專利名稱：：一種利用強脈沖離子束制備具有連續(xù)過渡層的鍍層的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種鍍層的制備方法，更具體的講，涉及一種利用強脈沖離子束制備具有連續(xù)過渡層的鍍層的方法。
背景技術：
：當前，民航渦輪風扇發(fā)動機低壓渦輪單元體前端位于渦輪燃氣流通道的零件(包括第3級渦輪轉子葉片，導向葉片，內涵道與外涵道組件等大量零件)，工作溫度為800-900°C，普遍涂復鋁硅鍍層，對零件表面進行熱防護。民航渦輪風扇發(fā)動機的鋁硅擴散鍍層最初采用的是包埋擴散鍍層工藝，該工藝是將發(fā)動機零件以包埋的方式放置于固態(tài)鋁硅合金粉末中，然后在加熱爐中進行加熱，通過一系列化學反應使鋁原子擴散到零件表面，在零件表面形成熱防護層。此工藝的操作溫度相對較高，容易引起零件變形，同時包埋固態(tài)粉末滲金屬的工藝操作環(huán)境較差。隨后，又發(fā)展出了離子氣相沉積鋁硅鍍層工藝。目前已經發(fā)展了雙層、多層和梯度熱防護鍍層。但是，由于基底與薄膜鍍層的材料往往不相同，兩者熱學(例如熱膨脹系數(shù))和力學性質(例如楊氏模量)存在著不同程度的差異。在熱和力的周期性作用下，由于在兩者的界面上產生的熱學性質和力學性質突變而失配，會在界面上產生很大的應變，使薄膜鍍層在界面上容易開裂，使防護層失效。強流脈沖離子束亦稱強脈沖離子束(Intensepulsedionbeam-IPIB)或稱高功率離子束(Highpowerionbeam-HPIB)。離子能量達100_500keV，能量密度達0.5_5J/cm2的中，低功率的強脈沖離子束(IPIB)是一種材料表面改性的新技術，它是在核聚變推動下發(fā)展起來的。由于它的效率高，束流強，束斑大，作用時間短，它能在百萬分之一秒內足以使固體材料表面熔融，再重新固化，從而使固體表面晶粒細化，甚至出現(xiàn)納米晶粒，其深度達Iym左右，所以它只使材料表面改性而不傷及材料本身。迄今為止，強脈沖離子束技術已經成功地應用于輻照金屬/非金屬材料表面改性、薄膜沉積、材料表面清洗和納米粉末制備等領域，使表面的硬度及其抗氧化、抗疲勞、耐磨、耐腐蝕的性能有所提高[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.
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有工藝中基底材料和鍍層材料界面之間熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，提供一種能夠制備具有連續(xù)過渡層的鍍層的方法，以使不同材料在界面上的熱膨脹系數(shù)能發(fā)生緩慢的連續(xù)變化，以克服在界面上的不匹配現(xiàn)象。本發(fā)明利用強脈沖離子束輻照工藝來制備具有連續(xù)過渡層的鍍層，使兩種或數(shù)種固體材料在界面上發(fā)生深度可達數(shù)百納米至1μm左右的相互擴散，使基層與鍍層材料在界面上的熱膨脹系數(shù)及彈性模量只隨基底與鍍層元素在界面上的連續(xù)分布而發(fā)生緩慢的連續(xù)變化，因而不會突變而失配，這樣在界面上就不會發(fā)生應力與應變的集中。本發(fā)明的利用強脈沖離子束制備具有連續(xù)過渡層的鍍層的方法，按照下述步驟進行(1)對基底材料進行打磨、拋光、超聲清洗；(2)利用磁控濺射法在基底材料上沉積鍍層材料；(3)利用強脈沖離子束的一個脈沖輻照步驟(2)制備的樣品，所述輻照工藝參數(shù)為強脈沖離子束的束流中含有數(shù)量百分比70%的質子和數(shù)量百分比30%的碳離子，加速電壓脈沖為300-350kv，脈沖電流密度為30-50A/cm2，離子束能量為0.7-0.8J/cm2，一個脈沖的離子流為1-2XIO13個/cm2，脈沖寬度為50-70ns。所述的基底材料為金屬鎳或者金屬銅，優(yōu)選金屬鎳。所述的鍍層材料為金屬鋁或者鋁硅合金。所述的鍍層材料優(yōu)選鋁硅合金，其中鋁的質量百分比為93%_97%，硅的質量百分比為3%-7%。所述的鍍層材料優(yōu)選鋁硅合金，其中鋁的質量百分比為93%，硅的質量百分比為7%。