一种通过磁控溅射表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的方法

摘要

本发明公开了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，对TC4钛合金进行表面处理以提高阻尼性能,其特征在于,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。本发明通过磁控溅射技术在TC4合金表面形成一层厚度在纳米或微米数量级的薄膜。薄膜和基体之间的界面及界面附近的位错往往是薄膜材料中主要的阻尼源，振动时往往能够通过位错阻尼的机制耗散能量。将表面处理后的TC4合金与未处理的TC4合金的阻尼性能进行对比，TC4合金的阻尼系数为0.0034，通过磁控溅射表面处理技术可以有效地提高其阻尼系数，使TC4合金的阻尼性能提高3‑5倍。

权利要求

1.一种通过磁控溅射表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的方法，对TC4钛合金进行表面处理以提高阻尼性能，其特征在于，在TC4钛合金表面沉积纯金属Cu膜层、无机非金属薄膜SiO2膜层、金属化合物薄膜ZnO膜层或金属Ti/Au的双层膜层；选用适当靶材在磁控溅射设备采用溅射工艺参数在TC4样品上沉积表面膜，以改善TC4钛合金的阻尼性能；

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：射频磁控：

工作气压0.4Pa；功率900×0.2—1000×0.2伏安；偏压200V；Ar流量18-20sccm；

直流磁控：

工作气压0.5Pa；功率173×0.5伏安；偏压60V；Ar流量18-20sccm。

2.如权利要求1所述的通过磁控溅射表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的方法，其特征在于，所述靶材可为金属、无机非金属氧化物以及金属化合物。

3.如权利要求1所述的通过磁控溅射表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的方法，其特征在于，所述表面膜为单层膜或者复合膜层。

4.如权利要求2所述的通过磁控溅射表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的方法，其特征在于，所述金属包括Au、Cu、Ti；所述无机非金属氧化物包括：SiO2；所述金属化合物包括ZnO。

说明书

一种通过磁控溅射表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的

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。

背景技术

[0002] 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℃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。

[0003] 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

[0004] 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。

[0005] 本发明的目的是通过如下的手段实现的。

[0006] 一种通过磁控溅射表面处理提高TC4钛合金的阻尼性能的方法，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；

[0007] 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：

[0008] 射频磁控：

[0009] 工作气压0.4Pa；功率900×0.2—1000×0.2伏安；偏压200V；Ar流量18-20sccm；

[0010] 直流磁控：

[0011] 工作气压0.5Pa；功率175×0.5伏安；偏压60V；Ar流量18-20sccm。

[0012] 进一步的，所述靶材可为金属、无机非金属氧化物以及金属化合物。

[0013] 所述表面膜为单层膜或者复合膜层。

[0014] 所述金属包括Au、Cu、Ti；所述无机非金属氧化物包括：SiO2、B2O3；所述金属化合物包括ZnO、TiO2。

[0015] 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5.96×10-4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-4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5.96×10 ，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。

[0016] 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3×10-4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3×10-4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

[0017] 图1TC4表面沉积Cu层阻尼因子。

[0018] 图2TC4合金表面沉积SiO2薄膜层样品阻尼因子。

[0019] 图3TC4合金表面沉积ZnO薄膜层样品阻尼因子。

[0020] 图4TC4合金表面沉积Ti/Au膜阻尼测试结果图。

具体实施方式

[0021] 本发明的制备方法包括如下步骤：

[0022] (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。

[0023] 表1-1 TC4化学成分

[0024]

[0025] (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。

[0026] 表1-2磁控溅射镀膜工艺参数

[0027]

[0028] (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1.5mmx1.5mmx60mm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。

[0029] 实施例1：

[0030] TC4表面沉积Cu层样品阻尼实验参数如表2所示

[0031] 表2 TC4表面沉积Cu层样品阻尼实验参数

[0032]

[0033] 样品阻尼测试结果如图1所示。

[0034] 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5.96×10-4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5.96×10-4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5.96×10-4，一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。

[0035] 实施例2：

[0036] TC4合金表面沉积SiO2薄膜层样品阻尼实验参数如表3所示。

[0037] 表3 TC4合金表面沉积SiO2薄膜层样品阻尼实验参数

[0038]

