CN105506561A - 抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其包括如下步骤：a)布置电极片：在叶片的外边缘设置电极片，电极片与叶片的外边缘具有一距离；b)叶片装卡：将叶片及电极片放入真空室内，真空室内设置有电弧靶，真空室内填充有第一气体；c)沉积耐冲蚀涂层：对叶片及电极片通入第一偏压，对电弧靶通入第一电流，电弧靶分离出金属离子，第一气体分离出第一离子，金属离子与第一离子结合后沉积于叶片的外表面。本发明的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，通过在叶片沉积时，于叶片两旁布置辅助同电势电极片以抑制叶片的边缘效应，实现叶片边缘部位涂层结合力以及涂层厚度均匀性的目的。

Description

抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法

技术领域

本发明涉及表面技术领域，尤其有关于一种抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法。

背景技术

目前，超硬耐磨氮化物涂层在刀具和模具上得到了广泛应用，且随着航空工业的发展这类涂层已经成为压气机叶片的耐冲蚀和防腐蚀涂层，可以为压气机叶片提高2～3倍的使用寿命。这些超硬膜层大部分是通过电弧蒸发技术或磁控溅射沉积形成的，由于电弧蒸发技术或磁控溅射沉积的绕射性以及沉积过程等离子体鞘层的复杂作用，往往沉积的工件都是形状结构相对简单的刀具及模具，即使这样由于沉积过程中边缘效应的存在，在某些工件的边缘部位和尖端部位涂层的均匀性也很难保证。过去往往通过降低偏压或者缩短沉积时间的方法来保证涂层的沉积均匀性，而降低偏压会导致涂层结合力受到影响，从而影响整体涂层的质量。而叶片边缘特别是叶尖部分是冲蚀破坏最为严重的部位，因此也是最需要涂层保护的部位。因此如何消除边缘效应的影响，解决叶片涂层边缘脱落的问题是非常重要的工程问题。

叶片耐冲蚀涂层制备过程中叶片制备处于高度离子化的气氛中，在涂层沉积过程中叶片周围会形成等离子体鞘层，离子进入鞘层，并被鞘层加速后沉积在叶片基体上。因此等离子鞘层的能量及分布对涂层的质量有重要影响。在叶片两端附近的一定区域里,受边缘效应的影响,电势迅速降低,电力线分布由稀疏向紧密变化。叶片上的电场分布是影响等离子体鞘层厚度的重要因素。鞘层厚度随着偏压降低而变大。当衬底施加约为-100V的负偏压时,叶片内部鞘层的厚度仅为几百微米,鞘层很薄,电流密度较小，进入鞘层的离子将运动到叶片表面。而由于边缘效应的影响，边缘处可达到五倍以上的负偏压,鞘层厚度迅速增加到几毫米，电场强度迅速增加，即使降低偏压也不能消除沉积过程中的不均性，且会造成结合力的迅速下降。更为严重的是边缘部位迅速增加的强电流密度会使边缘的温度急剧升高，控制不当甚至会将边缘烧坏。

因此，有必要提供一种新的方法，来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，通过在叶片沉积时，于叶片两旁布置辅助同电势电极片以抑制叶片的边缘效应，实现叶片边缘部位涂层结合力以及涂层厚度均匀性的目的。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其包括如下步骤：

a)布置电极片：在叶片的外边缘设置电极片，所述电极片与所述叶片的外边缘具有一距离；

b)叶片装卡：将所述叶片及所述电极片放入真空室内，所述真空室内设置有电弧靶，所述真空室内填充有第一气体；

c)沉积耐冲蚀涂层：对所述叶片及所述电极片通入第一偏压，对所述电弧靶通入第一电流，所述电弧靶分离出金属离子，所述第一气体分离出第一离子，所述金属离子与所述第一离子结合后沉积于所述叶片的外表面。

在优选的实施方式中，在所述步骤b)与所述步骤c)之间包括离子清洗步骤：在所述真空室内通入氩气，开启气体离子源，所述氩气分离出氩离子后，通过所述氩离子对所述叶片的外表面进行清洗。

在优选的实施方式中，在所述离子清洗步骤中，通入所述真空室内的所述氩气的流量为100sccm～200sccm，所述真空室内的压强为0.1Pa～0.3Pa。

在优选的实施方式中，在所述离子清洗步骤中，所述离子清洗时间为30min～60min。

在优选的实施方式中，在所述步骤a)之前包括对所述叶片的外表面进行抛光的步骤：将所述叶片表面抛光至粗糙度0.8以下，并将抛光后的所述叶片放入超声波用丙酮液中进行清洗。