所述的鍍層材料優(yōu)選鋁與硅，其中鋁的質量百分比為60%，硅的質量百分比為40%。所述利用強脈沖離子束輻照加工的工藝參數(shù)優(yōu)選為強脈沖離子束的束流中含有數(shù)量百分比70%的質子和數(shù)量百分比30%的碳離子，加速電壓脈沖為320-350kV，脈沖電流密度為40-50A/cm2，離子束能量為0.8J/cm2，一個脈沖的離子流為2X1013/Cm2，脈沖寬度為60-70ns。所述利用強脈沖離子束輻照加工的工藝參數(shù)優(yōu)選為強脈沖離子束的束流中含有數(shù)量百分比70%的質子與數(shù)量百分比30%的碳離子，加速電壓脈沖為300kV，脈沖電流密度為50A/cm2，離子束能量為0.8J/cm2，一個脈沖的離子流為2X1013/Cm2，脈沖寬度為50ns。所述利用強脈沖離子束輻照加工的工藝參數(shù)優(yōu)選為強脈沖離子束的束流中含有數(shù)量百分比70%的質子和數(shù)量百分比30%的碳離子，加速電壓脈沖為350kv，脈沖電流密度為40A/cm2，離子束能量為0.8J/cm2，一個脈沖的離子流為2X1013/Cm2，脈沖寬度為70ns。本發(fā)明選擇磁控濺射方法進行鍍層，可以采用鋁硅合金靶(其中鋁的質量百分比為93%-97%，硅的質量百分比為3%-7%)，也可以采用鋁硅雙靶進行濺射(可獲得高的硅元素含量)。本發(fā)明選擇適合的參數(shù)(選擇“高電壓小電流密度”脈沖，可制備較高質量的鍍層)對樣品進行輻照，利用強脈沖離子束效率高，束流強，束斑大，作用時間短，釋放能量大的特點，使基底材料和鍍層材料在界面上發(fā)生深度可達數(shù)百納米至1μm左右的相互擴散，形成由內到外的“基地材料-基底材料與鍍層材料互相擴散而發(fā)生連續(xù)分布的連續(xù)過渡層-鍍層材料”的新結構鍍層，使其在界面上的熱膨脹系數(shù)及彈性模量只發(fā)生緩慢的連續(xù)變化，以克服在界面上的不匹配現(xiàn)象。圖1本發(fā)明實施例1的SIMNRA分析模擬圖。圖2本發(fā)明實施例2的SIMNRA分析模擬圖。圖3本發(fā)明實施例3的SIMNRA分析模擬圖。圖4本發(fā)明實施例4的SIMNRA分析模擬圖。在四張附圖中，紅色的線是經過SIMNRA軟件分析后的模擬譜，另一個是實驗測定的實驗譜。具體實施例方式下面結合具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術方案。本發(fā)明利用TEMP-6型加速器產生強脈沖離子束，其中大連理工大學材料學院表面工程實驗室對其磁絕緣離子二極管(MID)作了改進，開發(fā)了高強度的單/雙極模的脈沖離子源，每個脈沖所包含的離子數(shù)可高達2X103/Cm2，其加速電壓脈沖可高達388kV。采用聚乙烯膜層的不銹鋼陽極，它產生的束流中含有數(shù)量百分比為70%的質子與數(shù)量百分比為30%的碳離子。實施例1(1)選用金屬鎳為基底材料，先后使用1600#與2000#砂紙打磨，并在拋光機上拋至鏡面，然后在丙酮中用超聲清洗，在去離子水中沖洗后晾干。(2)利用磁控濺射法，在金屬鎳上沉積300nm厚的鋁硅合金鍍層材料，其中鋁硅合金靶中鋁的質量百分比為93%，硅的質量百分比為7%，薄膜鍍層記作(Al-Si)/Ni。(3)利用強脈沖離子束的一個脈沖輻照上述的(Al_Si)/Ni樣品，輻照工藝參數(shù)束流中含有數(shù)量百分比70%的質子與數(shù)量百分比30%的碳離子；脈沖加速電壓為350kV；電流密度為40A/cm2；離子束能量為0.8J/cm2，一個脈沖的離子流為2X1013/Cm2，脈沖寬度為70nsο實施例2(1)選用金屬鎳為基底材料，先后使用1600#與2000#砂紙打磨，并在拋光機上拋至鏡面，然后在丙酮中用超聲清洗，在去離子水中沖洗后晾干。(2)利用磁控濺射法，在金屬鎳上沉積400nm厚的鋁硅鍍層材料，采用鋁硅雙靶共同濺射，薄膜鍍層記作(Al-Si)/Ni。(3)利用強脈沖離子束的一個脈沖輻照上述的(Al_Si)/Ni樣品，輻照工藝參數(shù)束流中含有數(shù)量百分比70%的質子與數(shù)量百分比30%的碳離子；加速電壓為300kV;電流密度為50A/cm2；離子束能量為0.8J/cm2，一個脈沖的離子流為2X1013/Cm2，脈沖寬度為50nsο實施例3(1)選用金屬銅為基底材料，先后使用1600#與2000#砂紙打磨，并在拋光機上拋至鏡面，然后在丙酮中用超聲清洗，在去離子水中沖洗后晾干。