CN104328385A - 一种压气机叶片涂层的制备方法及表面改性设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种压气机叶片涂层的制备方法及表面改性设备，制备方法包括：将叶片装入表面改性设备的真空腔室中并抽真空，真空腔室上连接有第一弧源、第二弧源、MEVVA离子源、考夫曼离子源和氮气源；用考夫曼离子源对叶片表面进行清洗；用MEVVA离子源对叶片表面进行离子注入；用第一弧源和第二弧源在叶片表面上镀Ta-Cr-Al膜；用第一弧源、第二弧源以及氮气源在叶片表面上镀(Ta，Cr，Al)×N膜；依次重复完成镀膜。本发明通过采用阴极磁过滤和等离子体增强技术，改善了叶片复杂结构膜层沉积均匀性差的问题，同时采用新型的掺杂Al的Ta-Cr-N纳米多层膜提高叶片表面的耐高温腐蚀和冲蚀能力。

Description

一种压气机叶片涂层的制备方法及表面改性设备
技术领域
本发明涉及一种多工况耦合防护方法，特别是涉及一种采用阴极磁过滤和等离子体增强技术，在压气机叶片上镀制掺杂Al的Ta-Cr-N纳米多层膜的制备方法及表面改性设备，属于真空镀膜技术领域。
背景技术
叶片是压气机结构件中的关键零部件之一，也是压气机使用和实验中故障率最高的零部件之一。究其原因，除其拥有高速旋转、数量多、形体单薄、载荷状况严酷等特点外，还因其一直暴露于大气环境中，从而经受大气环境的腐蚀作用。工作时，气流中的腐蚀介质高速冲刷叶片表面，在表面造成冲蚀损伤；停放时，腐蚀性的大气环境也会对其表面造成腐蚀损伤。因此，压气机叶片需要在其表面进行耐高温腐蚀和冲蚀防护。
目前，压气机叶片一般采用表面涂覆有机涂料的防护方式，但该种膜层主要是以抗腐蚀为主，耐磨和抗冲蚀性能很差；而现有的利用PVD沉积的TiN和CrN涂层，虽然在耐冲蚀性能方面有很大提高，但在耐腐蚀性能方面仍存在缺陷，在较高的温度环境下，该种缺陷表现的更为明显。其它采用PVD方法制备的涂层，亦存在功能较单一，主要以抗冲蚀为主，没有综合考虑耐高温、耐腐蚀的性能的问题。就国内而言，多弧离子镀以及磁控溅射是常见的叶片涂层制备方法，磁控溅射的膜基结合力比较差，多弧离子镀的大颗粒比较多，表面粗糙度大。
因此，现有的叶片镀膜工艺存在镀膜均匀性能差，叶片表面的综合防护性能不够的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有压片机叶片镀膜工艺的镀膜均匀性能差以及叶片表面的综合防护性能不够的问题，提供一种压气机叶片涂层的制备方法及表面改性设备，可提高压气机叶片表面的综合防护性能。
为了实现上述目的，本发明的压气机叶片涂层的制备方法，包括如下步骤：
S10，准备一表面改性设备，所述表面改性设备具有真空腔室，所述真空腔室上连接有一第一弧源、一第二弧源、一MEVVA离子源、一考夫曼离子源和氮气源，所述第一弧源采用铬铝合金靶，所述第二弧源采用钽靶，所述MEVVA离子源采用铬阴极；
S20，将一叶片装入所述真空腔室中，所述真空腔室抽真空至6.0×10-4Pa至7.0×10-4Pa；
S30，用所述考夫曼离子源对所述叶片表面进行清洗；
S40，用所述MEVVA离子源对所述叶片表面进行离子注入；
S50，用所述第一弧源和所述第二弧源在叶片表面上镀Ta-Cr-Al膜；
S60，用所述第一弧源、所述第二弧源以及氮气源在叶片表面上镀(Ta,Cr,Al)×N膜；
S70，依次重复所述步骤S40、S50和S60两到十次，同时进行所述步骤S30；
S80，镀膜结束后，冷却，对所述真空腔室进行充气，取出完成镀膜的所述叶片。
上述的压气机叶片涂层的制备方法，其中，所述步骤S10还包括如下步骤：
所述第一弧源中，铬的重量百分比含量为90％，铝的重量百分比含量为10％。
上述的压气机叶片涂层的制备方法，其中，所述步骤S30还包括如下步骤：
所述考夫曼离子源的离子束能量由5kV增加至30kV，溅射时间为10min～30min。
上述的压气机叶片涂层的制备方法，其中，所述步骤S40还包括如下步骤：
