CN106283049B - 用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜及其制备方法，本发明的用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜由内向外依次为桨叶基底(0)、过渡层(1)、高硬度膜层和耐摩擦耐冲蚀膜层；所述用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜自叶片基底由内向外依次沉积。本发明具备优秀耐摩擦耐冲蚀能力，表面硬度大于3300HV。通过各膜层之间的梯度化连续过渡，结合整体膜系的工艺参数调整，实现桨叶膜层优秀的耐摩擦性能、耐冲蚀性能，并兼具耐划伤、耐腐蚀能性能，提高航空涡桨发动机螺旋桨叶片的使用寿命。

Description

用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及航空涡桨发动机制造技术领域，具体涉及一种用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜及其制备方法。

背景技术

航空涡轮螺旋桨发动机简称涡桨发动机，属于涡轮喷气发动机的一种，低速时的发动机效率要高于涡轮风扇发动机，因此，对中低速飞机或者低速飞机，如反潜机、巡逻机、灭火飞机等，尤其适用，并部分应用于支线客机和运输机。涡桨发动机的螺旋桨部分位于发动机前部，暴露于外部，极易受到恶劣天气的侵蚀，如执行任务过程中，必然会遭遇风沙、砂石天气情况，特别是干燥的沙漠、戈壁地区，这一危害会大量提升，会给螺旋桨桨叶的使用寿命带来极大挑战，严重影响其实用效果，这一危害集中在两点：一是疲劳损伤，一是冲蚀损伤，疲劳损伤通过改性桨叶材料组成或其他办法可以逐步解决。

本发明针对上述现象中较难处理的冲蚀损伤，通过提高耐摩擦能力，结合表面改性方法，在桨叶表面镀制多层数微米厚的以提高耐摩擦性能、耐冲蚀性能为目的的多层膜系，旨在通过表面改性技术，大幅提升桨叶使用寿命，减少冲蚀现象发生。常规办法采用通过简单提高硬度来解决耐摩擦和耐冲蚀性能的办法会因为气象现象的多变，造成提高桨叶预期寿命的目的较难奏效。

一般用于涡轮螺旋桨发动机桨叶的高硬度膜在耐摩擦和耐冲蚀性能方面不能满足实际需求，考虑到航空飞行器发动机寿命和安全严重影响到飞行安全问题，结合复杂环境使用情况，采用梯度变化的膜层结构、多种耐摩擦材料和工艺的有效结合，提升螺旋桨桨叶的使用寿命，使桨叶具备优秀的耐摩擦能力、耐冲蚀能力和耐腐蚀能力。目前，缺乏一种具备优秀耐摩擦耐冲蚀能力的航空涡桨发动机桨叶耐摩擦耐冲蚀膜及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种具备优秀耐摩擦耐冲蚀能力的航空涡桨发动机桨叶耐摩擦耐冲蚀膜及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本发明的一种用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜，所述用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜由内向外依次为桨叶基底、过渡层、高硬度膜层和耐摩擦耐冲蚀膜层；所述用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜自叶片基底由内向外依次沉积。

进一步地，所述桨叶基底为钛合金。

进一步地，所述桨叶基底为涡桨发动机桨叶；所述过渡层为金属钛层或金属铬层，所述高硬度膜层由内向外依次为氮化钛层、氮化锆铝钛层，所述耐摩擦耐冲蚀膜层由内向外依次为氮化硅钛层、氮化硅层。

更进一步地，所述过渡层的金属钛或金属铬层的厚度为12～30nm，提高膜层附着力，所述氮化钛层的厚度为1～1.3μm，所述氮化锆铝钛层的厚度为1.2～1.8μm，所述氮化硅钛层的厚度为1.5～2.0μm，所述氮化硅层的厚度为0.8～1.2μm。

进一步地，所述氮化钛层由内向外氮含量逐渐增加；氮化锆铝钛层由内向外氮含量和钛含量逐渐减少，锆含量、铝含量逐渐增加；氮化硅钛层由内向外氮含量、硅含量、钛含量逐渐增加；氮化硅层由内向外氮含量、硅含量逐渐减少。

