CN103409722A

CN103409722A - 一种在航空发动机压气机叶片表面制备抗侵蚀涂层的方法

Info

Publication number: CN103409722A
Application number: CN2013102978264A
Authority: CN
Inventors: 彭徽; 周大朋; 郭洪波; 宫声凯
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-07-15
Also published as: CN103409722B

Abstract

本发明公开了一种在航空发动机压气机叶片表面制备抗侵蚀涂层的方法，属于涂层制备技术领域。本发明采用空心阴极电子枪辅助电子束物理气相沉积，通过控制蒸发靶材成分、空心阴极电子枪电流、电子束蒸发电流、反应气体种类及流量，可在航空发动机压气机叶片表面制备抗侵蚀涂层。本发明所述的抗侵蚀防护涂层为MeX类型，其中Me可以为Ti、Cr、Zr、Y、Al、Si、V、B、Hf、Nb、Mo、稀土族元素或其组合，X可以为O、N、C或其组合。该抗侵蚀防护涂层可以沉积在不锈钢、钛合金等多种金属基体上，亦可作为刀具模具等需具有抗冲蚀磨损、抗冲刷腐蚀等性能的零部件表面防护涂层。

Description

一种在航空发动机压气机叶片表面制备抗侵蚀涂层的方法

技术领域

本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种航空发动机压气机叶片表面防护涂层的制备方法。

背景技术

航空发动机在服役过程中，压气机叶片受到外部环境的严重侵蚀，主要体现在：低空大气中存在的大量尘埃和砂砾会在强大进气流的作用下磨损发动机压气机叶片，造成叶片前缘冲蚀，降低压气机的工作效率，导致发动机推力下降，寿命降低；在近海洋服役环境下，压气机叶片工作在温度高、盐雾重的环境里，海洋大气中的含盐粒子沉积在叶片表面，产生吸湿潮解作用，使金属表面液膜的电导增大，加上氯离子本身具有很强的腐蚀性，加速了压气机叶片的电化学腐蚀。当冲蚀和腐蚀共存发生交互作用时，会进一步加剧压气机叶片的侵蚀，甚至造成灾难性的后果。

如何解决航空发动机压气机叶片的侵蚀问题已经成为国内外相关研究人员的关注热点。通常认为，最有效的防护手段是在压气机叶片表面涂覆抗侵蚀涂层。该类涂层主要为硬质涂层，其制备方法主要有电弧离子镀、磁控溅射、空心阴极离子镀和反应活性蒸发等。

在文献[1]：Feuerstein A,Kleyman A.Ti–N multilayer systems for compressor airfoil sanderosion protection[J].Surface and Coatings Technology,2009,204(6):1092-1096及公开号为US20110117276A1的专利申请文件中，采用了电弧离子镀技术在压气机叶片表面制备了多层氮化钛涂层，用于沙尘侵蚀防护。

在公开号为US5554519A和US6296742B1的专利文献，以及文献[2]:Leyens C,Peters M,Hovsepian P E,et al.Novel coating systems produced by the combined cathodic arc/unbalancedmagnetron sputtering for environmental protection of titanium alloys[J].Surface and CoatingsTechnology,2002,155(2):103-111.中，分别提出或采用非平衡磁控溅射（UBM）、高能脉冲磁控溅射（HIPIMS）以及电弧离子镀结合磁控溅射技术制备了硬质涂层。

在公开号为CN1361308A的专利文献中用于海军航空发动机压气机叶片的离子镀TiAlN涂层中，采用空心阴极电子枪作为蒸发和离化源制备了压气机叶片抗侵蚀涂层，只采用了一种空心阴极离子镀技术。在专利US4619748A，Swiss Pat.No.645137中，采用热阴极离子镀技术制备硬质涂层。等离子体由加热的钽丝在氩气环境中发射热电子引发低压电弧放电获得。该技术的缺点是需要消耗较昂贵的钽丝。