所述MEVVA离子源的触发频率为10Hz～15Hz，弧压为-120V，注入能量分别为30kV、40kV以及50kV，注入时间为10min至60min。
上述的压气机叶片涂层的制备方法，其中，所述步骤S50还包括如下步骤：
所述第一弧源和所述第二弧源的具体控制参数为：偏转电流控制在0.8A～1.6A，启动弯管磁过滤聚焦正偏压，稳定值设置为24V，弧源电流为80A～110A，镀膜工件靶流为200mA～1700mA，负压为90V～150V，占空比为50％～90％，沉积时间为30min。
上述的压气机叶片涂层的制备方法，其中，所述步骤S60还包括如下步骤：
所述第一弧源和所述第二弧源的具体控制参数为：偏转电流控制在0.8A～1.6A，启动弯管磁过滤聚焦正偏压，稳定值设置为24V，弧源电流为80A～110A，镀膜工件靶流为200mA～1700mA，负压为90V～150V，占空比为50％～90％，沉积时间为50min，所述氮气源的氮气流量为35sccm。
上述的压气机叶片涂层的制备方法，其中，所述步骤S80中冷却时间为60min。
上述的压气机叶片涂层的制备方法，其中，所述步骤S50和所述步骤S60中，所述第一弧源和所述第二弧源同时进行工作。
本发明还提供一种压气机叶片涂层的表面改性设备，对一叶片进行覆膜，包括：
氮气源；
真空腔室，所述氮气源连接于所述真空腔室外，所述叶片设置于所述真空腔室内，所述真空腔室包括侧壁和底壁和顶壁；
第一弧源，连接于所述侧壁上；
第二弧源，连接于所述侧壁上；
MEVVA离子源，连接于所述侧壁上；以及
考夫曼离子源，连接于所述底壁上；
其中，所述第一弧源采用铬铝合金靶，所述第二弧源采用钽靶，所述MEVVA离子源采用铬阴极，所述考夫曼离子源对所述叶片表面进行清洗，所述MEVVA离子源、所述第一弧源、所述第二弧源和所述氮气源对所述叶片表面进行反复镀膜。
上述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其中，所述真空腔室包括工作台，所述工作台设置于所述真空腔室内部，所述叶片设置于所述工作台。
上述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其中，所述真空腔室包括顶壁，所述工作台连接于所述顶壁，所述工作台具有旋转装置。
上述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其中，所述侧壁包括左侧壁、右侧壁和后侧壁，所述第一弧源连接于所述左侧壁，所述第二弧源连接于所述右侧壁，所述MEVVA离子源连接于所述后侧壁。
上述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其中，所述第一弧源与所述左侧壁的接口的中心线、所述第二弧源与所述右侧壁的接口的中心线以及所述MEVVA离子源与所述后侧壁的接口的中心线处于同一水平面上。
上述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其中，所述第一弧源与所述第二弧源相对所述真空腔室的中垂线对称设置。
上述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其中，所述第一弧源和所述第二弧源为带有90°磁过滤管道的磁过滤弧源。
本发明通过采用阴极磁过滤和等离子体增强技术，改善了叶片复杂结构膜层沉积均匀性差的问题，同时采用新型的掺杂Al的Ta-Cr-N纳米多层膜提高叶片表面的耐高温腐蚀和冲蚀能力。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明的压气机叶片涂层的制备方法的流程图；
图2为本发明的压气机叶片涂层的表面改性设备的主视图；
图3为图2的左视图；
图4为图2的俯视图。
其中，附图标记
100  表面改性设备
110  真空腔室
111  侧壁
111a 左侧壁
111b 右侧壁
111c 后侧壁
112  底壁
113  顶壁
114  工作台
115  氮气入口
120  第一弧源
130 第二弧源