(2)利用磁控濺射法，在金屬銅上沉積SOOnm厚的鋁硅合金鍍層材料，其中鋁硅合金靶中鋁的質量百分比為94%，硅的質量百分比為6%，薄膜涂層記作(Al-Si)/Cu。(3)利用強脈沖離子束的一個脈沖輻照上述的(Al_Si)/Cu樣品，輻照工藝參數(shù)束流中含有數(shù)量百分比70%的質子與數(shù)量百分比30%的碳離子；加速電壓為330kV;電流密度為45A/cm2；離子束能量為0.7J/cm2，一個脈沖的離子流為1X1013/Cm2，脈沖寬度為60nsο實施例4(1)選用金屬鎳為基底材料，先后使用1600#與2000#砂紙打磨，并在拋光機上拋至鏡面，然后在丙酮中用超聲清洗，在去離子水中沖洗后晾干。(2)利用磁控濺射法，在金屬鎳上沉積500nm厚的金屬鋁，薄膜鍍層記作Al/Ni。(3)利用強脈沖離子束的一個脈沖輻照上述的Al/Ni樣品，輻照工藝參數(shù)束流中含有數(shù)量百分比70%的質子與數(shù)量百分比30%的碳離子；加速電壓為320kV；電流密度為40A/cm2；離子束能量為0.8J/cm2，一個脈沖的離子流為2X1013/Cm2，脈沖寬度為70ns。盧瑟福背散射譜學(RBS)是利用加速器產生的高能粒子束分析薄膜或近表面層化學組成的一種方法。其基本原理如下離子入射到待研究的材料樣品上，被樣品靶原子所散射，其中只有一小部分發(fā)生超過90度的偏轉。收集并測量這些背散射離子的數(shù)目及能量，便可以對樣品的化學成份及其深度分布做定量分析。此種方法因其以英國物理學家盧瑟福發(fā)現(xiàn)的α粒子散射及所推導的盧瑟福散射公式為基礎而得名。當RBS譜中只含有一種元素時，該譜中處在道(channel)數(shù)最高的末端線接近垂直。元素越重，末端線所對應的道數(shù)就越高。當RBS中含有重量相差較大的數(shù)種元素時，就會出現(xiàn)數(shù)個垂直的階梯。當這幾種元素發(fā)生混合時，末端線就會傾斜，斜度越大，元素混合程度就越高。目前，RBS的數(shù)據處理基本采用模擬計算的方法，即給出一種實驗條件和一個樣品結構參數(shù)，就可以根據理論計算出一個能譜。當實驗條件一定時，通過不斷調整樣品參數(shù)，使計算出的能譜與實驗測量的能量譜重合，這樣得到的樣品結構參數(shù)，就是樣品參數(shù)。SIMNRA程序就是這樣被業(yè)內常用來分析處理RBS數(shù)據的一個模擬軟件。本發(fā)明是在北京大學重離子物理研究所利用盧瑟福α-粒子背散射設備和SIMNRA軟件來分析用本發(fā)明方法制備的具有連續(xù)過渡層的鍍層樣品的。在利用SIMNRA軟件進行分析時，首先將實驗參數(shù)在菜單Setup—Experiment中設置如下(由于該軟件是業(yè)內通用英文版，為充分說明參數(shù)設定，在這里采用軟件中的英文表達模式)Incident:4He>Energy(keV)-.2022.0GeometryincidentAngle(Deg)為0；ExitAngle(Deg)為15；ScatteringAngle(Deg)為165DetectorGeometry對話框中Incidentbeam:Diameterofincidentbeam(mm)為1.0;Shape為RectangularDetectoraperture:Diameterofdetectoraperture(mm)為5；Shape為Circular；Distance(sample-detectoraperture)(mm)為85Calibration!Quadraticterm(keV/ch^2)為0Energyresolution:DetectorResolution(keV)為25.000；Energyspreadofincidentbeam(keV)為2.0在設置Calibration中的CalibrationOffset、EnergyperChannel禾口Particles^sr時，需要根據入射粒子的能量和數(shù)據采集系統(tǒng)的設置進行調節(jié)。