本發(fā)明涉及一種風電金屬組件表面合金膜及其處理方法和應用，屬于材料表面處理。

背景技術(shù)：

1、風電金屬組件，作為風力發(fā)電系統(tǒng)的核心構(gòu)成部分，承載著將風能轉(zhuǎn)化為電能的重要使命。這些組件不僅需要具備極高的耐磨性與抗變形能力，以應對嚴苛的自然環(huán)境挑戰(zhàn)，還需具備優(yōu)秀的抗腐蝕性能，以確保在長期運行中保持穩(wěn)定的性能。在風電設(shè)備中，金屬組件的種類繁多，功能各異。例如，風力機的塔筒和主軸，作為支撐整個風力機組的龐大結(jié)構(gòu)，需要采用高強度、高剛性的金屬材料制成，以確保其穩(wěn)定地矗立于地面之上，抵抗強風、地震等自然災害的侵襲。同時，機艙和葉片支架等金屬組件，則需要具備良好的氣動性能和減震能力，以確保風力機在運行時能夠高效、穩(wěn)定地捕獲風能。風電金屬組件的制造和維護，需要高度的技術(shù)水平和嚴格的質(zhì)量控制。通過精確的設(shè)計和精細的制造，這些金屬組件能夠在風力發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為人類提供源源不斷的清潔能源。

2、風電金屬組件作為風力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，正面臨著耐環(huán)境腐蝕、耐磨以及抗變形能力等多方面的挑戰(zhàn)。隨著風力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，對金屬組件的性能要求也日益提高。一方面耐環(huán)境腐蝕是風電金屬組件面臨的一大難題。由于風力發(fā)電站多建設(shè)在海邊、沙漠等惡劣環(huán)境中，金屬組件長期暴露于高濕度、高鹽分等腐蝕性環(huán)境中，容易出現(xiàn)銹蝕、腐蝕等問題，嚴重影響其使用壽命和安全性。另一方面，耐磨性能也是風電金屬組件需要改進的關(guān)鍵點。風力機在運行過程中，金屬組件會受到風沙、雨滴等自然力的沖刷和磨損，如果耐磨性能不足，會導致組件表面損壞、性能下降，甚至引發(fā)故障。最后，抗變形能力也是風電金屬組件需要重點關(guān)注的問題。風力機在運行時，金屬組件需要承受復雜的風力載荷和振動，如果抗變形能力不足，會導致組件變形、失效，嚴重影響風力機的穩(wěn)定性和安全性。

3、因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需研究耐環(huán)境腐蝕、耐磨、抗變形的表面處理方法，用以風電金屬組件在復雜工況下由環(huán)境腐蝕、磨損以及變形等引起的失效問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種風電金屬組件表面合金膜，該合金膜具有耐環(huán)境腐蝕、耐磨、抗變形的特性。

2、同時，本發(fā)明提供一種風電金屬組件表面合金膜的處理方法，該法通過超聲噴丸、交替濺射和分段梯度熱處理協(xié)同作用，制備獲得了冶金擴散結(jié)合的、具有高硬度、強耐磨特性、耐環(huán)境腐蝕特性、不易剝落的多層膜。

3、同時，本發(fā)明提供一種風電金屬組件表面合金膜在惡劣環(huán)境風力發(fā)電站中的應用，惡劣環(huán)境包括海邊、沙漠。

4、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

5、一種風電金屬組件表面合金膜，包括在風電金屬組件表面冶金擴散結(jié)合的tanbw（鉭鈮鎢）層和tivcr（鈦釩鉻）層交替的多層結(jié)構(gòu)。

6、優(yōu)選地，風電金屬組件包括風電主軸、風電軸承、風電塔筒、風電機艙或風電葉片支架。

7、優(yōu)選地，tanbw層和tivcr層為fcc（面心立方結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)，呈(111)晶面生長。

8、優(yōu)選地，tanbw層和tivcr層的單層膜厚為7.5~10nm，各60層，所獲得的多層結(jié)構(gòu)總厚度為900~1200nm。

9、一種風電金屬組件表面合金膜的處理方法，包括以下步驟：

10、s1，表面清潔：選取需要處理的風電金屬組件，將其表面進行清洗去除污漬，隨后陰干待用；

11、s2，表面預處理：將s1清潔后的風電金屬組件進行表面超聲噴丸處理，噴丸過程中，超聲以振幅25~35μm、頻率20~30khz進行正弦-余弦-正弦交替變幅變頻超聲，其中首次正弦變幅變頻超聲為1/4t，t為總超聲時間，余弦變幅變頻超聲為1/2t，末次正弦變幅變頻超聲為1/4t；

12、s3，表面濺射：將s2表面超聲噴丸后的風電金屬組件采用雙靶磁控共濺射制備tanbw層和tivcr層交替的多層結(jié)構(gòu)；

13、s4，分段梯度熱處理：將s3表面處理后的風電金屬組件置于加熱爐盤中，于5~8℃/min加熱至600~620℃保溫1~1.5h，隨后以3~5℃/min冷卻至450~480℃后保溫0.5~0.8h，隨后以5~8℃/min冷卻至260~280℃后保溫0.8~1.2h，隨后以10~15℃/min冷卻至120~130℃后取出置于空氣中進行空冷至室溫。