在优选的实施方式中，所述第一气体为氮气。

在优选的实施方式中，在所述步骤c)中，通入所述第一气体的流量为100sccm～400sccm，所述真空室内的压强为0.3Pa～0.6Pa。

在优选的实施方式中，在所述步骤c)中，所述第一偏压为-100V～-200V，所述第一电流为100A～160A。

在优选的实施方式中，在所述步骤c)中，沉积耐冲蚀涂层的时间为2～6小时。

在优选的实施方式中，在所述步骤c)中，将所述叶片及所述电极片连接于一底座，对所述底座通入所述第一偏压。

本发明的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法的特点及优点是：本发明提出了一种通过在叶片外表面沉积耐冲蚀层时，于叶片两旁布置辅助同电势电极片以抑制边缘效应，实现边缘部位涂层结合力以及涂层厚度均匀性的方法。该电极片与叶片边缘的距离可根据相应的鞘层厚度确定。在叶片两侧增加辅助电极片，由于电极片与叶片电势相同，当两者同时浸没在等离子体中时，辅助电极片与叶片边缘处等离子鞘层接近或达到重叠距离时，两者的鞘层互相影响，从而使叶片边缘的鞘层变薄，与内部达到或接近相同状态，从而保证边缘处电势场的均匀性，从而保证涂层结合力力及沉积厚度的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法的流程图。

图2为本发明的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法的叶片与电极片装卡的结构示意图。

图3为本发明的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法的叶片外表面的电场分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其包括如下步骤：

a)布置电极片1：在叶片2的外边缘设置电极片1，所述电极片1与所述叶片2的外边缘具有一距离D；

b)叶片2装卡：将所述叶片2及所述电极片1放入真空室3内，所述真空室3内设置有电弧靶31，所述真空室3内填充有第一气体32；

c)沉积耐冲蚀涂层：对所述叶片2及所述电极片1通入第一偏压，对所述电弧靶31通入第一电流，所述电弧靶31分离出金属离子，所述第一气体分离出第一离子，所述金属离子与所述第一离子结合后沉积于所述叶片2的外表面。

具体是，如图2所示，在步骤a)中，首先将叶片2的底部安装于一榫头4上，该榫头4与一底座5相连接并具有良好的电接触；电极片1布置于叶片2的外边缘，且该电极片1的外形轮廓与叶片2的外边缘轮廓相同，即电极片1包裹于叶片2的外周，该电极片1的两自由端通过金属螺栓51连接于该底座5上，该电极片1与叶片2的外边缘具有一距离D。

在步骤b)中，将底座5、榫头4及连接其上的叶片2和电极片1放入一真空室3内，在本发明中，该真空室3内设有一电弧靶31，且真空室3内填充有第一气体32，在本实施例中，该第一气体32为氮气。当然，在其他的实施例中，该第一气体32可根据实际沉积于叶片2外表面的耐冲蚀涂层的性能需求选择其他气体，在此不做限制。

在步骤c)中，对底座5通入第一偏压，也即对叶片2和电极片1通入第一偏压，同时，对电弧靶31通入第一电流，所述电弧靶31分离出金属离子，第一气体分离出第一离子，该金属离子与第一离子结合后沉积于叶片2的外表面。

在本发明的一具体实施例中，在沉积耐冲蚀涂层时，真空室3内可同时通入氮气和氩气，通入的氮气流量为100sccm～400sccm，氩气流量为100sccm～200sccm，真空室3内的压强保持在0.3Pa～0.6Pa，对底座5通入的第一偏压为-100V～-200V，对电弧靶31通入的第一电流为100A～160A，在此种条件下，氮气分离出氮离子，电弧靶31分离出钛离子，该氮离子与钛离子结合后沉积于叶片2的外表面形成TiN耐冲蚀涂层，在本发明中，形成该耐冲蚀涂层的时间为2～6小时。

本发明提出了一种通过在叶片2外表面沉积耐冲蚀涂层时，在叶片2两旁布置辅助同电势电极片1以抑制叶片2的边缘效应，实现叶片2边缘部位涂层结合力以及涂层厚度均匀性的方法。在本发明中，电极片1与叶片2边缘的距离可根据相应的鞘层厚度确定，如下述公式(1)，可求得叶片2外表面沉积的鞘层厚度：

$s={\[\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_0{V}_0}{e(n_1+{\mathrm{qn}}_2)}\]}^{1/2}\mathrm{...}\left(1\right)$