初始設置參數(shù)可以如下CalibrationOffset(keV)為30；EnergyperChannel(keV/ch)為4.19；Particles^sr為5.450E+11。設置樣品參數(shù)=SIMNRA程序中樣品是按層輸入的。每層元素是均勻分布的，并假定界面沒擴散。如果要研究擴散問題，需要將界面分成多層來處理。樣品參數(shù)的輸入在菜單中，Target—對話框，在此設置被測樣品的層數(shù)；每層的厚度、所含元素的個數(shù)百分比。要進行模擬計算，首先要做能量刻度，即將道數(shù)轉換成能量。根據已知能量的氦離子與已知樣品發(fā)生背反射，氫離子的散射能量是已知的(或可以計算出來的)，來刻度實驗使用的數(shù)據采集系統(tǒng)，得到道數(shù)與能量的關系?，F(xiàn)在一般使用的已知樣品(常稱為標樣)是多層膜=(Au-Y-Co)Au(0.8nm)/Y(Inm)/Co(0.8nm)/Si(襯底)。注上面括號內的值是樣品制備時給出的。該樣品實際上形成一個四元的合金層，其原子百分比的參考值如下——Au0.025；Y0.052；Co0.033；Si0.890；合金層厚度約為160X1015atoms/cm2能量刻度的基本步驟如下a讀入標樣譜(或已知的被散射能譜)；b將上面的參數(shù)填入“樣品參數(shù)target”中；c調整參數(shù)Particles*^，使模擬譜與實驗譜在襯底前端的高度基本重合；調整參數(shù)CalibrationOffset(keV)和EnergyperChannel(keV/ch)，使模擬譜與實驗譜中的已知元素的位置基本重合。注參數(shù)CalibrationOffset(keV)和EnergyperChannel(keV/ch)在一次實驗中不變，參數(shù)Particles*sr可對每個樣品都不同。利用SIMNRA軟件進行樣品擬合過程首先讀入待測樣品的RBS譜，設置實驗參數(shù)。其次，經過反復計算、調整樣品參數(shù)、比較模擬譜和實驗譜，使模擬譜與實驗譜重合(在低道數(shù)處允許有一定的差值，因為盧瑟福背散射對于很輕的原子，例如比碳與硼更輕的原子就會發(fā)生偏差)。Target菜單打開的對話框中最后存在的數(shù)值就是模擬結果。利用上述參數(shù)設定和模擬過程，對實施例1-4的連續(xù)過渡層的微結構進行表征。實施例1經過調整樣品結構參數(shù)，SIMNRA軟件的模擬譜與實驗譜重合，如說明書附圖1所示，連續(xù)過渡層的各層參數(shù)的結果如下表所示(即Target菜單打開的對話框中最后存在的數(shù)值)Al數(shù)量百分Si數(shù)量百分比~層數(shù)Ni數(shù)量百分比(％)厚度(1015atOmS/Cm2)比(％)(%)1(涂層)93707602(過渡層)80515340<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例2經過調整樣品結構參數(shù)，SIMNRA軟件的模擬譜與實驗譜重合，如說明書附圖2所示，連續(xù)過渡層的各層參數(shù)的結果如下表所示(Target菜單打開的對話框中最后存在的數(shù)值)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例3經過調整樣品結構參數(shù)，SIMNRA軟件的模擬譜與實驗譜重合，如說明書附圖3所示，連續(xù)過渡層的各層參數(shù)的結果如下表所示(Target菜單打開的對話框中最后存在的數(shù)值)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實施例4經過調整樣品結構參數(shù)，SIMNRA軟件的模擬譜與實驗譜重合，如說明書附圖4所示，連續(xù)過渡層的各層參數(shù)的結果如下表所示(Target菜單打開的對話框中最后存在的數(shù)值)由上述實施例的盧瑟福背散射測量結果證實了樣品的界面上存在著連續(xù)變化的過渡層，并通過SIMNRA軟件給出了該過渡層的具體的微結構。可以看出，利用本發(fā)明的方法可以實現(xiàn)連續(xù)過渡層的制備，這樣，在材料界面之間就形成了由內到外的“基底材料_基底材料與鍍層材料相互擴散而發(fā)生連續(xù)分布的連續(xù)過渡層_鍍層材料”的新結構鍍層，使其在界面上的熱膨脹系數(shù)及彈性模量只發(fā)生緩慢的連續(xù)變化，以克服在界面上的不匹配現(xiàn)象。