CN107475666A - 一种航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法及发动机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法及发动机叶片，所述方法包括如下步骤：榫头表面前处理；对榫头表面进行毛化加工，得到毛化形貌为中间凸两边凹的球冠状型；涂层工艺准备；沉积Zr过渡层；沉积MoS2软涂层。本发明在航空发动机叶片榫头部分采用毛化(凹凸复合结构)织构与软涂层复合结构，利用毛化表面硬化作用，使榫头榫槽紧密咬合，避免微动损伤，同时软涂层可起到减摩耐磨作用，毛化结构的凹坑部分亦可收集软涂层材料，上述各结构功能协同耦合，可以有效增强榫头榫槽之间的连接可靠性，提高榫头表面疲劳强度，减小摩擦磨损，避免微动损伤、疲劳断裂，大大提高了航空发动机叶片榫头榫槽连接可靠性以及使用寿命。

Description

一种航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法及发动机 叶片
技术领域
发明属于航空发动机叶片表面处理技术，尤其涉及一种航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法及发动机叶片。
背景技术
航空发动机叶片榫头榫槽连接处，结合面之间往往存在微小的相对滑动，在实际工况中，当发动机转速发生变化时，叶片出现振动，榫头榫槽连接处随之发生振动，当振动幅度大到一定程度时，榫头榫槽连接处将发生断裂。
航空发动机叶片的振幅大到一定程度时，叶片承受的振动弯曲应力叠加离心载荷引起的应力超过叶片的疲劳强度时，就会导致叶片疲劳断裂失效。
航空发动机叶片常采用钛合金材料，由于钛合金的摩擦系数较大，对微动损伤极为敏感。钛合金叶片在使用过程中因振动极易引起榫头榫槽接触表面的微动损伤。
目前针对航空发动机疲劳断裂的现象，常采用的方法有：(1)在接触表面上镀银或涂以干膜润滑；(2)在接触表面喷涂软涂层或热障涂层；(3)采用喷丸、冷滚压等措施在微动表面造成残余压应力。但是，在航空发动机实际工作中，发动机转速很快，叶片会发生强烈振动，接触表面所镀固体润滑剂或涂层均极易发生脱落，影响发动机正常工作。采用喷丸、冷滚压等措施只能在一定程度上增强材料疲劳强度，不能从根本上解决接触断裂的问题。
激光毛化技术(LST)利用激光与物质的相互作用，在表面形成熔池，最终凝固成一系列毛化点。试验表明，在钛合金基体表面采用激光毛化加工，可有效提高基体表面的硬度、疲劳强度、耐磨性，并且能够提高基体表面之间的粘接性。在基体表面沉积MoS2软涂层可有效减少摩擦磨损，同时增强耐磨性，沉积软涂层前对表面进行激光毛化处理可有效增加涂层与基体之前接触面积，增大结合强度，同时毛化表面的凹坑结构亦可收集软涂层材料，起到持续润滑的作用。
中国专利(ZL201610527541.9)提出了一种织构化软硬涂层刀具及其制备方法，在涂层前，首先在硬质合金刀具基体表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，然后依次沉积过渡层和硬涂层，再在硬涂层表面用飞秒激光加工出均匀分布的纳米级织构，最后在织构化硬涂层表面沉积软涂层。中国专利(ZL201310021922.6)提出了一种带有硬软复合涂层与织构化表面的减摩耐磨活塞环及制备方法，在活塞环外圆面沉积硬质涂层如镀铬层或渗碳氮层或镍基镀层，采用脉冲激光对硬质涂层面进行织构化处理，获得规则均匀的微孔阵列，并在织构化表面制备软质涂层如镀银层或镀锡层或磁控溅射MoS2涂层。上述专利涉及凹坑织构和涂层复合结构，利用了凹坑织构的承载能力和涂层的减摩耐磨性，运用场合为刀具或活塞环等，发动机叶片榫头榫槽连接处在发动机工作时易发生微动损伤、脱落、断裂等失效形式。
发明内容
