新型硬涂层阻尼材料

 

制备的4类新型硬涂层阻尼样片（两两对比，左侧为未涂层样片），具有较好的表面质量

 

（1）材料性能

       1.采用动态力学参数测量仪（DMA）进行涂层材料性能的基本参数测试；

       2.弹性模量E在4-8x104MPa（随温度和振动频率稍有变化），损耗因子Q-1达到0.3以上，材料性能优良。

DMA实测涂层材料随温度变化的弹性模量和损耗因子(tanDelta)

DMA实测涂层材料随频率变化的弹性模量和损耗因子(tanDelta)

DMA实测涂层材料的Q¯1

 

       按ASTM标准测试，涂覆新型硬涂层阻尼材料的薄板试验件在5-3000Hz范围内的主要共振点振动平均下降25%，减振效果明显。

减振有效性测试

（左图为激励在1050Hz非共振态时的响应幅值对比，右图为激励在第三阶近共振态时的响应幅值对比）

涂覆硬涂层阻尼的薄板试验件

 

（2）理化性能

       1.新型硬涂层阻尼材料的密度决定于所采用的金属或陶瓷纳米粉以及制成孔隙比，使用时增重微小，基本上可以忽略不计。

       2.纳米压痕试验测试表明，硬涂层阻尼材料弹性模量范围为60~170GPa，具有分散性并可定制。

       3.纳米划痕试验测试表明，硬涂层在大于设备量程（500mN）时未出现破裂，与基体结合性能较好。

 

NiCrAlY硬涂层的SEM图像                   纳米压痕试验                               纳米划痕试验

 

（3）环境适应性

        海水浸泡试验

         1.带新型硬涂层阻尼材料的薄板试验件的硬涂层材料未见明显变化，但基体没有涂层部位出现大量酥松铁锈，硬涂层的孔隙出现少量锈迹（不会影响阻尼效果）。

         2.开始浸泡时损耗因子和减振率有一定下降，但不同时间的长期浸泡测试数据基本不变，说明新型硬涂层阻尼材料具有良好的耐海水腐蚀性能。

未浸泡时的共振曲线与浸泡（时长不同）的情况基本没有变化

       湿热试验

       按照国家军用标准GJB150.9-86高温高湿条件下（60℃，相对湿度95%，实验周期24h）评定新型硬涂层阻尼材料性能，湿热环境试验表明均达到要求，减振能力未发生明显变化。

        冷热冲击

        按国军标GJB150.5-86进行的温度冲击试验表明（高温70℃、低温-55℃），新型硬涂层阻尼材料的表面无明显变化，减振效果没有明显变化。

 

（4）新型硬涂层阻尼材料的使用方法

       （a）在金属基板表面上，通过PVD或APS技术，直接将纳米粉沉积到表面；         

        （b）按结构避开共振或降低振动水平的设计要求，可以在结构表面全部或部分区域涂层。

其它用途：    

       除按上述方法进行结构减振处理之外，新型硬涂层阻尼材料还可以用于降噪（通过在结构表面涂覆硬涂层以改变结构声腔特性和声传播特性）、密封（通过结构配合面上施加硬涂层阻尼来改善接合处的表面特性），特别地，硬涂层由于可以进行抗疲劳优化处理，在结构减重的场合也具有特殊的作用。    

       这几个方面也具有很好的应用前景和效益，具体需要根据具体对象进行针对性的分析和测试考核。

 

（5）硬涂层阻尼材料应用案例

         1.便携式喷涂装置研制

 

         2.硬涂层阻尼应用于航空发动机压气机叶片减振

         在某型涡扇航空发动机的压气机一级钛合金叶片上利用EB-PVD制备我们研制的金属基高阻尼性能的硬涂层，进行叶片减振和抗振动疲劳的控制，具有独创性；

         具体设计与制备工艺为本团队专有技术；

         制备的叶片外形和微观形貌，以及利用DMA测试得到的阻尼参数等，都具有很好的性能指标。

 

