分析类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的方法技术

本发明专利技术公开了一种分析类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的方法，属于飞行器液压伺服作动器技术领域。申请人为了改善飞行器液压伺服作动器密封性能的不足，在分析作动器失效的基础上，通过大量实验得到该方法，通过多功能离子束沉积系统制备若干含银量不同的类金刚石膜，采用X射线衍射仪、能量色散谱仪、拉曼光谱、纳米压痕仪、三维白光干涉表面轮廓仪、高速往复式摩擦磨损实验机，分析各种类金刚石膜样品的微观结构和力学性能变化，系统阐述碳价键及内应力的变化对薄膜力学性能的影响，填补了理论和实践空白。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料
，具体涉及一种分析类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的方法。
技术介绍
液压伺服作动器是飞行器的控制中枢，其密封性能直接影响飞行器飞行姿态的灵敏度和准确性。活塞杆是作动器的驱动部件，在高温高压工况下，密封不好会引起漏油，磨粒进入密封圈与活塞杆之间，还会引发磨粒磨损，使作动器的工作效率降低。飞行器工作时长期经受这种磨损容易引发漏油影响飞控系统工作效率，甚至危及到正常工作。研究结果表明，活塞杆表面性能直接影响作动器的密封性能。目前，针对活塞杆表面常用的解决方法有：(1)优化部件机构。优化设计和提高加工精度可降低运动副之间的摩擦，但无法消除因苛刻工况引起的磨损；(2)材料热处理。这种方法目前技术成熟，但不能满足部件公差和服役要求。探索一种适用于活塞杆表面改性的微米量级薄膜成为解决伺服作动器密封性能的关键。密封圈和活塞杆摩擦副之间的磨损是导致液压伺服作动器密封失效的主要原因。研究结果表明，活塞杆表面材料的硬度和摩擦系数是影响活塞杆表面摩擦学性能的两个重要参数：(1)作动器工作期间，各部件运动期间承受很高的油压和冲击力，最高达10GPa。只有活塞杆表面硬度大于对应的最大工作压力，才能保证密封结构的可靠性；(2)密封结构摩擦副表面的摩擦系数小于0.2时，表面处于润滑状态下，可以有效防止磨损的发生，延长活塞杆的使用寿命。类金刚石碳膜硬度高和耐磨性能好；但纯的类金刚石膜和金属基体间结合力差，工作时容易脱落，形成碎屑影响机械运作。伺服作动器密封失效分析：作动器的主要作用是将飞行器控制系统的点指令信号，通过电液信号转化成具有一定功率和规律的液压信号，控制液飞行器的运行速度和姿势。作动筒，又叫做液压油缸或者液压筒，主要由筒体和运动活塞两个部分组成，活塞通过作动筒施力驱动作动器运行；活塞杆和密封结构处的密封圈互相摩擦，把信号反馈到信号反馈装置；通过感受活塞杆的位移或速度变化，转换成相应的电信号，形成伺服器回路。如图9所示，作动器通过推动油液的流动来克服载荷的压力，油液的流动速度和流量决定活塞杆与筒体的往复运动速度和频率，将信号传送到信号反馈器，控制液压系统的运行。作动器工作时，筒体右端固定不动，当左边的进油口进油，筒体左边的油液压力升高；油压达到额定值后，液压油推动活塞向右运动，和活塞相连的活塞杆带动向右运动。进油口不断地进油，筒体连续把油液送到筒体内部，活塞做连续往复运动。活塞杆的平均线速度为4.5～5.0m/s，应力峰值为300～400MPa，工作环境温度约为80～160℃。在筒体内部做往复运动期间，活塞杆往往不但要承受交互变化的拉力和压力，还要承受来自反馈装置的冲击载荷。作动器启动时，信号反馈装置给活塞杆发出信号，活塞杆做往复运动；在活塞杆做往复运动突然变向的瞬间，固体污染物和活塞杆互相摩擦，活塞杆表面承受的接触力变大，最高可达到10GPa，极易造成磨损。污染颗粒的硬度与系统磨损有着密切的关系，如果颗粒的硬度等于或小于表面的硬度，表面的磨损量小；当颗粒硬度大于金属表面硬度时，对金属表面产生磨损。当活塞杆表面硬度远高于颗粒硬度时，磨损量可以忽略不计。作动器工作时，活塞杆与密封圈高速往复运动，活塞杆伸出端容易发生磨粒磨损。可以通过提高活塞杆表面耐磨性降低密封装置的故障率。密封圈的截面直径为2.6mm，密封圈固定的沟槽宽度为3.5mm；安装作动器时，密封圈与活塞杆的初始配合间隙为0.6mm。在活塞杆表面制备含类金刚石膜，有望在不影响活塞杆初始配合间隙的条件下，增强活塞杆表面的耐磨性，改善作动器摩擦副的抗磨损性能。
技术实现思路
为了澄清类金刚石膜Ag-DLC对飞行器液压伺服作动器密封性能影响的机理，本专利技术采用多离子束沉积系统技术制备了六种含银量不同的类金刚石膜Ag-DLC。以Ag-DLC为研究对象，考察了金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能影响的机理，系统阐述了碳价键及内应力的变化对薄膜力学性能的影响，力学性能包括硬度和摩擦磨损性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种分析类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的方法，所述方法采用多功能离子束沉积系统制备若干含银量不同的类金刚石膜，采用X射线衍射仪、能量色散谱仪、拉曼光谱、纳米压痕仪、三维白光干涉表面轮廓仪、高速往复式摩擦磨损实验机，分析各种类金刚石膜样品的微观结构和力学性能变化，探究类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的影响机理。具体内容包括，随类金刚石膜含银量的不同，考察含银量变化引起的sp2-C键、sp3-C键含量及内应力的变化对类金刚石膜的硬度、摩擦磨损性能的影响，揭示类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的影响机理。其中，采用X射线衍射仪分析类金刚石膜晶体结构变化，采用能量色散谱仪检测类金刚石膜中的元素含量，采用拉曼光谱检测类金刚石膜的价键结构，采用纳米压痕仪测试类金刚石膜硬度，采用三维白光干涉表面轮廓仪测量硅基片的厚度和类金刚石膜的厚度，采用高速往复式摩擦磨损实验机检测结果反映类金刚石膜与磨粒间的摩擦学性能。其中，为探究类金刚石膜的宏观力学性能，采用三维白光干涉表面轮廓仪测量硅基片的厚度和类金刚石膜的厚度，代入Stoney公式计算出类金刚石膜的内应力值：式中，tf是基体的厚度，ts是类金刚石膜的厚度，Es是基体的杨氏模量，νs为基片的泊松比，L为基片长度。所述的方法包括以下步骤：(1)类金刚石膜制备；(2)观察与参数测量：采用X射线衍射仪分析类金刚石膜晶体结构变化；采用能量色散谱仪检测类金刚石膜中的元素含量；采用拉曼光谱检测类金刚石膜的价键结构；采用纳米压痕仪测试类金刚石膜硬度；采用三维白光干涉表面轮廓仪测量硅基片的厚度和类金刚石膜的厚度，代入Stoney公式计算出类金刚石膜的内应力值；采用高速往复式摩擦磨损实验机检测结果反映类金刚石膜与磨粒间的摩擦学性能；(3)分析类金刚石膜的力学性能，包括硬度和摩擦磨损性能；(4)探究类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的影响机理。其中，步骤(1)中包括以下步骤：(1)选用440A不锈钢作为基材，将基材放入可溶解基材表面有机污染物的丙酮溶液中超声波清洗，超声波震荡可在溶液内基材的表面形成瞬时空气气泡，气泡产生时伴随的高冲击力可将基体表面污染物打碎，之后脱离基体，溶于丙酮溶液，不会对基体造成二次污染；(2)使用氮气等易挥发且不易与基材发生化学反应的气体喷吹基材表面直至干燥，防止环境污染物重新附着在潮湿的基材表面，之后放入真空多离子束沉积系统中待沉积；(3)启动真空多离子束沉积系统的真空泵抽本底真空至1.8×10-4Pa，之后启动高能量离子源Ar+轰击片材表面10min，高能量离子源Ar+的电压和离子束电流为5keV/20mA，将腔体内的空气粒子抽除，防止其与稍后以离子轰击的方式清洗基材表面的Ar+发生碰撞，削减Ar+能量，使污染物清洗不彻底。高能量离子源Ar+轰击片材表面10min，经XRD数据检测可得，在轰击时间为10min时，基材表面已不含氧化物等固体污染物；(4)由于类金刚石膜与不锈钢的晶格常数及热膨胀系数存在较大差异，在受热膨胀的时，二者之间的结合力将急剧减弱，甚至发生薄膜脱落，因此为了增强薄膜与基体结合力，启动溅射银靶离子源，溅射银靶离子源的电压和离子束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分析类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的方法，其特征在于，所述方法采用多功能离子束沉积系统制备若干含银量不同的类金刚石膜，采用X射线衍射仪、能量色散谱仪、拉曼光谱、纳米压痕仪、三维白光干涉表面轮廓仪和高速往复式摩擦磨损实验机，分析各种类金刚石膜样品的微观结构和力学性能变化，探究类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的影响机理。