发明内容

本发明提供一种航空发动机压气机叶片表面抗侵蚀防护涂层的制备方法。该制备方法采用空心阴极电子枪辅助电子束物理气相沉积，通过控制蒸发靶材成分、空心阴极电子枪电流、电子束蒸发电流、反应气体种类及流量，可在航空发动机压气机叶片表面制备抗侵蚀涂层。本发明所述的抗侵蚀防护涂层为MeX类型，其中Me可以为Ti、Cr、Zr、Y、Al、Si、V、B、Hf、Nb、Mo、稀土族元素或其组合，X可以为O、N、C或其组合。该抗侵蚀防护涂层可以沉积在不锈钢、钛合金等多种金属基体上，亦可作为刀具模具等需具有抗冲蚀磨损、抗冲刷腐蚀等性能的零部件表面防护涂层。

本发明提供一种航空发动机压气机叶片表面抗侵蚀防护涂层的制备方法，包含以下步骤：

（1）准备蒸发料棒，备用；

（2）准备基体材料，并将其安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上；

（3）将待蒸发料棒放置在水冷铜坩埚中；

（4）对真空室进行抽真空,使真空室内压力低于5.0×10^-3Pa；

（5）真空室通入适量Ar，将真空室压力控制在1～20Pa，设定旋转基板架转速为1～30rpm，基板施加-300～-2000V直流或占空比大于50%的脉冲偏压，空心阴极电子枪电流为100～500A，对基体进行Ar离子溅射清洗10～60min;

（6）关闭Ar，维持空心阴极电子枪电流与基板脉冲偏压，用电子束加热基板到100～600℃，逐渐升高电子束电流，控制电子束电流为1.4～1.8A，电子束电压为16～18KV，预热并蒸发料棒，控制蒸发料棒的上升速度为0.2～1.0mm/min，蒸发出的金属蒸汽被空心阴极电子枪电离，对基板进行金属离子溅射清洗10～20min；

（7）蒸发稳定后，开启空心阴极电子枪，引燃放电电弧，调整空心阴极放电电压为10～30V，空心阴极放电电流为100～500A；降低基板偏压至-20～-300V直流或占空比大于50%的脉冲偏压，保持蒸发稳定，在基体上沉积0.5～10μm金属过渡层；

（8）通入适量反应气体，将真空室压力维持在8×10^-3～1×10^-1Pa，在基体表面开始反应沉积防护涂层，涂层厚度为3～30μm；所述的反应气体可以是氧气、氮气、乙炔或其组合。

（9）关闭电子束物理气相沉积设备，取出沉积完毕基体材料，得到本发明所需要的抗侵蚀防护涂层。

所述的抗侵蚀防护涂层组织致密，无液滴、颗粒以及针孔等缺陷，抗腐蚀性能优异，膜基结合力高。

本发明的优点在于：

采用本发明提供制备方法得到的抗侵蚀涂层的结构致密无液滴、颗粒及针孔抗侵蚀性能优异，膜基结合力高，同时亦可作为地面燃机压气机叶片、刀具模具等需具有抗冲蚀磨损、抗冲刷腐蚀等性能的零部件表面防护涂层。

附图说明

图1A为TiAlN涂层表面SEM图像；

图1B为TiAlN涂层截面的SEM图像；

图2为TiAlN涂层与TC4钛合金基体的膜基结合强度划痕法测试结果；

图3为不锈钢及涂覆TiAlN涂层后在0.5mol/L的NaCl溶液中耐腐蚀时间。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：在TC4钛合金上沉积TiAlN涂层。

（1）准备蒸发料棒，备用；Ti（50%wt）Al（50%wt）合金棒料作为蒸发料棒；

（2）将从TC4钛合金上线切割下的Φ16×2mm圆片用150#、300#、400#、800#、1500#、2000#砂纸顺次打磨光滑，并经机械抛光。然后放入丙酮中进行超声波清洗30min，并将其安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上；

（3）将TiAl合金蒸发料棒放置在水冷铜坩埚中；

（4）对真空室进行抽真空,使真空室内压力低于5.0×10^-3Pa;

（5）真空室通入适量Ar，将真空室压力控制在20Pa内，设定旋转基板架转速为15rpm，基板施加-700V直流或占空比大于50%的脉冲偏压，空心阴极电子枪电流为400A，对基体进行Ar离子溅射清洗10min;