其中，s为沉积于叶片2我表面的鞘层厚度，单位：mm；

e为单电荷物理常量1.6×10^-19；

n₁为单电荷态离子的离子密度，单位：个/m³；

n₂为多电荷态离子的离子密度，单位：个/m³；其中，n₁+n₂约等于5×10¹⁶；

q为平均电荷态，单位C；

ε₀为真空介电常数8.85×10^-16；

V₀为加载于叶片2上的第一偏压，单位V。

另，通过下述公式(2)，可求得叶片2外表面电场强度：

$E=\frac{e}{{\mathrm{\ϵ}}_0}(n_1+{\mathrm{qn}}_2)s\mathrm{...}\left(2\right)$

其中，E为叶片2表面的电场强度，单位N/C；

e为单电荷物理常量1.6×10^-19；

n₁为单电荷态离子的离子密度，单位：个/m³；

n₂为多电荷态离子的离子密度，单位：个/m³；其中，n₁+n₂约等于5×10¹⁶；

q为平均电荷态，单位C；

ε₀为真空介电常数8.85×10^-16；

s为沉积于叶片2表面的鞘层厚度，单位mm。

在叶片2两侧增加辅助电极片1，由于电极片1与叶片2电势相同，当两者同时浸没在等离子体中时，辅助电极片1与叶片2边缘处等离子鞘层接近或达到重叠距离时，两者的鞘层互相影响，从而使叶片2边缘的鞘层变薄，与内部达到或接近相同状态，从而保证叶片2边缘处电势场的均匀性，从而保证涂层结合力及沉积厚度的均匀性。

在本发明中，对于板型零件，在加载负偏压后其边缘处的电场强度约为内部电场强度的五倍左右，相应的等离子鞘层的厚度也受电场分布的影响呈现五倍左右的关系。耐冲蚀涂层制备时周围的等离子体鞘层分布可由图3示意。等离子体鞘层厚度及鞘层边缘电场强度的计算如公式(1)和公式(2)，经过计算叶片中心部位的鞘层厚度约为几百微米，而边缘处的等离子体鞘层厚度为5mm左右，在叶片2边缘5毫米左右增加辅助电极片1，叶片2与电极片1的距离D为5mm。

根据本发明的一个实施方式，在步骤b)与步骤c)之间包括离子清洗步骤：在该真空室3内通入氩气，开启气体离子源，该氩气在气体离子源的作用下分离出氩离子后，通过该氩离子对叶片2的外表面进行清洗。

进一步的，在本实施例中，在该离子清洗步骤中，通入真空室3内的氩气的流量为100sccm～200sccm，真空室3内的压强保持在0.1Pa～0.3Pa，该离子清洗时间为30min～60min。

在叶片2外表面沉积耐冲蚀涂层前，对叶片2外表面进行离子清洗，其目的是使沉积于叶片2外表面的耐冲蚀涂层更加稳固，耐冲蚀涂层结合力高。

根据本发明的一个实施方式，在步骤a)之前包括对叶片2的外表面进行抛光的步骤：将叶片2外表面抛光至粗糙度0.8以下，并将抛光后的叶片2放入超声波用丙酮液中进行清洗，其目的是为后续沉积耐冲蚀涂层做基础，使叶片2外表面易于结合耐冲蚀涂层。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

a)布置电极片：在叶片的外边缘设置电极片，所述电极片与所述叶片的外边缘具有一距离；

b)叶片装卡：将所述叶片及所述电极片放入真空室内，所述真空室内设置有电弧靶，所述真空室内填充有第一气体；

c)沉积耐冲蚀涂层：对所述叶片及所述电极片通入第一偏压，对所述电弧靶通入第一电流，所述电弧靶分离出金属离子，所述第一气体分离出第一离子，所述金属离子与所述第一离子结合后沉积于所述叶片的外表面。

2.如权利要求1所述的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其特征在于，在所述步骤b)与所述步骤c)之间包括离子清洗步骤：在所述真空室内通入氩气，开启气体离子源，所述氩气分离出氩离子后，通过所述氩离子对所述叶片的外表面进行清洗。

3.如权利要求2所述的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其特征在于，在所述离子清洗步骤中，通入所述真空室内的所述氩气的流量为100sccm～200sccm，所述真空室内的压强为0.1Pa～0.3Pa。

4.如权利要求2所述的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其特征在于，在所述离子清洗步骤中，所述离子清洗时间为30min～60min。

5.如权利要求1所述的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其特征在于，在所述步骤a)之前包括对所述叶片的外表面进行抛光的步骤：将所述叶片表面抛光至粗糙度0.8以下，并将抛光后的所述叶片放入超声波用丙酮液中进行清洗。

6.如权利要求1所述的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其特征在于，所述第一气体为氮气。

7.如权利要求6所述的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其特征在于，在所述步骤c)中，通入所述第一气体的流量为100sccm～400sccm，所述真空室内的压强为0.3Pa～0.6Pa。

8.如权利要求6所述的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其特征在于，在所述步骤c)中，所述第一偏压为-100V～-200V，所述第一电流为100A～160A。

9.如权利要求6所述的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其特征在于，在所述步骤c)中，沉积耐冲蚀涂层的时间为2～6小时。

10.如权利要求1所述的抑制叶片耐冲蚀涂层制备过程中边缘效应的方法，其特征在于，在所述步骤c)中，将所述叶片及所述电极片连接于一底座，对所述底座通入所述第一偏压。