CN102092159B - 用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层及制备方法 - Google Patents

用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层及制备方法，其中用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层由TiMo粘结层和TiAlN面层组成；该制备方法采用H-MFD200型高真空多功能薄膜沉积系统，在金属表面镀制ZrN/TiMo复合涂层。本发明的制备工艺包括：粘结层TiMo的制备，采用磁控溅射制备工艺；和ZrN面层的制备，采用多弧离子镀制备工艺。该方法制备的涂层致密，与基体结合力良好，涂层厚度可控制，在600℃高温下，具有良好的抗热循环能力、抗热盐腐蚀能力和抗冲刷磨损的能力。

Description

用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及一种高温防护方法，特别是涉及一种采用磁控溅射（镀TiMo）与多弧离子镀（镀ZrN）在压气机叶轮、叶片上镀制的ZrN/TiMo复合涂层及制备方法，属于真空镀膜技术领域。
背景技术
钛合金由于比强度高、耐蚀性好而广泛应用于航空发动机零部件中。高推比航空发动机将采用钛合金，但钛合金本身质地较软，耐冲蚀性能较差。飞机在低空飞行、起飞和降落过程中，空气中的尘埃和沙粒等在高速气流的作用下将对钛合金前级叶片造成严重的冲蚀，在海洋环境下还会发生严重的腐蚀，从而影响压气机叶片的寿命和发动机的安全运行。飞机在普通环境下飞行，发动机寿命可达2000h，但在沙尘环境下飞行，没有涂层的仅能持续100h。一旦发动机吸入沙尘，沙尘开始划磨材料，并慢慢冲蚀叶片，雨水等腐蚀性液体会加速冲蚀，反之冲蚀又加速腐蚀，以多米诺方式进行侵蚀，导致灾难性后果。涂覆一定的硬质防护涂层可以提高钛合金的耐磨抗冲蚀性能，延长压气机的使用寿命，提高其工作可靠性。
ZrN涂层具有优异的物理、化学性能，具有硬度高、耐磨性好、摩擦因数小（0.1～0.4）及耐盐雾腐蚀性能好等优点，是目前研究较多的涂层材料之一。目前，采用多种方法制备ZrN涂层，如离子束辅助沉积、空心阴极离子镀、多弧离子镀和磁控溅射等，其中，多弧离子镀由于具备沉积速率高、结合强度好的突出优势，而成为物理气相沉积ZrN涂层的主要方法。
因此，研究开发出合适的ZrN涂层制备工艺是近年来压气机叶轮、叶片上镀制ZrN涂层研究的热点之一。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述技术问题，通过研究改进，提供了一种新型的用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层及制备方法。本发明给出的这种用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层由TiMo粘结层和ZrN面层组成。该制备方法采用H-MFD200型高真空多功能薄膜沉积系统，在金属表面镀制ZrN/TiMo复合涂层。本发明还提供一种压气机叶片涂层的制备工艺，包括粘结层TiMo的制备：采用磁控溅射制备工艺；和ZrN面层的制备：采用多弧离子镀制备工艺。该方法制备的涂层致密，与基体结合力良好，涂层厚度可控制，在600℃高温下，具有良好的抗热循环能力、抗热盐腐蚀能力和抗冲刷磨损的能力。
本发明给出的技术方案是：这种用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层，其特点是由TiMo粘结层和ZrN面层组成。
本发明给出的这种用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层的制备方法，其特点是有下列步骤：
步骤1：磁控溅射TiMo涂层
（1）预处理：待镀工件经砂纸打磨、抛光，用丙酮超声波清洗，再用超声波去离子水清洗，最后用无水乙醇清洗烘干；
（2）装炉：将清洗好的工件安装在H-MFD200型高真空多功能薄膜沉积系统真空室内试样台上，确保固定，以防脱落。
（3）溅射TiMo层
1）将金属Ti靶、Mo靶置于直流阴极上；
2）关闭真空室，抽真空至1.5×10-2Pa；
3）真空度达到1.5×10-2Pa之后，通入Ar气；调节质量流量计的流量，使气压调节到2～5Pa范围内；
4）离子轰击：打开负偏压电源，将负偏压调至500～1000V范围，对工件进行离子轰击辉光清洗，同时启动加热器对待镀工件进行加热；
5）离子清洗完毕后，在150～200℃、0.2～0.4KV电压、0.1～0.75A电流下进行反应磁控溅射，控制溅射时间4～8分钟。
6）溅射完毕即得到TiMo薄膜。
（4）关闭弧靶电源，待工件温度降至80℃作用时，关闭抽气阀，对真空室充入干燥空气，打开真空室，取出工件。检验工件表面涂层是否完整。
步骤2：多弧离子镀ZrN
（1）装炉与离子轰击
将镀有TiMo过渡层的工件安装在H-MFD200型高真空多功能薄膜沉积系统真空室内试样台上，确保固定，以防脱落。
（2）镀ZrN涂层
1）将金属Zr靶置于阴极上；
2）关闭真空室，抽真空至1.2×10-2Pa；
3）真空度达到1.5×10-2Pa之后，通入N2气；调节质量流量计的流量，使气压调节到2～5×10-1Pa范围内；
4）离子轰击：打开负偏压电源，将负偏压调至500～1000V范围，对工件进行离子轰击辉光清洗，同时启动加热器对待镀工件进行加热；
5）离子清洗完毕后，在200～400℃、0.4～1.0KV负偏压、40～80A电流下进行多弧离子镀镀膜，沉积时间10～40分钟。
6）沉积完毕即得到ZrN薄膜。
（3）关闭弧靶电源，待工件温度降至80℃作用时，关闭抽气阀，对真空室充入干燥空气，打开真空室，取出工件。
为更好的实现本发明的目的，涂层沉积前对工件表面进行离子清理，即在高能电场作用下，工件表面受到离子轰击，基体材料被带走，发生离子净化和表面活化过程，涂层结合力更强。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用H-MFD200型高真空多功能薄膜沉积系统，可以在金属表面镀制ZrN/TiMo复合涂层，涂层致密，涂层厚度可控；
2、由于具有TiMo过渡层，涂层ZrN/TiMo复合涂层与基体的结合强度高于单层ZrN涂层与基体的结合强度，弯曲90°涂层无脱落；
3、采用该发明制备的复合涂层，在600℃高温下，具有良好的抗热循环能力、抗热盐腐蚀能力和抗冲刷磨损的能力；
4、ZrN/TiMo复合涂层不影响基材的耐腐蚀性能和抗疲劳性能。
具体实施方式
实施例1
在TC11金属表面镀制ZrN/TiMo复合涂层
步骤1：磁控溅射TiMo涂层
（1）预处理：待镀工件经砂纸打磨、抛光，用丙酮超声波清洗10分钟，再用超声波去离子水清洗5分钟，最后用无水乙醇清洗烘干；
（2）装炉：将清洗好的工件安装在H-MFD200型高真空多功能薄膜沉积系统真空室内试样台上，确保固定，以防脱落。
（3）溅射TiMo层
1）将金属Ti靶、Mo靶置于直流阴极上；
2）关闭真空室，抽真空至1.5×10-2Pa；
3）真空度达到1.5×10-2Pa之后，通入Ar气；调节质量流量计的流量，使气压调节到2Pa范围内；
4）离子轰击：打开负偏压电源，将负偏压调至500～1000V范围，对工件进行离子轰击辉光清洗，同时启动加热器对待镀工件进行加热；
5）离子清洗完毕后，在150℃、钛靶：电压0.4KV、Mo靶电压0.5KV、电流0.5A条件下进行反应磁控溅射，控制溅射时间6分钟。
6）溅射完毕即得到TiMo薄膜。
（4）关闭弧靶电源，待工件温度降至80℃作用时，关闭抽气阀，对真空室充入干燥空气，打开真空室，取出工件。检验工件表面涂层是否完整。
步骤2：多弧离子镀ZrN
（1）装炉与离子轰击
将镀有TiMo过渡层的工件安装在H-MFD200型高真空多功能薄膜沉积系统真空室内试样台上，确保固定，以防脱落。
（2）镀ZrN涂层
1）将金属Zr靶置于阴极上；
2）关闭真空室，抽真空至1.2×10-2Pa；
3）真空度达到1.2×10-2Pa之后，通入N2气；调节质量流量计的流量，使气压调节到3.6×10-1Pa范围内；
4）离子轰击：打开负偏压电源，将负偏压调至500～1000V范围，对工件进行离子轰击辉光清洗，同时启动加热器对待镀工件进行加热；
5）离子清洗完毕后，在320℃、0.75KV负偏压、50A电流下进行多弧离子镀镀膜，沉积时间20分钟。
7）沉积完毕即得到ZrN薄膜。
（3）关闭弧靶电源，待工件温度降至80℃左右时，关闭抽气阀，对真空室充入干燥空气，打开真空室，取出工件。

