一种表面涂覆Ag-Sn-Cr-聚四氟乙烯复合涂层的弹性环及其制备方法

本技术涉及表面工程与减振防护，具体涉及一种表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层的弹性环及其制备方法。

背景技术：

1、弹性环是旋转机械中广泛采用的关键弹性支承元件，通常为薄壁圆环状结构，安装于转子与轴承座之间。通过其自身弹性变形提供可调节的支承刚度，能够有效调整转子系统的临界转速，避开共振区，并隔离和耗散传递至轴承座的振动能量，对保障高速旋转机械的运行稳定性至关重要。

2、在航空发动机等服役环境中，弹性环的工作条件极为苛刻，需同时承受多重环境负荷的耦合作用。持续的机械振动要求涂层具备高效且稳定的阻尼耗散能力；频繁起停与工况骤变带来的热冲击要求涂层耐高温且与基体热膨胀匹配；高速气流夹带的硬质颗粒造成冲刷磨损，要求表面具有高硬度。

3、现有弹性环涂层方案均存在明显局限。电镀硬铬层具有耐磨性，但其微裂纹网络在振动与热循环下扩展，成为腐蚀介质向基体渗透的通道，且阻尼能力低、300℃以上硬度下降。热喷涂铝层可对钢基体提供牺牲阳极保护，但孔隙率高、结合强度弱，在冲刷与振动下易剥落。有机高分子阻尼涂层常温减振效果好，但300℃以上即发生热分解，完全丧失功能。因而，现有技术无法在单一弹性环上同步实现阻尼减振、耐热冲击与耐磨多重功能。

4、电子束物理气相沉积（eb-pvd）技术具有沉积速率精准可控、膜厚均匀性好、可于同一真空循环中连续沉积多种异质材料的优点，适合构建多层梯度结构，但目前将其与弹性环回转体构型适配，并实现功能一体化层序结构设计，以及与后续聚四氟乙烯涂装工艺衔接的完整制备路线，尚缺乏成熟方案。

技术实现思路

1、本技术为了解决现有技术无法在单一弹性环上同步实现阻尼减振、耐热冲击与耐磨多重功能的问题，进而提供一种表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层的弹性环及其制备方法；

2、一种表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层的弹性环，弹性环包括金属环状基体，金属环状基体的内周侧沿周向等距设有n个内凸台，金属环状基体的外周侧沿周向等距设有n个外凸台，n为大于3的正整数，n个内凸台和n个外凸台在角向上错开分布，相邻两个内凸台之间形成内侧凹槽区域，相邻两个外凸台之间形成外侧凹槽区域，每个内侧凹槽区域和每个外侧凹槽区域中设有一个ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层，ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层附着在金属环状基体上；

3、进一步地，ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层由内向外依次为：纯银粘接层、纯锡阻尼层、纯铬强化层以及聚四氟乙烯复合涂层；

4、进一步地，纯银粘接层的厚度为3～8 μm，纯锡阻尼层的厚度为30～50 μm，纯铬强化层的厚度为3～8 μm；

5、进一步地，聚四氟乙烯复合涂层由底漆层和面漆封孔层构成，所述底漆层的厚度为25～75 μm，所述面漆封孔层的厚度为3～8 μm；

6、进一步地，纯银粘接层为电镀纯银层，纯锡阻尼层和纯铬强化层均为电子束物理气相沉积层；

7、进一步地，纯银粘接层、纯锡阻尼层和纯铬强化层均为电子束物理气相沉积层；

8、进一步地，ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层包括ag-sn-cr复合涂层和聚四氟乙烯复合涂层，ag-sn-cr复合涂层由预合金化ag-sn-cr混合靶材通过电子束物理气相沉积一次性制备而成，ag-sn-cr复合涂层的厚度为40～60μm，聚四氟乙烯复合涂层由底漆层和面漆封孔层构成，所述底漆层的厚度为25～75 μm，所述面漆封孔层的厚度为3～8 μm；

9、一种表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层弹性环的制备方法，所述方法是通过以下步骤实现的；