（6）关闭Ar，维持空心阴极电子枪电流与基板脉冲偏压，用电子束加热基板到300℃，逐渐升高电子束电流的电流强度及电压，控制电子束电流为1.6A，电子束电压为17KV，预热并蒸发料棒，控制蒸发棒料的上升速度为0.8mm/min,蒸发出的金属蒸汽被空心阴极电子枪电离，对基板进行金属离子溅射清洗10min；

（7）蒸发稳定后，开启空心阴极电子枪，引燃放电电弧，调整空心阴极放电电压为10～30V，空心阴极放电电流为400A；降低基板偏压至-300V直流或占空比大于50%的脉冲偏压，保持蒸发稳定，在基体上沉积厚度2μm的TiAl层作为过渡层；

（8）通入N₂并控制N₂流速在200立方厘米/秒，将真空室压力维持在1×10^-1Pa在基体表面开始沉积TiAlN涂层，当涂层厚度达到10μm后停止沉积；

（9）关闭设备，取出沉积完毕基体材料；

对制备好样品的抗氧化性能、膜基结合强度、耐腐蚀性能、涂层硬度等进行测量。将试样测试性能列表如下表1：

表1TC4钛合金上TiAlN涂层性能

如图1所示，TiAlN涂层表面以及断口截面的SEM照片显示该涂层结构致密均匀，孔隙率低，图2显示TiAlN涂层与基体的结合力高，图3显示TiAlN涂层的耐腐蚀性能要比普通不锈钢的耐腐蚀性能高出6～7倍，TiAlN涂层的耐腐蚀性能优异。

实施例2：在不锈钢基体上沉积TiAlCrYN涂层。

（1）准备蒸发棒料，备用；TiAlCrY合金蒸发料棒；

（2）将从不锈钢上线切割下的Φ16×2mm圆片用150#、300#、400#、800#、1500#、2000#砂纸顺次打磨光滑，并经机械抛光。然后放入丙酮中进行超声波清洗30min，并将其安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上；

（3）将TiAlCrY合金料棒放置在水冷铜坩埚中；

（4）对真空室进行抽真空,使真空室内压力低于5.0×10^-3Pa;

（5）真空室通入适量Ar，将真空室压力控制在1～20Pa范围内，设定旋转基板架转速为30rpm，基板施加-2000V直流或占空比大于50%的脉冲偏压，空心阴极电子枪电流为500A，对基体进行Ar离子溅射清洗60min;

（6）关闭Ar，维持空心阴极电子枪电流与基板偏压，用电子束加热基板到100℃，逐渐升高电子束电流的电流及电压，控制电子束电流为1.4A，电子束电压为16KV，预热并蒸发TiAlCrY合金料棒，控制蒸发棒料的上升速度为0.2mm/min,蒸发出的金属蒸汽被空心阴极电子枪电离，对基板进行金属离子溅射清洗20min；

（7）蒸发稳定后，开启空心阴极电子枪，引燃放电电弧，调整空心阴极放电电压为30V，

空心阴极放电电流为100A；降低基板偏压至-300V直流或占空比大于50%的脉冲偏压，保持蒸发稳定，在基体上沉积厚度0.5μm的TiAlCrY合金层作为过渡层；

（8）通入N₂并控制N₂流速在200立方厘米/秒，将真空室压力维持在8×10^-3Pa在基体表面开始沉积TiAlCrYN涂层，当涂层厚度达到3μm后停止沉积；

（9）关闭设备，取出沉积完毕基体材料；

对制备好样品的抗氧化性能、膜基结合强度、涂层硬度等进行测量。将试样性能数据列表如下：

表2不锈钢基体上TiAlCrYN涂层性能

实施例3：在不锈钢基体上沉积TiAlN+Al₂O₃涂层

（1）准备蒸发棒料，备用；99.99%的纯铝棒料以及Ti（50%wt）Al（50%wt）合金棒料；

（3）将纯Al以及TiAl合金料棒分别放置在两个水冷铜坩埚中；

（4）对真空室进行抽真空，使真空室内压力低于5.0×10^-3Pa;

（5）真空室通入适量Ar，将真空室压力控制在1Pa范围内，设定旋转基板架转速为1rpm，基板施加-300V直流或占空比大于50%的脉冲偏压，空心阴极电子枪电流为100A，对基体进行Ar离子溅射清洗10min;