Claims (2)

1.一种用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层的制备方法，其特征在于这种用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层由TiMo粘结层和ZrN面层组成,有下列步骤：
步骤1：磁控溅射TiMo涂层
（1）预处理：待镀工件经砂纸打磨、抛光，用丙酮超声波清洗，再用超声波去离子水清洗，最后用无水乙醇清洗烘干；
（2）装炉：将清洗好的工件安装在H-MFD200型高真空多功能薄膜沉积系统真空室内试样台上，确保固定，以防脱落；
（3）溅射TiMo层
1）将金属Ti靶、Mo靶置于直流阴极上；
2）关闭真空室，抽真空至1.5×10-2Pa；
3）真空度达到1.5×10-2Pa之后，通入Ar气；调节质量流量计的流量，使气压调节到2～5Pa范围内；
4）离子轰击：打开负偏压电源，将负偏压调至500～1000V范围，对工件进行离子轰击辉光清洗，同时启动加热器对待镀工件进行加热；
5）离子清洗完毕后，在150～200℃、0.2～0.4KV电压、0.1～0.75A电流下进行反应磁控溅射，控制溅射时间4～8分钟；
6）溅射完毕即得到TiMo薄膜；
（4）关闭弧靶电源，待工件温度降至80℃时，关闭抽气阀，对真空室充入干燥空气，打开真空室，取出工件,检验工件表面涂层是否完整；
步骤2：多弧离子镀ZrN
（1）装炉与离子轰击
将镀有TiMo过渡层的工件安装在H-MFD200型高真空多功能薄膜沉积系统真空室内试样台上，确保固定，以防脱落；
（2）镀ZrN涂层
1）将金属Zr靶置于阴极上；
2）关闭真空室，抽真空至1.2×10-2Pa；
3）真空度达到1.5×10-2Pa之后，通入N2气；调节质量流量计的流量，使气压调节到2～5×10-1Pa范围内；
4）离子轰击：打开负偏压电源，将负偏压调至500～1000V范围，对工件进行离子轰击辉光清洗，同时启动加热器对待镀工件进行加热；
5）离子清洗完毕后，在200～400℃、0.4～1.0KV负偏压、40～80A电流下进行多弧离子镀镀膜，沉积时间10～40分钟；
6）沉积完毕即得到ZrN薄膜；
（3）关闭弧靶电源，待工件温度降至80℃作用时，关闭抽气阀，对真空室充入干燥空气，打开真空室，取出工件。
2.按照权利要求1所述用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层的制备方法，其特征在于涂层沉积前对工件表面进行离子清理。
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