[0039] 样品阻尼测试结果如图2所示。

[0040] 由图2可知，SiO2作为一种无机非金属薄膜沉积到TC4表面后在应变振幅ε达到10-3时，阻尼最大达到了0.011，比TC4固有阻尼提高了大约四倍。SiO2晶体结构是由一个Si原子和周围具有最小相等距离的四个O原子构成的正四面体结构，其中每个Si原子与四个O原子形成四个共价键的同时，每个O原子和两个Si原子也形成两个共价键，整个SiO2晶体是一种Si：O为1:2的比例所构成的立体网状结构。通过磁控溅射在基体表面射频溅射镀SiO2比通过金属靶材溅射镀膜的难度大，时间也更长，镀好的SiO2镀膜表面为无色，是一种微晶结构，整个膜层的厚度较薄，与界面的结合力都很好，膜层表面有致密的微突，且分布较为均匀，膜较为完成针孔和龟裂等缺陷都较少。因此在应变振幅处于4.36×10-4之前的阶段对阻尼贡献较大的为SiO2自身的微晶网状结构，由于其的微晶结构内部的晶粒细小，晶界数量较多，由于晶界的粘弹性可以在剪切应力下产生弛豫现象，晶界面的塑性流动导致应力松弛，进而产生阻尼，因此样品前阶段随着应变振幅的增加，阻尼的上升是很明显的。4.36×10-4之后的阶段由于SiO2和基体的结合度好，两者在磁控溅射中也没有发生反应生成其他的物质，两者之间的相互作用都较小，因此对阻尼的贡献不大，阻尼的上升比之前的平缓。

[0041] 实施例3：

[0042] TC4合金表面沉积ZnO薄膜层样品阻尼实验参数如表4所示。

[0043] 表4 TC4合金表面沉积ZnO薄膜层样品阻尼实验参数

[0044]

[0045] TC4合金表面沉积ZnO薄膜层样品阻尼测试结果如图3所示。

[0046] 在TC4表面沉积金属氧化物薄膜ZnO后样品的阻尼在应变振幅10-3时上升到0.0086左右，比TC4样品的阻尼提高了大约三倍。由图中曲线的走势来看，样品的阻尼在应变振幅增加的过程中一开始上升较快，但当阻尼在应变振幅为3.85×10-4达到一次阻尼峰值之后阻尼依然在上升，但其上升的趋势没有前阶段明显。

[0047] ZnO其结构是一种六角纤锌矿的结构，晶胞中的锌原子在中心位置与其距离最近且相等的四个氧原子组成四面体的结构。ZnO里有着较多的本征缺陷，比如结构中的大量Zn原子空隙、O原子的空位和大量杂质原子H的存在。在磁控溅射过程中，ZnO靶材的溅射存在的问题是O易逃逸，造成薄膜中Zn的含量多而O的含量少，薄膜中形成O原子空位增加造成薄膜缺陷，因此我们可以用点缺陷阻尼机制来解释该样品的实验结果。在应变振幅为3.85×10-4之前的阶段，阻尼上升较快是由于薄膜ZnO中大量的空位缺陷所致，在样品施加应力之前ZnO薄膜中的空位等点缺陷是在膜层中均匀分布的，施加应力之后，空位发生重排即产生了应力感生现象，从而消耗了振动的能量，阻尼在前期随着应变振幅的增加而上升较快；在应变振幅达到3.85×10-4，这阶段对阻尼的贡献便主要取决于薄膜层与基体之间的变形和摩擦了，由于磁控溅射镀ZnO膜层是膜层的厚度较薄，因此两者相互作用对阻尼的贡献是不大的。

[0048] 实施例4：

[0049] TC4表面沉积双层Ti/Au膜阻尼样品阻尼实验参数如表5所示。

[0050] 表5 TC4表面沉积双层Ti/Au膜阻尼样品阻尼实验参数

[0051]

[0052] TC4合金表面沉积Ti/Au膜阻尼测试结果如图4所示：

[0053] 由测试结果可知，TC4表面先镀Ti后镀Au形成双层薄膜材料后在应变振幅10-3时样品阻尼最高达到了0.0157，比TC4最高阻尼提高了约五倍。分析图4可得样品在随着应变振-4幅增加的过程中，从振幅达到3×10 时开始急速上升。

[0054] TC4合金基体首先在表面沉积了Ti膜，后面溅射Au与一部分的Ti发生反应形成了AuTi。因此Ti原子团在TC4表面是自由堆积的，因此影响了Ti/Au双层膜的结晶性和致密性，导致整个结构较为疏松结构中缺陷较多，这些缺陷都是振动中的阻尼源。其次，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3×10-4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，但这三种材料的固有阻尼很小，因此此时的样品阻尼并不明显，当应变振幅达到3×10-4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。