（6）关闭Ar，维持空心阴极电子枪电流与基板偏压，用电子束加热基板到600℃，逐渐升高电子束电流的电流及电压，控制电子束电流为1.8A，电子束电压为18KV，预热并蒸发TiAl合金料棒，控制蒸发棒料的上升速度为1.0mm/min,蒸发出的金属蒸汽被空心阴极电子枪电离，对基板进行金属离子溅射清洗10min；

（7）蒸发稳定后，开启空心阴极电子枪，引燃放电电弧，调整空心阴极放电电压为10V，空心阴极放电电流为500A；降低基板偏压至-20V直流或占空比大于50%的脉冲偏压，保持蒸发稳定，在基体上沉积厚度10μm的TiAl合金层作为过渡层；

（8）通入N₂并控制N₂流速在200立方厘米/秒，将真空室压力维持在8×10^-3～1×10^-1Pa，在基体表面开始沉积TiAlN涂层，当涂层厚度达到30μm后停止沉积;

（9）关闭TiAl合金靶，同时开启纯Al靶，关闭N₂气源，通入O₂并控制O₂流速在200立方厘米/秒，开始在基体表面沉积Al₂O₃,当Al₂O₃厚度达到10μm后，停止沉积；

（10）关闭设备，取出沉积完毕基体材料；

对制备好样品的膜基结合强度、耐腐蚀性能、涂层硬度等进行测量。结果如表3所示：

表3不锈钢基体上TiAlN+Al₂O₃涂层性能

Claims

1.一种在航空发动机压气机叶片表面制备抗侵蚀涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，准备蒸发料棒，备用；

第二步，准备基体材料，并将其安装在电子束物理气相沉积设备旋转基板架上；

第三步，将待蒸发料棒放置在水冷铜坩埚中；

第四步，对真空室进行抽真空，使真空室内压力低于5.0×10^-3Pa；

第五步，真空室通入Ar，将真空室压力控制在1～20Pa，设定旋转基板架转速为1～30rpm，基板施加-300～-2000V直流或占空比大于50%的脉冲偏压，空心阴极电子枪电流为100～500A，对基体进行Ar离子溅射清洗10～60min；

第六步，关闭Ar，维持空心阴极电子枪电流与基板脉冲偏压，用电子束加热基板到100～600℃，逐渐升高电子束电流，控制电子束电流为1.4～1.8A，电子束电压为16～18KV，预热并蒸发料棒，控制蒸发料棒的上升速度为0.2～1.0mm/min，蒸发出的金属蒸汽被空心阴极电子枪电离，对基板进行金属离子溅射清洗10～20min；

第七步，蒸发稳定后，开启空心阴极电子枪，引燃放电电弧，调整空心阴极放电电压为10～30V，空心阴极放电电流为100～500A；降低基板偏压至-20～-300V直流或占空比大于50%的脉冲偏压，保持蒸发稳定，在基体上沉积0.5～10μm金属过渡层；

第八步，通入反应气体，将真空室压力维持在8×10^-3～1×10^-1Pa，在基体表面开始反应沉积防护涂层，涂层厚度为3～30μm；

第九步，关闭电子束物理气相沉积设备，取出沉积完毕基体材料，得到所需要的抗侵蚀防护涂层。

2.根据权利要求1所述的一种在航空发动机压气机叶片表面制备抗侵蚀涂层的方法，其特征在于：所述的反应气体可以是氧气、氮气、乙炔或其组合。

3.根据权利要求1所述的一种在航空发动机压气机叶片表面制备抗侵蚀涂层的方法，其特征在于：所述的基体为不锈钢或钛合金。

4.一种航空发动机压气机叶片表面抗侵蚀涂层，其特征在于：所述的抗侵蚀防护涂层为MeX类型，其中Me为Ti、Cr、Zr、Y、Al、Si、V、B、Hf、Nb、Mo、稀土族元素或其组合，X可以为O、N、C或其组合。

5.根据权利要求4所述的一种航空发动机压气机叶片表面抗侵蚀涂层，其特征在于：所述的抗侵蚀防护涂层为TiAlN涂层、TiAlCrYN涂层或者TiAlN+Al₂O₃涂层。