140 MEVVA离子源
150 考夫曼离子源
200 叶片
P、M、N、L 中心线
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
本发明的压气机叶片涂层的制备方法如图1所示。参阅图2至图4，图2至图4为本发明实现压气机叶片涂层制备的表面改性设备，以下首先对本发明的压气机叶片涂层的表面改性设备进行说明。
本发明的压气机叶片涂层的表面改性设备100，用于对压气机叶片进行覆膜。如图所示，本发明的表面改性设备100包括真空腔室110、第一弧源120、第二弧源130、MEVVA离子源140、考夫曼离子源150和氮气源。叶片200设置于真空腔室110内，真空腔室110包括侧壁111(参阅图4)和底壁112，第一弧源120、第二弧源130和MEVVA离子源140分别连接于侧壁111上；考夫曼离子源150连接于底壁112上。
其中，第一弧源120采用铬铝合金靶，第二弧源130采用钽靶，MEVVA离子源140采用铬阴极，考夫曼离子源150对叶片200表面进行清洗，MEVVA离子源140、第一弧源120、第二弧源130和氮气源对叶片表面进行反复镀膜。详细镀膜方法参见下述。
如图1所示，其中，第一弧源120与第二弧源130相对真空腔室110的中垂线P对称设置。
具体地，真空腔室110还包括顶壁113和工作台114，工作台114连接于顶壁113上，并且工作台114设置于真空腔室110的内部，叶片200设置于工作台114。
工作台114具有旋转装置(图未示)，旋转装置使工作台114能够带动叶片200自转。
参阅图4，真空腔室110的侧壁111包括左侧壁111a、右侧壁111b和后侧壁111c，第一弧源120连接于左侧壁111a，第二弧源130连接于右侧壁111b，MEVVA离子源140连接于后侧壁111c。
如图2和图3所示，第一弧源120与左侧壁111a的接口具有中心线M，第二弧源130与右侧壁111b的接口具有中心线N，MEVVA离子源140与后侧壁111c的接口具有中心线L，中心线M、中心线N以及中心线L处于同一水平面上。
真空腔室110还具有氮气入口115，氮气入口115与氮气源相连接，用于向真空腔室110内通入氮气。
上述的第一弧源120和第二弧源130为带有90°磁过滤管道的磁过滤弧源。
本发明通过采用阴极磁过滤和等离子体增强技术，改善了叶片复杂结构膜层沉积均匀性差的问题，同时采用新型的掺杂Al的Ta-Cr-N纳米多层膜提高叶片表面的耐腐蚀和冲蚀能力。
参照图1，以下以两个具体实施例对本发明的压气机叶片涂层的制备方法进行说明。
实施例1：
步骤10，将待处理叶片装入表面改性设备中。设备左侧弧源采用铬铝合金靶，质量百分比含量为铬90％-铝10％，纯度为99.8％；设备右侧弧源采用钽靶，纯度为99.8％；MEVVA离子注入源采用铬阴极，纯度是99.8％。
步骤20：关闭炉膛，开启机械泵、分子泵，开启循环水系统，抽真空至6.0×10-4Pa，开始工艺。
步骤30，用考夫曼离子源对叶片表面进行清洗。具体控制参数为：离子束能量由5kV增加至30kV，溅射时间10min。
步骤40，用MEVVA源对叶片表面进行离子注入。具体控制参数为：金属离子源触发频率10Hz，弧压-120V，分别注入能量30kV、40kV和50kV，其中30kV注入时间为10min，40kV注入时间为15min，50kV注入时间为60min。
步骤50，在叶片表面上镀Ta-Cr-Al膜。同时启动左、右两侧的弯管，调整控制电源，具体控制参数为：偏转电流控制在0.8A～1.6A，启动弯管磁过滤聚焦正偏压，稳定值设置为24V。弧源电流为80～110A。镀膜工件靶流为200mA，负压为90V。占空比为50％，沉积时间为30min。
步骤60，在叶片表面上镀(Ta,Cr,Al)×N膜。在步骤50的工艺参数下，将氮气源的氮气流量调整为35sccm，其它参数不变，沉积时间为50min。
步骤70，重复步骤40、步骤50、步骤60两次，同时进行步骤30。
步骤80，镀膜结束后，冷却60min后，进行真空腔室充气，取出试样，完成纳米多层膜的制备。