本发明所述的用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用多弧离子镀方法，镀膜设备处于洁净空间内，洁净度十万级以内，冷却水温度在15～26℃，湿度小于50%；打开镀膜设备，抽真空至满足本底真空要求：镀膜室真空度<6×10^-3Pa，对桨叶基底加热至180℃～220℃；同时，对桨叶基底表面超声波清洗处理，依次采用去离子水、丙酮、酒精、去离子水清洗，清洗时间15～30min；

（2）桨叶基底固定于镀膜机内部星轮式基片架上，通入氩气至真空度在1～3×10^{- 1}Pa之间，进行氩离子清洗，偏压电源-300V～-450V，时间8～15min；沉积过渡层：抽真空至1.5×10^-2Pa以下，充入氩气，维持真空度1～5×10^-1Pa，开启金属钛靶或金属铬靶电源，负偏压-30～-80V，镀膜时间5～15min；

（3）沉积氮化钛层：充入氮气，逐步提高流量，降低氩气流量，同时开启金属钛靶电源，偏压-40V～-260V，偏压电源逐渐增大，镀膜时间15～20min；沉积氮化锆铝钛层：氮气流量逐步减小，氩气流量逐步增大，金属钛靶电源偏压逐渐减小，同时开启金属锆、铝靶偏压电源，偏压在-40V～-260V，偏压逐渐增大，镀膜时间20～30min；

（4）沉积氮化硅钛层：氮气流量逐渐增加，氩气流量逐渐减小，开启金属硅靶电源，金属钛靶、硅靶偏压逐渐增大，偏压在-40V～-260V，镀膜时间25～35min，其他靶电源停止；沉积氮化硅层：氮气流量逐渐减小，氩气流量逐渐增加，硅靶电源偏压逐渐减小，偏压电源在-40V～-260V，镀膜时间15～20min，镀膜过程结束；镀膜结束后，充氩气保压至桨叶基底温度降至室温再出片，制得用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜。

进一步地，在步骤（2）至步骤（4）中，镀膜过程中，维持真空度基本不变，保持氮气偏压>1×10^-1Pa；桨叶基底温度维持在180℃～220℃之间；电源电流在20～60A，星轮式基片架公转速度5～15r/min。

进一步地，在步骤（2）至步骤（4）中，镀膜过程中，维持真空度为1～3×10^-1Pa。

有益效果：本发明具备优秀耐摩擦耐冲蚀能力，表面硬度大于3300HV。本发明具备优秀的耐摩擦性能和高硬度性能，并有较低的摩擦系数，通过合理调整各膜层工艺参数、膜层厚度及各元素之间匹配比例，可主动调整膜层性能参数，本发明的耐摩擦耐冲蚀膜层可满足涡桨飞机在极端天气下频繁使用的需求，并有效提高涡桨发动机桨叶至原来3～5倍以上寿命。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明膜系采用金属、金属氮化物和非金属氮化物组成，金属层用于过渡同时提高膜层附着力，氮化钛、氮化锆铝钛、氮化硅钛、氮化硅等氮化物有较高的耐摩擦和耐腐蚀性能，并具备较高的硬度。

（2）本发明为了进一步提高耐摩擦耐冲蚀性能，各层之间无明显界限，采用梯度变化特点，各层膜层元素之间金属含量、膜层结构梯度变化，且氮气含量也呈梯度变化，进一步提高膜层耐摩擦性能，特别是耐冲蚀能力。

（3）膜层最外层为氮化硅膜层，可提高整体膜层的耐摩擦性能、耐腐蚀性能，并可进一步提高膜层在风沙、砂石天气情况下的耐冲蚀性能。

附图说明

图1为本发明的示意图；

其中，0桨叶基底，1过渡层，21氮化钛层，22氮化锆铝钛层，31氮化硅钛层，32氮化硅层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明的一种用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜，所述用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜由内向外依次为桨叶基底0、过渡层1、高硬度膜层和耐摩擦耐冲蚀膜层；所述用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜自叶片基底由内向外依次沉积。