本发明针对航空发动机叶片榫头榫槽连接处在发动机工作时易发生微动损伤、脱落、断裂等失效形式，提出了一种航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法及发动机叶片，在航空发动机叶片榫头部分采用毛化(凹凸复合结构)织构与软涂层复合结构，利用毛化表面硬化作用，使榫头榫槽紧密咬合，避免微动损伤，同时软涂层可起到减摩耐磨作用，毛化结构的凹坑部分亦可收集软涂层材料，上述各结构功能协同耦合，可以有效增强榫头榫槽之间的连接可靠性，提高榫头表面疲劳强度，减小摩擦磨损，避免微动损伤、疲劳断裂，大大提高了航空发动机叶片榫头榫槽连接可靠性以及使用寿命。
本发明的技术方案是：一种航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法，包括如下步骤：
步骤S1、榫头表面前处理：对榫头加工表面抛光至镜面，并清洗；
步骤S2、对榫头表面进行毛化加工：采用SPI光纤激光器，输出为准直平行光，发散角小于0.4mrad，输出光束质量M2<1.1,光斑直径不大于5mm，输出功率为100～400W，脉冲频率为10～120KHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度为10～70us，氮气为辅助气体，辅助气体吹气角度与工件法向呈0～60°，气体流量为10～450/min，毛化形貌为中间凸两边凹的球冠状型；
步骤S3、涂层工艺准备：将激光毛化处理得到的榫头，再经过超声清洗，辉光清洗，溅射清洗，去除基体表面残留气体和杂质；
步骤S4、沉积Zr过渡层:在榫头表面采用多弧离子镀沉积技术沉积Zr过渡层；
步骤S5、沉积MoS2软涂层：在毛化区域采用中频磁控溅射、多弧离子镀结合的离子体辅助沉积技术沉积一层MoS2软涂层。
上述方案中，所述球冠状型毛化形貌具体几何参数为：凹坑直径d＝5～600um，凹坑深度h＝0.1～60um，凸肩高度H＝1～80um，凸起形貌平顶直径为1～600um，形貌间距S＝20～1600um。
上述方案中，所述毛化区域的面积占榫头榫槽接触区总接触面积的占有率为55％～75％
上述方案中，所述步骤S1中榫头表面的粗糙度小于0.05um，并用酒精进行超声清洗20分钟。
上述方案中，所述步骤S3中涂层工艺准备具体为：将激光毛化处理得到的榫头用酒精和丙酮各超声清洗20min；充分干燥后放至真空室，将真空室抽至1.0×10-2pa以下，在基体上施加800V的副偏压，设置占空比为0.2，在Ar2氛围中进行基体的辉光清洗，氩气压强为1.5Pa，持续20min，清除基体表面吸附的气体及其他杂质；开启多弧锆靶，Zr靶电流设置为60A，氩气压强调小至0.5Pa，副偏压调成200V，占空比为0.2，进行溅射清洗，去除基体表面残留气体和杂质，持续2min。
上述方案中，所述步骤S4中具体为：设置氩气压强为0.5Pa，副偏压为150V，占空比为0.2，在基体表面采用多弧离子镀沉积技术沉积3min的Zr过渡层，控制Zr靶电流70A。
上述方案中，所述步骤S5具体为：开启离子源和中控磁控溅射MoS2靶，沉积MoS2软涂层，设置沉积温度为220～300℃，沉积结束后，保温30min，关闭加热自然冷却至室温。
上述方案中，所述Zr过渡层厚度为5～10um。
上述方案中，所述MoS2软涂层高度为10～30um。
一种利用权利要求1所述航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法加工得到的发动机叶片，所述发动机叶片的榫头表面与榫槽接触区加工有中间凸两边凹的球冠状型毛化形貌；所述球冠状型毛化形貌上先后沉积Zr过渡层和MoS2软涂层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明对榫头表面进行激光毛化处理可有效增强榫头表面硬度，毛化处理后的榫头表面硬度较榫槽表面可提高4倍左右，使榫头榫槽接触形成“硬软结合”的连接方式，从而更加紧密连接，避免发生微动磨损。
2.本发明榫头表面激光毛化处理区域发生重融，表面残余压应力和表面张力增大，对互相接触的榫槽表面有一定吸附作用，可以抑制微动磨损的产生。