         在ZGHFxx公司进行叶片减振有效性测试，第一阶弯曲模态下的振动响应有明显下降；总体阻尼能力提升明显。（如下图所示的振动响应幅值下降对比曲线和阻尼比上升曲线）

         硬涂层对叶片三阶以上高阶模态和非共振状态下的振动抑制也有明显效果。

         在ZGHFxxx所测试，在500MPa应力下，带硬涂层的高压压气机第一级转子叶片通过了疲劳检验。

         参考航空工业标准HB7269-96， 对制备带涂层的叶片进行热循环试验，结果表明，硬涂层没有分离、裂纹、起皮、剥落等缺陷。

 

  涂覆硬涂层的叶片一阶共振的振动响应与阻尼比前后对比曲线        涂覆硬涂层的叶片样片

 

         3.硬涂层阻尼应用于航空发动机压气机叶片的高阶振动抑制

         对压气机叶片涂敷硬涂层阻尼，可以增加叶片的总体阻尼能力，降低共振和振动响应。

         测试表明，在叶片高阶共振区，如6900-7000Hz之间叶片出现7阶共振，振动响应下降10%；

         硬涂层还可以通过一定程度的固有频率调节，进行主动失谐设计以避免叶片掉角发生；

         经实测验证，硬涂层阻尼对叶片高阶掉角故障抑制具有有效性。

 

         4.硬涂层阻尼应用于整体叶盘减振

         将硬涂层阻尼合理制备涂覆到整体叶盘的叶片表面上；

         与ZGHFxxx所合作，对比检测了整体叶盘的叶片振动响应的变化，评价硬涂层阻尼的减振效果，振动下降比达到了10-20%，具有明显的减振效果 。

涂覆硬涂层的整体叶盘（左图：未涂层，右图，带涂层）

涂层处理前后叶尖振动速度随台面中心振动速度变化（红线为涂层后的振幅，均有下降）

 

         5.硬涂层阻尼应用于飞机进气道壁板结构减振与裂纹消除

         针对某型号飞机进气道壁板结构在气动激励下产生的强烈振动、承受强烈噪声、大量出现裂纹的故障，设计、研制并采用新型硬涂层阻尼进行减振降噪，实现裂纹消除。

         经HKGYxxx所联合测试，在50~3500Hz范围内的壁板20个共振峰值均下降，硬涂层阻尼使得振动下降达到25.73%~37.97%。

         评价结果：新型硬涂层阻尼材料对薄壁板的减振效果明显，可以结合加筋修改实现上述工程目的。

 

         壁板试验件    涂覆硬涂层阻尼材料

 

         6.硬涂层阻尼应用于船艇螺旋桨减振降噪

         利用专用技术将硬涂层制备在某水下推进系统的螺旋桨叶片；

         与ZCZGxxx所合作，进行水下噪声测试，证明硬涂层阻尼的有效性；

         实测结果表明：涂覆硬涂层后，1Hz~10kHz范围内的噪声声压级明显下降，最大下降15dB。

 

 

         7.新型硬涂层阻尼材料应用于滚动轴承减振降噪

         在滚动轴承保持架上涂覆具有高阻尼性能的硬涂层，可以起到减振降噪声的作用。

         本团队首次在轴承保持架上进行涂覆特制的新型硬涂层，测试表明，具有显著的效果。

 

         8.硬涂层阻尼应用于管路系统的接头卡套减振和密封

          针对高压液压管路系统的高压高速内流导致的管路振和接头损伤，研制了新型硬涂层涂覆于接头卡套；

          测试表明，管接头卡套喷涂减振涂层前，管路的共振响应达到49g，喷涂涂层后共振响应下降到40g，共振幅值约下降18%；

          经与大连长之林公司、HKGYxxx、xxx所合作，测定该技术的减振和密封性能良好，对于扩口导管和无扩口导管都有应用价值。

 

卡套喷涂阻尼涂层的部位   卡套喷涂阻尼涂层减振效果对比      扩口导管和无扩口导管示意

 

本团队研制的硬涂层阻尼材料应用前景

       主要用于叶片类结构、具有表面改性特点的减振降噪。可应用的领域很多，包括叶轮机械在内的多种机电装备。

       目前主要用于航空发动机叶片、筒轴、盘，飞行器壁板的减振降噪，可以推广应用于船舶推进器叶片、核泵、阀等的减振降噪。