其中只有一小部分发生超过90度的偏转。收集并测量这些背散射离子的数目及能量，便可以对样品的化学成份及其深度分布做定量分析。此种方法因其以英国物理学家卢瑟福发现的α粒子散射及所推导的卢瑟福散射公式为基础而得名。当RBS谱中只含有一种元素时，该谱中处在道(channel)数最高的末端线接近垂直。元素越重，末端线所对应的道数就越高。当RBS中含有重量相差较大的数种元素时，就会出现数个垂直的阶梯。当这几种元素发生混合时，末端线就会倾斜，斜度越大，元素混合程度就越高。目前，RBS的数据处理基本采用模拟计算的方法，即给出一种实验条件和一个样品结构参数，就可以根据理论计算出一个能谱。当实验条件一定时，通过不断调整样品参数，使计算出的能谱与实验测量的能量谱重合，这样得到的样品结构参数，就是样品参数。SIMNRA程序就是这样被业内常用来分析处理RBS数据的一个模拟软件。本发明是在北京大学重离子物理研究所利用卢瑟福α-粒子背散射设备和SIMNRA软件来分析用本发明方法制备的具有连续过渡层的镀层样品的。在利用SIMNRA软件进行分析时，首先将实验参数在菜单Setup—Experiment中设置如下(由于该软件是业内通用英文版，为充分说明参数设定，在这里采用软件中的英文表达模式)Incident:4He>Energy(keV)-.2022.0GeometryincidentAngle(Deg)为0；ExitAngle(Deg)为15；ScatteringAngle(Deg)为165DetectorGeometry对话框中Incidentbeam:Diameterofincidentbeam(mm)为1.0;Shape为RectangularDetectoraperture:Diameterofdetectoraperture(mm)为5；Shape为Circular；Distance(sample-detectoraperture)(mm)为85Calibration!Quadraticterm(keV/ch^2)为0Energyresolution:DetectorResolution(keV)为25.000；Energyspreadofincidentbeam(keV)为2.0在设置Calibration中的CalibrationOffset、EnergyperChannel禾口Particles^sr时，需要根据入射粒子的能量和数据采集系统的设置进行调节。初始设置参数可以如下CalibrationOffset(keV)为30；EnergyperChannel(keV/ch)为4.19；Particles^sr为5.450E+11。设置样品参数=SIMNRA程序中样品是按层输入的。每层元素是均勻分布的，并假定界面没扩散。如果要研究扩散问题，需要将界面分成多层来处理。样品参数的输入在菜单中，Target—对话框，在此设置被测样品的层数；每层的厚度、所含元素的个数百分比。要进行模拟计算，首先要做能量刻度，即将道数转换成能量。根据已知能量的氦离子与已知样品发生背反射，氢离子的散射能量是已知的(或可以计算出来的)，来刻度实验使用的数据采集系统，得到道数与能量的关系。现在一般使用的已知样品(常称为标样)是多层膜=(Au-Y-Co)Au(0.8nm)/Y(Inm)/Co(0.8nm)/Si(衬底)。注上面括号内的值是样品制备时给出的。该样品实际上形成一个四元的合金层，其原子百分比的参考值如下——Au0.025；Y0.052；Co0.033；Si0.890；合金层厚度约为160X1015atoms/cm2能量刻度的基本步骤如下a读入标样谱(或已知的被散射能谱)；b将上面的参数填入“样品参数target”中；c调整参数Particles*^，使模拟谱与实验谱在衬底前端的高度基本重合；调整参数CalibrationOffset(keV)和EnergyperChannel(keV/ch)，使模拟谱与实验谱中的已知元素的位置基本重合。注参数CalibrationOffset(keV)和EnergyperChannel(keV/ch)在一次实验中不变，参数Particles*sr可对每个样品都不同。利用SIMNRA软件进行样品拟合过程首先读入待测样品的RBS谱，设置实验参数。其次，经过反复计算、调整样品参数、比较模拟谱和实验谱，使模拟谱与实验谱重合(在低道数处允许有一定的差值，因为卢瑟福背散射对于很轻的原子，例如比碳与硼更轻的原子就会发生偏差)。Target菜单打开的对话框中最后存在的数值就是模拟结果。利用上述参数设定和模拟过程，对实施例1-4的连续过渡层的微结构进行表征。