3.本发明激光毛化处理钛合金表面可有效增加材料表面的疲劳强度和耐磨性，使航空发动机叶片避免发生疲劳断裂，从而延长叶片使用寿命。
4.本发明毛化表面沉积软涂层可有效减小摩擦磨损，且毛化结构的凹坑部分在工作过程中可收集涂层材料，起到持续润滑的作用。
5.本发明MoS2软涂层高度不高于毛化结构凸起高度，从而充分发挥毛化点硬质作用和软涂层的润滑减摩效果。
6.本发明毛化区域面积占有率为55～75％时能够最好地发挥毛化结构与软涂层协同耦合，达到减摩润滑，防止微动磨损的效果。
附图说明
图1为本发明榫头榫槽接触表面毛化处理示意图；
图2为本发明毛化结构示意图；
图3为本发明榫头榫槽毛化加工区域示意图；
图4为本发明实施例一钛合金叶片榫头表面球冠状毛化形貌微观形貌图；
图5为本发明施例一钛合金叶片榫头表面球冠状毛化形貌轮廓图。
图6为本发明实施例二钛合金叶片榫头表面球冠状毛化形貌微观形貌图；
图7为本发明施例二钛合金叶片榫头表面球冠状毛化形貌轮廓图。
图8为本发明实施例三钛合金叶片榫头表面球冠状毛化形貌微观形貌图；
图9为本发明施例三钛合金叶片榫头表面球冠状毛化形貌轮廓图。
其中，1.为榫头表面；2.为毛化区域；3.为涂层区域；4.榫槽表面；5.为榫头；6.为榫头榫槽接触区；7.为榫槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
采用航空发动机涡轮转子钛合金叶片枞树形榫头为例具体说明。
实例例一：
步骤一，榫头表面1前处理，对榫头加工表面抛光至镜面，保证粗糙度小于0.05um，用酒精进行超声清洗20分钟。
步骤二，榫头表面1毛化处理，采用SPI光纤激光器对榫头表面1，即上表面进行毛化加工，输出为准直平行光，发散角小于0.4mrad，输出光束质量M2<1.1，光斑直径不大于5mm，输出功率为100W，脉冲频率为10KHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度为10us。选择氮气为辅助气体，辅助气体吹气角度与工件法向呈20°，气体流量为10ml/min，毛化形貌为球冠状型。
步骤三，涂层工艺准备，将激光毛化处理得到的榫头用酒精和丙酮各超声清洗20min，充分干燥后放至真空室，将真空室抽至1.0×10-2pa以下，在毛化区域基体上施加800V的副偏压，设置占空比为0.2，在Ar2氛围中进行基体的辉光清洗，氩气压强为1.5Pa，持续20min，清除基体表面吸附的气体及其他杂质。开启多弧锆靶，Zr靶电流设置为60A，氩气压强调小至0.5Pa，副偏压调成200V，占空比为0.2，进行溅射清洗，去除基体表面残留气体和杂质，持续2min。
步骤四，沉积Zr过渡层，设置氩气压强为0.5Pa，副偏压为150V，占空比为0.2，在基体表面采用多弧离子镀沉积技术沉积3min的Zr过渡层，控制Zr靶电流70A，过渡层厚度5um。
步骤五，沉积MoS2软涂层，关闭锆靶，开启离子源和中控磁控溅射MoS2靶，沉积MoS2软涂层，涂层厚度10um，设置沉积温度为220～300℃，沉积结束后，保温30min，关闭加热自然冷却至室温，形成涂层区域3。
如图1所示为利用上述方法加工的到的发动机叶片榫头，发动机叶片榫头表面1的毛化区域2具有球冠状型毛化形貌和涂层区域，所述涂层区域3包括Zr过渡层和MoS2软涂层；加工后的榫头表面1和榫槽表面4形成“硬软结合”的连接方式。图3所示为榫头榫槽毛化加工区域示意图，图中榫头5和榫槽7之间的榫头榫槽接触区6为加工区域。
所述毛化形貌为球冠状型，毛化结构如图2所示，具体形貌如图4所示，轮廓尺寸如图5所示，凹坑直径d＝40um，凹坑深度h＝30um，凸肩高度H＝15um，凸起形貌平顶直径为45um，形貌间距S＝100um，形貌占有率为55％。
实例例二：
步骤一，榫头表面1前处理，对榫头加工表面抛光至镜面，保证粗糙度小于0.05um，用酒精进行超声清洗20分钟。