本專利所發(fā)明的連續(xù)過渡層才能克服零件(基底)與鍍層在界面上的失配。這是國際首創(chuàng)。以上對本發(fā)明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創(chuàng)造性勞動的等同替換均落入本發(fā)明的保護范圍。權利要求一種利用強脈沖離子束制備具有連續(xù)過渡層的鍍層的方法，其特征在于，按照下述步驟進行(1)對基底材料進行打磨、拋光、超聲清洗；(2)利用磁控濺射法在基底材料上沉積鍍層材料；(3)利用強脈沖離子束的一個脈沖輻照步驟(2)制備的樣品，所述輻照工藝參數(shù)為強脈沖離子束的束流中含有數(shù)量百分比70％的質子和數(shù)量百分比30％的碳離子，加速電壓脈沖為300-350kv，脈沖電流密度為30-50A/cm2，離子束能量為0.7-0.8J/cm2，一個脈沖的離子流為1-2×1013個/cm2，脈沖寬度為50-70ns；所述的基底材料為金屬鎳或者金屬銅；所述的鍍層材料為金屬鋁或者鋁硅合金。2.根據權利要求1所述的一種利用強脈沖離子束制備具有連續(xù)過渡層的鍍層的方法，其特征在于，所述利用強脈沖離子束輻照加工的工藝參數(shù)為強脈沖離子束的束流中含有數(shù)量百分比70%的質子和數(shù)量百分比30%的碳離子，加速電壓脈沖為320-350kv，脈沖電流密度為40-50A/cm2，離子束能量為0.8J/cm2，一個脈沖的離子流為2X1013/Cm2，脈沖寬度為60-70ns。3.根據權利要求1所述的一種利用強脈沖離子束制備具有連續(xù)過渡層的鍍層的方法，其特征在于，所述的基底材料為金屬鎳；所述的鍍層材料為鋁硅合金，其中鋁的質量百分比為93%-97%，硅的質量百分比為3%-7%。4.根據權利要求1所述的一種利用強脈沖離子束制備具有連續(xù)過渡層的鍍層的方法，其特征在于，所述的基底材料為金屬鎳；所述的鍍層材料為鋁與硅，其中鋁的質量百分比為60%，硅的質量百分比為40%；所述利用強脈沖離子束輻照加工的工藝參數(shù)為強脈沖離子束的束流中含有數(shù)量百分比70%的質子與數(shù)量百分比30%的碳離子，加速電壓脈沖為300kV，脈沖電流密度為50A/cm2，離子束能量為0.8J/cm2，一個脈沖的離子流為2X1013/cm2，脈沖寬度為50ns。5.根據權利要求1所述的一種利用強脈沖離子束制備具有連續(xù)過渡層的鍍層的方法，其特征在于，所述的基底材料為金屬鎳；所述的鍍層材料為鋁硅合金，其中鋁的質量百分比為93%，硅的質量百分比為7%；所述利用強脈沖離子束輻照加的工藝參數(shù)為強脈沖離子束的束流中含有數(shù)量百分比70%的質子和數(shù)量百分比30%的碳離子，加速電壓脈沖為350kV，脈沖電流密度為40A/cm2，離子束能量為0.8J/cm2，一個脈沖的離子流為2XIO13/cm2，脈沖寬度為70ns。全文摘要本發(fā)明公開了一種利用強脈沖離子束制備具有連續(xù)過渡層的鍍層的方法，按照下述步驟進行(1)對基底材料進行打磨、拋光、超聲清洗；(2)利用磁控濺射法在基底材料上沉積鍍層材料；(3)利用強脈沖離子束的一個脈沖輻照步驟(2)制備的樣品。本發(fā)明的輻照工藝選擇適合的參數(shù)對樣品進行輻照，利用強脈沖離子束效率高，束流強，束斑大，作用時間短，釋放能量大的特點，使基底材料和鍍層材料在界面上發(fā)生深度可達數(shù)百納米至1μm左右的相互擴散，形成由內到外的“基底材料-基底材料元素與鍍層材料元素組成的連續(xù)分布的連續(xù)過渡層-鍍層材料”的新結構鍍層，使不同材料在界面上的熱學(包括熱膨脹系數(shù))與力學(包括楊氏模量)性質能發(fā)生緩慢的連續(xù)變化，以克服在界面上的不匹配現(xiàn)象。文檔編號C23C14/35GK101818325SQ20101014958公開日2010年9月1日申請日期2010年4月19日優(yōu)先權日2010年4月19日發(fā)明者樂小云,劉冶,張艷燕,張鵬,梁家昌,王志平,胡雪蘭,榮翠華,陳悅,陳逸飛,顏莎申請人:中國民航大學