10、步骤一：基体表面预处理与机械遮蔽；

11、对带有内凸台和外凸台的金属环状基体依次进行化学清洗和物理粗化，随后采用遮蔽工装对所有内凸台和外凸台的顶面进行刚性机械遮蔽，将经过刚性机械遮蔽的金属环状基体移至真空室中并进行离子活化处理；

12、步骤二：电镀纯银粘接层；

13、将经步骤一离子活化处理后的金属环状基体连同遮蔽工装一并转移至电镀装置中，在所有内侧凹槽区域和外侧凹槽区域的暴露表面电镀纯银粘接层，控制银层厚度为3～8μm；电镀完成后，以去离子水清洗并干燥；

14、步骤三：电子束物理气相沉积纯锡阻尼层与纯铬强化层；

15、将步骤二所得带有纯银粘接层和遮蔽工装的金属环状基体装入真空室中，待真空室本底真空度优于5×10-6torr后，将金属环状基体预热至200～300℃并使其以5～15rpm的转速匀速旋转，换至纯锡靶，调整束流至60～100ma的范围内，以2.0～3.0μm/min的沉积速率在凹槽内的纯银粘接层的表面制备纯锡阻尼层，沉积厚度为30～50μm；待纯锡阻尼层沉积完成后，立即切换电子束至纯铬靶，将束流提升至200～280ma的范围内，同时向真空室通入高纯氩气并将动态工作气压精确维持在1×10-4至5×10-4torr的范围内，以1.0～1.5μm/min的沉积速率在纯锡阻尼层的表面制备纯铬强化层，沉积厚度为3～8μm；待纯铬强化层沉积完成，保持旋转冷却至室温后出炉，并卸除所有机械遮蔽工装；

16、步骤四：聚四氟乙烯复合涂层的区域选择性制备；

17、采用耐高温胶带对内凸台和外凸台暴露的顶面进行保护，在纯铬强化层表面制备聚四氟乙烯复合涂层；聚四氟乙烯复合涂层的制备包括喷涂聚四氟乙烯底漆和面漆，并进行分步升温固化；聚四氟乙烯复合涂层制备完成后，卸除内凸台和外凸台顶面的耐高温胶带，修齐边缘，使内凸台和外凸台的顶面完整暴露出金属基体配合面，此时得到表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层的弹性环；

18、一种表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层弹性环的制备方法，所述方法是通过以下步骤实现的；

19、步骤一：基体表面预处理与机械遮蔽；

20、对带有内凸台和外凸台的金属环状基体依次进行化学清洗和物理粗化，随后采用遮蔽工装对所有内凸台和外凸台的顶面进行刚性机械遮蔽，将经过刚性机械遮蔽的金属环状基体移至真空室中并进行离子活化处理；

21、步骤二：电子束物理气相沉积纯银粘接层；

22、完成步骤一所述离子活化后，关闭氩气，恢复高真空，启动工件旋转，转速设置为5～15rpm，开启加热装置将金属环状基体预热至200～300℃并保持稳定，启动电子枪，对纯银靶材进行预熔除气，然后正式蒸发，通过调控电子束束流至120～180ma的范围内，将银的沉积速率稳定控制在1.0～1.5μm/min，使用膜厚监控仪实时监测沉积厚度，当银层厚度达到3～8μm时关闭挡板，停止银层沉积，至此纯银粘接层制备完成；

23、步骤三：电子束物理气相沉积纯锡阻尼层与纯铬强化层；

24、待步骤二所述纯银粘接层沉积结束后，在保持真空、基体旋转和加热状态不变的前提下，立即转动坩埚或切换电子束偏转位置至纯锡靶，调整束流至60～100ma范围内，以2.0～3.0μm/min的沉积速率在凹槽内的纯银粘接层的表面制备纯锡阻尼层，沉积厚度为30～50μm；待纯锡阻尼层沉积完成后，立即切换电子束至纯铬靶，将束流提升至200～280ma的范围内，同时向真空室通入高纯氩气并将动态工作气压精确维持在1×10-4至5×10-4torr的范围内，以1.0～1.5μm/min的沉积速率在凹槽内的纯锡阻尼层表面制备纯铬强化层，沉积厚度为3～8μm；待纯铬强化层沉积完成，保持旋转冷却至室温后出炉，并卸除所有机械遮蔽工装；