所述桨叶基底0为钛合金。

所述桨叶基底0为涡桨发动机桨叶；所述过渡层1为金属钛层或金属铬层，所述高硬度膜层由内向外依次为氮化钛层21、氮化锆铝钛层22，所述耐摩擦耐冲蚀膜层由内向外依次为氮化硅钛层31、氮化硅层32。

所述过渡层的金属钛或金属铬层的厚度为12nm，提高膜层附着力，所述氮化钛层21的厚度为1.3μm，所述氮化锆铝钛层22的厚度为1.2μm，所述氮化硅钛层31的厚度为2.0μm，所述氮化硅层32的厚度为0.8μm。

所述氮化钛层21由内向外氮含量逐渐增加；氮化锆铝钛层22由内向外氮含量和钛含量逐渐减少，锆含量、铝含量逐渐增加；氮化硅钛层31由内向外氮含量、硅含量、钛含量逐渐增加；氮化硅层32由内向外氮含量、硅含量逐渐减少。

本发明所述的用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用多弧离子镀方法，镀膜设备处于洁净空间内，洁净度十万级以内，冷却水温度在15℃，湿度小于50%；打开镀膜设备，抽真空至满足本底真空要求：镀膜室真空度<6×10^-3Pa，对桨叶基底0加热至220℃；同时，对桨叶基底0表面超声波清洗处理，依次采用去离子水、丙酮、酒精、去离子水清洗，清洗时间15min；

（2）桨叶基底0固定于镀膜机内部星轮式基片架上，通入氩气至真空度在2×10^-1Pa之间，进行氩离子清洗，偏压电源-300V，时间12min；沉积过渡层1：抽真空至1.5×10^-2Pa以下，充入氩气，维持真空度1×10^-1Pa，开启金属钛靶或金属铬靶电源，负偏压-50V，镀膜时间10min；

（3）沉积氮化钛层21：充入氮气，逐步提高流量，降低氩气流量，同时开启金属钛靶电源，偏压-40V，偏压电源逐渐增大，镀膜时间15min；沉积氮化锆铝钛层22：氮气流量逐步减小，氩气流量逐步增大，金属钛靶电源偏压逐渐减小，同时开启金属锆、铝靶偏压电源，偏压在-40V，偏压逐渐增大，镀膜时间20min；

（4）沉积氮化硅钛层31：氮气流量逐渐增加，氩气流量逐渐减小，开启金属硅靶电源，金属钛靶、硅靶偏压逐渐增大，偏压在-260V，镀膜时间25min，其他靶电源停止；沉积氮化硅层32：氮气流量逐渐减小，氩气流量逐渐增加，硅靶电源偏压逐渐减小，偏压电源在-40V，镀膜时间18min，镀膜过程结束；镀膜结束后，充氩气保压至桨叶基底0温度降至室温再出片，制得用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜。

在步骤（2）至步骤（4）中，镀膜过程中，维持真空度基本不变，所述真空度为1×10^{- 1}Pa，保持氮气偏压>1×10^-1Pa；桨叶基底0温度维持在180℃；电源电流在20A，星轮式基片架公转速度10r/min。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：本发明的一种用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜，所述过渡层的金属钛或金属铬层的厚度为30nm，提高膜层附着力，所述氮化钛层21的厚度为1μm，所述氮化锆铝钛层22的厚度为1.8μm，所述氮化硅钛层31的厚度为1.5μm，所述氮化硅层32的厚度为1.2μm。

本发明所述的用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用多弧离子镀方法，镀膜设备处于洁净空间内，洁净度十万级以内，冷却水温度在26℃，湿度小于50%；打开镀膜设备，抽真空至满足本底真空要求：镀膜室真空度<6×10^-3Pa，对桨叶基底0加热至180℃；同时，对桨叶基底0表面超声波清洗处理，依次采用去离子水、丙酮、酒精、去离子水清洗，清洗时间20min；