实施例1经过调整样品结构参数，SIMNRA软件的模拟谱与实验谱重合，如说明书附图1所示，连续过渡层的各层参数的结果如下表所示(即Target菜单打开的对话框中最后存在的数值)Al数量百分Si数量百分比~层数Ni数量百分比(％)厚度(1015atOmS/Cm2)比(％)(%)1(涂层)93707602(过渡层)80515340<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>实施例2经过调整样品结构参数，SIMNRA软件的模拟谱与实验谱重合，如说明书附图2所示，连续过渡层的各层参数的结果如下表所示(Target菜单打开的对话框中最后存在的数值)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>实施例3经过调整样品结构参数，SIMNRA软件的模拟谱与实验谱重合，如说明书附图3所示，连续过渡层的各层参数的结果如下表所示(Target菜单打开的对话框中最后存在的数值)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>实施例4经过调整样品结构参数，SIMNRA软件的模拟谱与实验谱重合，如说明书附图4所示，连续过渡层的各层参数的结果如下表所示(Target菜单打开的对话框中最后存在的数值)由上述实施例的卢瑟福背散射测量结果证实了样品的界面上存在着连续变化的过渡层，并通过SIMNRA软件给出了该过渡层的具体的微结构。可以看出，利用本发明的方法可以实现连续过渡层的制备，这样，在材料界面之间就形成了由内到外的“基底材料_基底材料与镀层材料相互扩散而发生连续分布的连续过渡层_镀层材料”的新结构镀层，使其在界面上的热膨胀系数及弹性模量只发生缓慢的连续变化，以克服在界面上的不匹配现象。本专利所发明的连续过渡层才能克服零件(基底)与镀层在界面上的失配。这是国际首创。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。权利要求一种利用强脉冲离子束制备具有连续过渡层的镀层的方法，其特征在于，按照下述步骤进行(1)对基底材料进行打磨、抛光、超声清洗；(2)利用磁控溅射法在基底材料上沉积镀层材料；(3)利用强脉冲离子束的一个脉冲辐照步骤(2)制备的样品，所述辐照工艺参数为强脉冲离子束的束流中含有数量百分比70％的质子和数量百分比30％的碳离子，加速电压脉冲为300-350kv，脉冲电流密度为30-50A/cm2，离子束能量为0.7-0.8J/cm2，一个脉冲的离子流为1-2×1013个/cm2，脉冲宽度为50-70ns；所述的基底材料为金属镍或者金属铜；所述的镀层材料为金属铝或者铝硅合金。2.根据权利要求1所述的一种利用强脉冲离子束制备具有连续过渡层的镀层的方法，其特征在于，所述利用强脉冲离子束辐照加工的工艺参数为强脉冲离子束的束流中含有数量百分比70%的质子和数量百分比30%的碳离子，加速电压脉冲为320-350kv，脉冲电流密度为40-50A/cm2，离子束能量为0.8J/cm2，一个脉冲的离子流为2X1013/Cm2，脉冲宽度为60-70ns。3.根据权利要求1所述的一种利用强脉冲离子束制备具有连续过渡层的镀层的方法，其特征在于，所述的基底材料为金属镍；所述的镀层材料为铝硅合金，其中铝的质量百分比为93%-97%，硅的质量百分比为3%-7%。4.根据权利要求1所述的一种利用强脉冲离子束制备具有连续过渡层的镀层的方法，其特征在于，所述的基底材料为金属镍；所述的镀层材料为铝与硅，其中铝的质量百分比为60%，硅的质量百分比为40%；所述利用强脉冲离子束辐照加工的工艺参数为强脉冲离子束的束流中含有数量百分比70%的质子与数量百分比30%的碳离子，加速电压脉冲为300kV，脉冲电流密度为50A/cm2，离子束能量为0.8J/cm2，一个脉冲的离子流为2X1013/cm2，脉冲宽度为50ns。5.根据权利要求1所述的一种利用强脉冲离子束制备具有连续过渡层的镀层的方法，其特征在于，所述的基底材料为金属镍；所述的镀层材料为铝硅合金，其中铝的质量百分比为93%，硅的质量百分比为7%；所述利用强脉冲离子束辐照加的工艺参数为强脉冲离子束的束流中含有数量百分比70%的质子和数量百分比30%的碳离子，加速电压脉冲为350kV，脉冲电流密度为40A/cm2，离子束能量为0.8J/cm2，一个脉冲的离子流为2XIO13/cm2，脉冲宽度为70ns。全文摘要本发明公开了一种利用强脉冲离子束制备具有连续过渡层的镀层的方法，按照下述步骤进行(1)对基底材料进行打磨、抛光、超声清洗；(2)利用磁控溅射法在基底材料上沉积镀层材料；(3)利用强脉冲离子束的一个脉冲辐照步骤(2)制备的样品。本发明的辐照工艺选择适合的参数对样品进行辐照，利用强脉冲离子束效率高，束流强，束斑大，作用时间短，释放能量大的特点，使基底材料和镀层材料在界面上发生深度可达数百纳米至1μm左右的相互扩散，形成由内到外的“基底材料-基底材料元素与镀层材料元素组成的连续分布的连续过渡层-镀层材料”的新结构镀层，使不同材料在界面上的热学(包括热膨胀系数)与力学(包括杨氏模量)性质能发生缓慢的连续变化，以克服在界面上的不匹配现象。文档编号C23C14/35GK101818325SQ20101014958公开日2010年9月1日申请日期2010年4月19日优先权日2010年4月19日发明者乐小云,刘冶,张艳燕,张鹏,梁家昌,王志平,胡雪兰,荣翠华,陈悦,陈逸飞,颜莎申请人:中国民航大学