步骤二，榫头表面1毛化处理，采用SPI光纤激光器对榫头表面1，即上表面进行毛化加工，输出为准直平行光，发散角小于0.4mrad，输出光束质量M2<1.1，光斑直径不大于5mm，输出功率为200W，脉冲频率为60KHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度为35us。选择氮气为辅助气体，辅助气体吹气角度与工件法向呈40°，气体流量为200ml/min，毛化形貌为球冠状型。
步骤三，涂层工艺准备，将激光毛化处理得到的榫头用酒精和丙酮各超声清洗20min，充分干燥后放至真空室，将真空室抽至1.0×10-2pa以下，在毛化区域基体上施加800V的副偏压，设置占空比为0.2，在Ar2氛围中进行基体的辉光清洗，氩气压强为1.5Pa，持续20min，清除基体表面吸附的气体及其他杂质。开启多弧锆靶，Zr靶电流设置为60A，氩气压强调小至0.5Pa，副偏压调成200V，占空比为0.2，进行溅射清洗，去除基体表面残留气体和杂质，持续2min。
步骤四，沉积Zr过渡层，设置氩气压强为0.5Pa，副偏压为150V，占空比为0.2，在基体表面采用多弧离子镀沉积技术沉积3min的Zr过渡层，控制Zr靶电流70A，过渡层厚度为7.5um
步骤五，沉积MoS2软涂层，关闭锆靶，开启离子源和中控磁控溅射MoS2靶，沉积MoS2软涂层，涂层厚度为20um，设置沉积温度为220～300℃，沉积结束后，保温30min，关闭加热自然冷却至室温。
利用上述方法加工的发动机叶片榫头表面1的毛化形貌为球冠状型，所述毛化形貌为球冠状型，毛化结构如图2所示，具体形貌如图6所示，轮廓尺寸如图7所示，凹坑直径d＝100um，凹坑深度h＝60um，凸肩高度H＝45um，凸起形貌平顶直径为150um，形貌间距S＝200um，形貌占有率为65％。
实例例三：
步骤一，榫头表面1前处理，对榫头加工表面抛光至镜面，保证粗糙度小于0.05um，用酒精进行超声清洗20分钟。
步骤二，榫头表面1毛化处理，采用SPI光纤激光器对榫头表面1，即上表面进行毛化加工，输出为准直平行光，发散角小于0.4mrad，输出光束质量M2<1.1，光斑直径不大于5mm，输出功率为400W，脉冲频率为120KHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度70us。选择氮气为辅助气体，辅助气体吹气角度与工件法向呈0～60°，气体流量为450ml/min，毛化形貌为球冠状型。
步骤三，涂层工艺准备，将激光毛化处理得到的榫头用酒精和丙酮各超声清洗20min，充分干燥后放至真空室，将真空室抽至1.0×10-2pa以下，在毛化区域基体上施加800V的副偏压，设置占空比为0.2，在Ar2氛围中进行基体的辉光清洗，氩气压强为1.5Pa，持续20min，清除基体表面吸附的气体及其他杂质。开启多弧锆靶，Zr靶电流设置为60A，氩气压强调小至0.5Pa，副偏压调成200V，占空比为0.2，进行溅射清洗，去除基体表面残留气体和杂质，持续2min。
步骤四，沉积Zr过渡层，设置氩气压强为0.5Pa，副偏压为150V，占空比为0.2，在基体表面采用多弧离子镀沉积技术沉积3min的Zr过渡层，控制Zr靶电流70A，过渡层厚度为10um。
步骤五，沉积MoS2软涂层，关闭锆靶，开启离子源和中控磁控溅射MoS2靶，沉积MoS2软涂层，涂层厚度为30um，设置沉积温度为220～300℃，沉积结束后，保温30min，关闭加热自然冷却至室温。
利用上述方法加工的发动机叶片榫头表面1的毛化形貌为球冠状型，所述毛化形貌为球冠状型，毛化结构如图2所示，具体形貌如图8所示，轮廓尺寸如图9所示，凹坑直径d＝150um，凹坑深度h＝50um，凸肩高度H＝100um，凸起形貌平顶直径为200um，形貌间距S＝400um，形貌占有率为75％。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、榫头表面(1)前处理：对榫头加工表面抛光至镜面，并清洗；