【技术特征摘要】
1.一种分析类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的方法，其特征在于，所述方法采用多功能离子束沉积系统制备若干含银量不同的类金刚石膜，采用X射线衍射仪、能量色散谱仪、拉曼光谱、纳米压痕仪、三维白光干涉表面轮廓仪和高速往复式摩擦磨损实验机，分析各种类金刚石膜样品的微观结构和力学性能变化，探究类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的影响机理。2.如权利要求1所述的一种分析类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的方法，其特征在于，所述方法随类金刚石膜含银量的不同，考察含银量变化引起的sp2-C键、sp3-C键含量及内应力的变化对类金刚石膜的硬度、摩擦磨损性能的影响，揭示类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的影响机理。3.如权利要求1所述的一种分析类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的方法，其特征在于，采用X射线衍射仪分析类金刚石膜晶体结构，采用能量色散谱仪检测类金刚石膜中的元素含量，采用拉曼光谱检测类金刚石膜的价键结构，采用纳米压痕仪测试类金刚石膜硬度，采用三维白光干涉表面轮廓仪测量硅基片的厚度和类金刚石膜的厚度，采用高速往复式摩擦磨损实验机检测结果反映类金刚石膜与磨粒间的摩擦学性能。4.如权利要求1所述的一种分析类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的方法，其特征在于，为探究类金刚石膜的宏观力学性能，采用三维白光干涉表面轮廓仪测量硅基片的厚度和类金刚石膜的厚度，代入如下的Stoney公式计算出类金刚石膜的内应力值：σ=Ests2δ3Ltf(1-vs2)]]>式中，tf是基体的厚度，ts是类金刚石膜的厚度，Es是基体的杨氏模量，νs为基片的泊松比，L为基片长度。5.如权利要求1所述的一种分析类金刚石膜对飞行器液压伺服作动器密封性能的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：(1)类...

【专利技术属性】
技术研发人员：于翔，疏文，张志强，任毅，张磊，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11