实施例2：
步骤10，将待处理叶片装入表面改性设备中。设备左侧弧源采用铬铝合金靶，质量百分比含量为铬90％-铝10％，纯度为99.8％；设备右侧弧源采用钽靶，纯度为99.8％；MEVVA离子注入源采用铬阴极，纯度是99.8％。
步骤20，关闭炉膛，开启机械泵、分子泵，开启循环水系统，抽真空至7.0×10-4Pa，开始工艺。
步骤30，用考夫曼离子源对叶片表面进行清洗。具体控制参数为：离子束能量由5kV增加至30kV，溅射时间30min。
步骤40，用MEVVA源对叶片表面进行离子注入。具体控制参数为：金属离子源触发频率15Hz，弧压-120V，分别注入能量30kV、40kV和50kV，其中30kV注入时间为10min，40kV注入时间为15min，50kV注入时间为60min。
步骤50，在叶片表面上镀Ta-Cr-Al膜。同时启动左、右两侧的弯管，调整控制电源，具体控制参数为：偏转电流控制在0.8A～1.6A，启动弯管磁过滤聚焦正偏压，稳定值设置为24V。弧源电流为80～110A。镀膜工件靶流为1700mA，负压为150V。占空比为90％，沉积时间为30min。
步骤60，在叶片表面上镀(Ta,Cr,Al)×N膜。在步骤50的工艺参数下，将氮气源的氮气流量调整为35sccm，其它参数不变，镀膜时间为50min。
步骤70，重复步骤40、步骤50、步骤60十次，同时进行步骤30。
步骤80，镀膜结束后，冷却60min后，进行真空腔室充气，取出试样，完成纳米多层膜的制备。
经检测，本发明所制备的压气机叶片涂层按照GJB150.11A-2009进行常温盐雾腐蚀试验500h后涂层表面可达10级，评级标准按照GB/T 6461-2002进行。在300℃热盐雾氛围中下进行96小时试验后，本发明所制备的压气机叶片涂层表面没有锈点。在气流速度300m/s、固体颗粒速度200m/s、微粒尺寸1.5um～129um、撞击角度60°的条件下进行冲蚀试验，本发明所制备的压气机叶片涂层磨损率比母材磨损率大幅降，其中室温下降低3.2倍，200℃下降低3.1倍，350℃下降低3.3倍。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (15)

1.一种压气机叶片涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10，准备一表面改性设备，所述表面改性设备具有真空腔室，所述真空腔室上连接有一第一弧源、一第二弧源、一MEVVA离子源、一考夫曼离子源和一氮气源，所述第一弧源采用铬铝合金靶，所述第二弧源采用钽靶，所述MEVVA离子源采用铬阴极；
S20，将一叶片装入所述真空腔室中，所述真空腔室抽真空至6.0×10-4Pa到7.0×10-4Pa之间；
S30，用所述考夫曼离子源对所述叶片表面进行清洗；
S40，用所述MEVVA离子源对所述叶片表面进行离子注入；
S50，用所述第一弧源和所述第二弧源在叶片表面上镀Ta-Cr-Al膜；
S60，用所述第一弧源、所述第二弧源以及氮气源在叶片表面上镀(Ta,Cr,Al)×N膜；
S70，依次重复所述步骤S40、S50和S60，同时进行所述步骤S30；
S80，镀膜结束后，冷却，对所述真空腔室进行充气，取出完成镀膜的所述叶片。
2.根据权利要求1所述的压气机叶片涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S10还包括如下步骤：
所述第一弧源中，铬的重量百分比含量为90％，铝的重量百分比含量为10％。
3.根据权利要求1所述的压气机叶片涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S30还包括如下步骤：
所述考夫曼离子源的离子束能量由5kV增加至30kV，溅射时间为10min～30min。
4.根据权利要求1所述的压气机叶片涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S40还包括如下步骤：