（2）桨叶基底0固定于镀膜机内部星轮式基片架上，通入氩气至真空度在1×10^-1Pa之间，进行氩离子清洗，偏压电源-450V，时间8min；沉积过渡层1：抽真空至1.5×10^-2Pa以下，充入氩气，维持真空度5×10^-1Pa，开启金属钛靶或金属铬靶电源，负偏压-30V，镀膜时间5min；

（3）沉积氮化钛层21：充入氮气，逐步提高流量，降低氩气流量，同时开启金属钛靶电源，偏压-160V，偏压电源逐渐增大，镀膜时间18min；沉积氮化锆铝钛层22：氮气流量逐步减小，氩气流量逐步增大，金属钛靶电源偏压逐渐减小，同时开启金属锆、铝靶偏压电源，偏压在-100V，偏压逐渐增大，镀膜时间25min；

（4）沉积氮化硅钛层31：氮气流量逐渐增加，氩气流量逐渐减小，开启金属硅靶电源，金属钛靶、硅靶偏压逐渐增大，偏压在-40V，镀膜时间30min，其他靶电源停止；沉积氮化硅层32：氮气流量逐渐减小，氩气流量逐渐增加，硅靶电源偏压逐渐减小，偏压电源在-260V，镀膜时间15min，镀膜过程结束；镀膜结束后，充氩气保压至桨叶基底0温度降至室温再出片，制得用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜。

在步骤（2）至步骤（4）中，镀膜过程中，维持真空度基本不变，所述真空度为3×10^{- 1}Pa，保持氮气偏压>1×10^-1Pa；桨叶基底0温度维持在220℃；电源电流在40A，星轮式基片架公转速度15r/min。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于：本发明的一种用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜，所述过渡层的金属钛或金属铬层的厚度为20nm，提高膜层附着力，所述氮化钛层21的厚度为1.1μm，所述氮化锆铝钛层22的厚度为1.6μm，所述氮化硅钛层31的厚度为1.8μm，所述氮化硅层32的厚度为1.0μm。

本发明所述的用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）采用多弧离子镀方法，镀膜设备处于洁净空间内，洁净度十万级以内，冷却水温度在20℃，湿度小于50%；打开镀膜设备，抽真空至满足本底真空要求：镀膜室真空度<6×10^-3Pa，对桨叶基底0加热至200℃；同时，对桨叶基底0表面超声波清洗处理，依次采用去离子水、丙酮、酒精、去离子水清洗，清洗时间30min；

（2）桨叶基底0固定于镀膜机内部星轮式基片架上，通入氩气至真空度在3×10^-1Pa之间，进行氩离子清洗，偏压电源-350V，时间8～15min；沉积过渡层1：抽真空至1.5×10^-2Pa以下，充入氩气，维持真空度4×10^-1Pa，开启金属钛靶或金属铬靶电源，负偏压-80V，镀膜时间15min；

（3）沉积氮化钛层21：充入氮气，逐步提高流量，降低氩气流量，同时开启金属钛靶电源，偏压-260V，偏压电源逐渐增大，镀膜时间20min；沉积氮化锆铝钛层22：氮气流量逐步减小，氩气流量逐步增大，金属钛靶电源偏压逐渐减小，同时开启金属锆、铝靶偏压电源，偏压在-260V，偏压逐渐增大，镀膜时间30min；

（4）沉积氮化硅钛层31：氮气流量逐渐增加，氩气流量逐渐减小，开启金属硅靶电源，金属钛靶、硅靶偏压逐渐增大，偏压在-260V，镀膜时间35min，其他靶电源停止；沉积氮化硅层32：氮气流量逐渐减小，氩气流量逐渐增加，硅靶电源偏压逐渐减小，偏压电源在-260V，镀膜时间20min，镀膜过程结束；镀膜结束后，充氩气保压至桨叶基底0温度降至室温再出片，制得用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜

在步骤（2）至步骤（4）中，镀膜过程中，维持真空度基本不变，所述真空度为2×10^{- 1}Pa，保持氮气偏压>1×10^-1Pa；桨叶基底0温度维持在200℃；电源电流在60A，星轮式基片架公转速度5r/min；。