14、優(yōu)選地，s2中，超聲噴丸處理工藝為超聲噴丸時間1~1.5h、彈丸直徑2.5~3.5mm、噴丸距離12~16mm，彈丸材質(zhì)為鎢鋼。

15、優(yōu)選地，s3中，表面多層結(jié)構(gòu)制備工藝為：工作氣體為純氬氣，流量為25~30?sccm，工作氣壓為1.0~1.8?pa，偏壓為-60?~-55v，靶基距為55~60?mm，試樣盤轉(zhuǎn)速為10~12?r/min，采用直流濺射方式制備薄膜，靶1為tanbw靶，功率為100~150?w，濺射速率為0.185~0.194?nm/s，濺射時間為125~129?s；靶2為tivcr靶，功率為100~150?w，濺射速率為0.0684~0.0797?nm/s，濺射時間為295~314?s，以交替濺射的方式濺射。

16、優(yōu)選地，s4中，熱處理設(shè)備為磁控共濺射設(shè)備內(nèi)置加熱爐盤。

17、本發(fā)明獲得的風電金屬組件表面合金膜，風電金屬組件表面合金膜的楊氏模量大于328gpa。

18、一種風電金屬組件表面合金膜在惡劣環(huán)境風力發(fā)電站中的應用，惡劣環(huán)境包括海邊、沙漠。

19、本發(fā)明的一種風電金屬組件表面合金膜在制備過程中，通過對風電金屬組件表面超聲噴丸、交替濺射和分段梯度熱處理三步處理，能夠在風電金屬組件表面形成900~1200nm厚，沿（111）晶向生長fcc結(jié)構(gòu)，具有交替多層結(jié)構(gòu)的tanbw/tivcr。其形成原理為：第一步：通過用直徑2.5~3.5mm的鎢鋼彈丸在距離12~16mm結(jié)合振幅25~35μm、頻率20~30khz進行正弦-余弦-正弦交替超聲變幅變頻超聲，其中首次正弦變幅變頻超聲為（1/4）t（t為總超聲時間），余弦變幅變頻超聲為（1/2）t，末次正弦變幅變頻超聲為（1/4）t，交替進行，一方面使風電金屬組件表面發(fā)生交替漸變式塑性變形，并在超聲噴丸過程中引起大量變形位錯往復運動產(chǎn)生聚集、交割在表面形成大量位錯胞和晶界。另一方面，在超聲噴丸過程中，在表面形成由里及表逐漸增大的變形內(nèi)應力；第二步：在磁控濺射過程中，通過純氬氣流量25~30?sccm，工作氣壓1.0~1.8?pa，偏壓-60?~-55v，靶基距55~60?mm，試樣盤轉(zhuǎn)速10~12?r/min，采用直流濺射方式制備薄膜，靶1為tanbw靶，功率為100~150?w，濺射速率為0.185~0.194?nm/s，濺射時間為125~129?s；靶2為tivcr靶，功率為100~150?w，濺射速率為0.0684~0.0797?nm/s，濺射時間為295~314?s的制備工藝，在風電金屬組件表面的位錯胞和晶界處形核，在梯度內(nèi)應力作用下形成具有交替多層結(jié)構(gòu)沿最低能量的（111）晶向生長fcc結(jié)構(gòu)的tanbw/tivcr多層膜。第三步：在分段梯度熱處理過程中，先以5~8℃/min加熱至600~620℃保溫1~1.5h，隨后以3~5℃/min冷卻至450~480℃后保溫0.5~0.8h，隨后以5~8℃/min冷卻至260~280℃后保溫0.8~1.2h，隨后以10~15℃/min冷卻至120~130℃后取出置于空氣中進行空冷置室溫，通過三段梯度式升溫、降溫、保溫的熱處理，一方面通過特定溫度的保溫，促使tanbw/tivcr沿（111）晶向繼續(xù)長大，增加了膜層的強織構(gòu)特性。另一方面，保障了不同合金元素的擴散的時間，使層與層之間發(fā)生了冶金擴散結(jié)合，形成了良好的結(jié)合力。

20、相比與現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

21、1.耐環(huán)境腐蝕：本發(fā)明形成的tanbw/tivcr多層膜使風電金屬組件表面具有耐環(huán)境腐蝕特性，其原因：（1）tanbw和tivcr均為fcc結(jié)構(gòu)，其（111）晶面為原子密排面，相對其他結(jié)構(gòu)，具有能量最低，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，耐蝕性最好的特點。（2）得益于tanbw和tivcr都具有優(yōu)異的耐蝕性，能夠在風電金屬組件服役過程中有效耐環(huán)境腐蝕。（2）tanbw/tivcr多層膜的獨特結(jié)構(gòu)，使風電金屬組件在服役過程中形成多層防護結(jié)構(gòu)，進一步加強其環(huán)境腐蝕的抵抗能力。

22、2.?高硬度、強耐磨：本發(fā)明形成的tanbw/tivcr多層膜使風電金屬組件表面具有高硬度、強耐磨特性，其原因：（1）得益于tanbw/tivcr多層膜的獨特結(jié)構(gòu)，tanbw和tivcr都具有極高的硬度和耐磨性，能夠在摩擦過程中有效抵抗磨損。（2）合金膜中的tanbw和tivcr為fcc結(jié)構(gòu)，由(111)晶面構(gòu)成，形成強織構(gòu)，使其具有高硬度、強耐磨特性。（3）tanbw/tivcr多層膜與基體通過退火處理，接觸面發(fā)生了冶金擴散結(jié)合形成了一個整體，不僅增強了表面的硬度，還使得風電金屬組件在長時間和高強度的摩擦環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的性能。

23、3.優(yōu)異的抗變形能力：本發(fā)明形成的tanbw和tivcr均為fcc結(jié)構(gòu)，其（111）晶面為原子密排面，沿該方向生長的膜層原子密度最高，原子之間的作用力最強，從而造成多層膜的楊氏模量顯著提升，使風電金屬組件整體的抗變形能力顯著提升。