25、步骤四：聚四氟乙烯复合涂层的区域选择性制备；

26、采用耐高温胶带对暴露的内凸台和外凸台顶面进行保护，在纯铬强化层表面制备聚四氟乙烯复合涂层；聚四氟乙烯复合涂层的制备包括喷涂聚四氟乙烯底漆和面漆，并进行分步升温固化；制备完成后，卸除凸台顶面的耐高温胶带，修齐边缘，使内凸台和外凸台的顶面完整暴露出金属基体配合面，此时得到表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层的弹性环；

27、一种表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层弹性环的制备方法，所述方法是通过以下步骤实现的；

28、步骤一：基体表面预处理与机械遮蔽；

29、对带有内凸台和外凸台的金属环状基体依次进行化学清洗和物理粗化，随后采用遮蔽工装对所有内凸台和外凸台的顶面进行刚性机械遮蔽，将经过刚性机械遮蔽后的金属环状基体移至真空室中并进行离子活化处理；

30、步骤二：电子束物理气相沉积ag-sn-cr复合涂层；

31、完成步骤一所述离子活化后，关闭氩气，恢复高真空，启动工件旋转，转速设置为5～15rpm，开启加热装置将基体预热至300～400℃并保持稳定，启动电子枪，对按重量比ag:sn:cr=5~25:20~60:35~55预合金化制备的靶材进行预熔除气，然后正式蒸发，通过调控电子束束流，使ag、sn、cr三种元素同步稳定蒸发并共沉积于所述非凸台区域的基体表面，形成致密均匀的ag-sn-cr复合涂层，通过控制沉积时间，使复合涂层总厚度达到40～60μm，沉积结束后，保持旋转冷却至室温，出炉并卸除所述凸台顶面的机械遮蔽工装；

32、步骤三：聚四氟乙烯复合涂层的区域选择性制备；

33、采用耐高温胶带对暴露的内凸台和外凸台顶面进行保护，在ag-sn-cr复合涂层表面制备聚四氟乙烯复合涂层；聚四氟乙烯复合涂层的制备包括喷涂聚四氟乙烯底漆和面漆，并进行分步升温固化；制备完成后，卸除凸台顶面的耐高温胶带，修齐边缘，使内凸台和外凸台的顶面完整地暴露出金属基体配合面，此时得到表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层的弹性环。

34、本技术相对于现有技术所产生的有益效果：

35、1、本技术提供的一种表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层的弹性环，相比于现有的弹性环结构功能一体化集成度更高，通过在单一弹性环构件上依次构建高结合强度粘接层、高阻尼耗散层、刚性强化屏障层及耐磨封闭面层，首次将减振、耐磨、抗高温氧化多项核心功能集于一体，解决了现有单一涂层无法应对多场耦合环境的难题。

36、2、本技术提供的一种表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层的弹性环，宽温域服役可靠性优异。涂层体系的梯度设计充分考虑了热力学兼容性。银层和锡层弹性模量低，可作为热膨胀系数介于不锈钢基体和表层之间的柔性过渡，有效缓冲因高温循环带来的热失配应力。纯铬强化层对这种应力进行刚性分担，防止软质层被挤出。外层聚四氟乙烯涂层通过梯度升温固化，建立了从铬层到外部的微区应力缓和界面。该体系在室温至260℃热循环下可保持不脱粘、不开裂，在高温环境中长期服役后结合力依然良好。

37、3、本技术提供的一种表面涂覆ag-sn-cr-聚四氟乙烯复合涂层的弹性环的制备方法，采用有机清洗、喷砂粗化和等离子体活化的三步预处理工序，在基体表面获得了原子级清洁度和高密度悬键活性点。后续沉积的银粘接层与基体形成准冶金键合而非简单机械啮合，在热冲击和振动条件下，失效模式由传统的涂层整片剥落转变为涂层内部的内聚破坏，安全性大幅提高。