步骤S2、对榫头表面(1)进行毛化加工：采用SPI光纤激光器，输出为准直平行光，发散角小于0.4mrad，输出光束质量M2<1.1,光斑直径不大于5mm，输出功率为100～400W，脉冲频率为10～120KHz，激光波长为1064nm，脉冲宽度为10～70us，氮气为辅助气体，辅助气体吹气角度与工件法向呈0～60°，气体流量为10～450/min，毛化形貌为中间凸两边凹的球冠状型；
步骤S3、涂层工艺准备：将激光毛化处理得到的榫头，再经过超声清洗，辉光清洗，溅射清洗，去除基体表面残留气体和杂质；
步骤S4、沉积Zr过渡层:在榫头表面(1)采用多弧离子镀沉积技术沉积Zr过渡层；
步骤S5、沉积MoS2软涂层：在毛化区域(2)采用中频磁控溅射、多弧离子镀结合的离子体辅助沉积技术沉积一层MoS2软涂层。
2.根据权利要求1所述的航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法，其特征在于，所述球冠状型毛化形貌具体几何参数为：凹坑直径d＝5～600um，凹坑深度h＝0.1～60um，凸肩高度H＝1～80um，凸起形貌平顶直径为1～600um，形貌间距S＝20～1600um。
3.根据权利要求1所述的航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法，其特征在于，所述毛化区域(2)的面积占榫头榫槽接触区(6)总接触面积的占有率为55％～75％。
4.根据权利要求1所述的航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法，其特征在于，所述步骤S1中榫头表面(1)的粗糙度小于0.05um，并用酒精进行超声清洗20分钟。
5.根据权利要求1所述的航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法，其特征在于，所述步骤S3中涂层工艺准备具体为：将激光毛化处理得到的榫头用酒精和丙酮各超声清洗20min；充分干燥后放至真空室，将真空室抽至1.0×10-2pa以下，在基体上施加800V的副偏压，设置占空比为0.2，在Ar2氛围中进行基体的辉光清洗，氩气压强为1.5Pa，持续20min，清除基体表面吸附的气体及其他杂质；开启多弧锆靶，Zr靶电流设置为60A，氩气压强调小至0.5Pa，副偏压调成200V，占空比为0.2，进行溅射清洗，去除基体表面残留气体和杂质，持续2min。
6.根据权利要求5所述的航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法，其特征在于，所述步骤S4中具体为：设置氩气压强为0.5Pa，副偏压为150V，占空比为0.2，在基体表面采用多弧离子镀沉积技术沉积3min的Zr过渡层，控制Zr靶电流70A。
7.根据权利要求6所述的航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：开启离子源和中控磁控溅射MoS2靶，沉积MoS2软涂层，设置沉积温度为220～300℃，沉积结束后，保温30min，关闭加热自然冷却至室温。
8.根据权利要求1或6所述的航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法，其特征在于，所述Zr过渡层厚度为5～10um。
9.根据权利要求1或7所述的航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法，其特征在于，所述MoS2软涂层高度为10～30um。
10.一种利用权利要求1所述航空发动机叶片榫头毛化织构涂层处理方法加工得到的发动机叶片，其特征在于，所述发动机叶片的榫头表面(1)与榫槽接触区加工有中间凸两边凹的球冠状型毛化形貌；所述球冠状型毛化形貌上先后沉积Zr过渡层和MoS2软涂层。
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