尽管本文较多地使用了桨叶基底0，过渡层1，氮化钛层21，氮化锆铝钛层22，氮化硅钛层31，氮化硅层32等等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜，其特征在于：所述用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜由内向外依次为桨叶基底（0）、过渡层（1）、高硬度膜层和耐摩擦耐冲蚀膜层；所述用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜自叶片基底由内向外依次沉积；所述桨叶基底（0）为钛合金；所述桨叶基底（0）为涡桨发动机桨叶；所述过渡层（1）为金属钛层或金属铬层，所述高硬度膜层由内向外依次为氮化钛层（21）、氮化锆铝钛层（22），所述耐摩擦耐冲蚀膜层由内向外依次为氮化硅钛层（31）、氮化硅层（32）；所述过渡层的金属钛或金属铬层的厚度为12~30nm，所述氮化钛层（21）的厚度为1~1.3μm，所述氮化锆铝钛层（22）的厚度为1.2~1.8μm，所述氮化硅钛层（31）的厚度为1.5~2.0μm，所述氮化硅层（32）的厚度为0.8~1.2μm；所述氮化钛层（21）由内向外氮含量逐渐增加；氮化锆铝钛层（22）由内向外氮含量和钛含量逐渐减少，锆含量、铝含量逐渐增加；氮化硅钛层（31）由内向外氮含量、硅含量、钛含量逐渐增加；氮化硅层（32）由内向外氮含量、硅含量逐渐减少。

2.权利要求1所述的用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）采用多弧离子镀方法，镀膜设备处于洁净空间内，洁净度十万级以内，冷却水温度在15~26℃，湿度小于50%；打开镀膜设备，抽真空至满足本底真空要求：镀膜室真空度<6×10^-3Pa，对基片加热至180℃~220℃；同时，对桨叶基底表面超声波清洗处理，依次采用去离子水、丙酮、酒精、去离子水清洗，清洗时间15~30min；

（2）桨叶基底固定于镀膜机内部星轮式基片架上，通入氩气至真空度在1~3×10^-1Pa之间，进行氩离子清洗，偏压电源-300V~-450V，时间8~15min；沉积过渡层（1）：抽真空至1.5×10^-2Pa以下，充入氩气，维持真空度1~5×10^-1Pa，开启金属钛靶或金属铬靶电源，负偏压-30~-80V，镀膜时间5~15min；

（3）沉积氮化钛层（21）：充入氮气，逐步提高流量，降低氩气流量，同时开启金属钛靶电源，偏压-40V~-260V，偏压电源逐渐增大，镀膜时间15~20min；沉积氮化锆铝钛层（22）：氮气流量逐步减小，氩气流量逐步增大，金属钛靶电源偏压逐渐减小，同时开启金属锆、铝靶偏压电源，偏压在-40V~-260V，偏压逐渐增大，镀膜时间20~30min；

（4）沉积氮化硅钛层（31）：氮气流量逐渐增加，氩气流量逐渐减小，开启金属硅靶电源，金属钛靶、硅靶偏压逐渐增大，偏压在-40V~-260V，镀膜时间25~35min，其他靶电源停止；沉积氮化硅层（32）：氮气流量逐渐减小，氩气流量逐渐增加，硅靶电源偏压逐渐减小，偏压电源在-40V~-260V，镀膜时间15~20min，镀膜过程结束；镀膜结束后，充氩气保压至基片温度降至室温再出片，制得用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜。

3.根据权利要求2所述的用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜的制备方法，其特征在于：在步骤（2）至步骤（4）中，镀膜过程中，维持真空度基本不变，保持氮气偏压>1×10^-1Pa；叶片温度维持在180℃~220℃之间；电源电流在20~60A，星轮式基片架公转速度5~15r/min。

4.根据权利要求2所述的用于航空涡桨发动机桨叶的耐摩擦耐冲蚀膜的制备方法，其特征在于：在步骤（2）至步骤（4）中，镀膜过程中，维持真空度为1~3×10^-1Pa。