所述MEVVA离子源的触发频率为10Hz～15Hz，弧压为-120V，注入能量分别为30kV、40kV以及50kV，注入时间为10min至60min。
5.根据权利要求1所述的压气机叶片涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S50还包括如下步骤：
所述第一弧源和所述第二弧源的具体控制参数为：偏转电流控制在0.8A～1.6A，启动弯管磁过滤聚焦正偏压，稳定值设置为24V，弧源电流为80A～110A，镀膜工件靶流为200mA～1700mA，负压为90V～150V，占空比为50％～90％，沉积时间为30min。
6.根据权利要求1所述的压气机叶片涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S60还包括如下步骤：
所述第一弧源和所述第二弧源的具体控制参数为：偏转电流控制在0.8A～1.6A，启动弯管磁过滤聚焦正偏压，稳定值设置为24V，弧源电流为80A～110A，镀膜工件靶流为200mA～1700mA，负压为90V～150V，占空比为50％～90％，沉积时间为50min，所述氮气源的氮气流量为35sccm。
7.根据权利要求1所述的压气机叶片涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S80中冷却时间为60min。
8.根据权利要求1所述的压气机叶片涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S50和所述步骤S60中，所述第一弧源和所述第二弧源同时进行工作。
9.一种压气机叶片涂层的表面改性设备，对一叶片进行覆膜，其特征在于，包括：
氮气源；
真空腔室，所述氮气源连接于所述真空腔室外，所述叶片设置于所述真空腔室内，所述真空腔室包括侧壁和底壁和顶壁；
第一弧源，连接于所述侧壁上；
第二弧源，连接于所述侧壁上；
MEVVA离子源，连接于所述侧壁上；以及
考夫曼离子源，连接于所述底壁上；
其中，所述第一弧源采用铬铝合金靶，所述第二弧源采用钽靶，所述MEVVA离子源采用铬阴极，所述考夫曼离子源对所述叶片表面进行清洗，所述MEVVA离子源、所述第一弧源、所述第二弧源和所述氮气源对所述叶片表面进行反复镀膜。
10.根据权利要求9所述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其特征在于，所述真空腔室包括工作台，所述工作台设置于所述真空腔室内部，所述叶片设置于所述工作台。
11.根据权利要求10所述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其特征在于，所述真空腔室包括顶壁，所述工作台连接于所述顶壁，所述工作台具有旋转装置。
12.根据权利要求11所述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其特征在于，所述侧壁包括左侧壁、右侧壁和后侧壁，所述第一弧源连接于所述左侧壁，所述第二弧源连接于所述右侧壁，所述MEVVA离子源连接于所述后侧壁。
13.根据权利要求12所述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其特征在于，所述第一弧源与所述左侧壁的接口的中心线、所述第二弧源与所述右侧壁的接口的中心线以及所述MEVVA离子源与所述后侧壁的接口的中心线处于同一水平面上。
14.根据权利要求9所述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其特征在于，所述第一弧源与所述第二弧源相对所述真空腔室的中垂线对称设置。
15.根据权利要求9所述的压气机叶片涂层的表面改性设备，其特征在于，所述第一弧源和所述第二弧源为带有90°磁过滤管道的磁过滤弧源。
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