CN111218652A - 一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法 - Google Patents

一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法，包括以下步骤：(1)叶片按局部遮蔽方法进行防护然后吹砂，之后去除防护并超声清洗；(2)叶片按局部遮蔽方法进行防护和装夹后放入真空室：(3)抽真空后采用等离子体清洗；(4)采用电子枪对叶片未遮蔽区扫描以对叶片预热；(5)预热后开启阴极弧靶以进行涂层沉积；(6)采用电子枪对叶片未遮蔽区再次扫描以对叶片进行沉积涂层后热处理；(7)真空下冷却。本发明在整个叶片上形成涂层沉积区、过渡涂层沉积区和无涂层区，同时采用沉积前电子束扫描预热和沉积后电子束扫描热处理，来改变叶片应力及分布，调节叶片弹性模量，避免沉积涂层对叶片振动频率影响。

Description

一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法
技术领域
本发明属于航空发动机压气机叶片用于耐磨防腐的表面处理技术领域，具体涉及一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法。
背景技术
飞机起飞和降落过程中地面上大量的砂尘、冰雪等各种硬质颗粒被吸入发动机，很容易损伤压气机转子叶片，这些损伤一方面体现在硬质颗粒可直接磨损叶尖造成型面的改变，影响叶片的振动性能，更为严重的是因硬质颗粒损伤而产生的微裂纹在振动条件下扩展而造成叶片的高周疲劳或应力腐蚀疲劳断裂。
目前压气机叶片主要采用涂层进行防护，其防护技术已经经历三代的发展，第一代防护涂层为无机盐中温铝及镉镍涂层，重点关注的是防腐问题，但是实际应用中抗冲刷性能太差，以致于涂层起到的耐腐蚀作用非常有限；第二代防护涂层为低温渗铝加硅酸盐的复合涂层，其防腐和抗冲刷性能较好，但是其使用寿命和维修周期仍然较短；第三代为MeN基防护涂层体系，其耐冲刷及耐腐蚀性能得到较大提高，在美欧等国得到广泛应用，此种防护涂层体系，通常采用PVD技术来制备，主要包括磁控溅射和阴极弧沉积技术。
采用PVD制备抗冲刷涂层，可以有效防护叶片冲蚀损伤，目前大多数研究及应用，多采用叶片全部沉积涂层，导致叶片振动频率变化较大，即叶片振动频率在80-90Hz左右，尤其8μm以上的较厚涂层更为严重，振动频率的增大对发动机压气机叶片疲劳和寿命是有害的，需要采取必要的方法加以解决，目前主要方法就是控制涂层厚度，以减少振动频率影响。
发明内容
本发明提供一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法，区分叶片应力集中区及主要冲刷区，采用开放式遮蔽及完全遮蔽方式，在整个叶片上形成涂层沉积区、过渡涂层沉积区和无涂层区，进而形成压气机叶片防护涂层在叶片上的厚度渐变，同时采用沉积前电子束扫描预加热和沉积后电子束扫描热处理，来改变叶片应力及分布，调节叶片弹性模量，从而避免沉积涂层对叶片振动频率影响。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法，包括以下步骤：
(1)根据航空压气机叶片冲刷位置和应力集中部位分析，确定叶片顶端的叶尖到叶身长度2/3处为重点冲刷区，该区域不遮蔽，叶片其余位置采用遮蔽方法，从而使叶片形成三个区域即：涂层沉积区、过渡涂层沉积区和无涂层区；
(2)采用金属箔将叶片底部的榫头以及从叶身下端的叶根开始算起的叶身长度1/6区域部分进行包覆，实现完全遮蔽，从而形成步骤(1)中的完全遮蔽的无涂层区，然后进行吹砂以去除叶片上的表面氧化物，吹砂后将金属箔取下，并将叶片放入超声波清洗机中清洗一段时间以去除污染物；
(3)将步骤(2)中超声清洗后的叶片采用金属箔将叶片底部的榫头以及从叶身下端的叶根开始算起的叶身长度1/6区域部分再次进行包覆，实现完全遮蔽；
(4)将步骤(3)中用金属箔包覆好的叶片底部的榫头竖直放入水平叶片夹持法兰顶面中部的凹槽中，并采用紧固螺钉将榫头与叶片夹持法兰相固定，进而将叶片固定到叶片夹持法兰上，叶片中榫头上侧的叶身处于叶片夹持法兰顶面上方处，且叶身竖直布置；
(5)采用紧固螺钉将左、右对称布置的90度弯曲的左、右不锈钢遮挡片对称固定到叶片的左右两侧，即将左不锈钢遮挡片设置于叶片叶盆的左侧处，将右不锈钢遮挡片设置于叶片叶背的右侧处，左不锈钢遮挡片的竖直段与叶片叶身平行，且左不锈钢遮挡片的竖直段长度为叶身长度的1/3，左不锈钢遮挡片的水平段与叶片夹持法兰左部通过紧固螺钉相固定，右不锈钢遮挡片的竖直段与叶片叶身平行，且右不锈钢遮挡片的竖直段长度为叶身长度的1/3，右不锈钢遮挡片的水平段与叶片夹持法兰右部通过紧固螺钉相固定，进而实现开放式遮蔽，从而形成步骤(1)中的过渡涂层沉积区和涂层沉积区；
(6)将叶片固定和遮蔽好后，将叶片放入真空室并抽真空，然后采用等离子体清洗一段时间，以进一步去除氧化物和污染物；
(7)采用电子枪对步骤(6)中经等离子体清洗后的叶片的未遮蔽区域即涂层沉积区进行电子束扫描，以对叶片进行预热，当预热到400-500℃时停止电子束扫描；
(8)开启真空阴极弧靶，对步骤(7)中预热到400-500℃的叶片进行氮化物陶瓷涂层沉积，沉积涂层的厚度在4-20μm；
(9)采用电子枪对步骤(8)中沉积涂层后的叶片的未遮蔽区域即涂层沉积区再次进行电子束扫描，以对叶片进行沉积涂层后的热处理，加热至500-550℃并保持一段时间，之后在真空下冷却并将叶片取出。
进一步地，步骤(2)中：将叶片放入超声波清洗机中清洗55-65min以去除污染物。
进一步地，步骤(6)中：叶片固定和遮蔽好后，将叶片夹持法兰固定到具有四个矩形阴极弧靶的设备转台上，以使叶片夹持法兰随同转台转动，叶片随同叶片夹持法兰转动，而四个阴极弧靶固定不动，然后抽真空后采用等离子体清洗28-33min，其中基体脉冲偏压-800V，以进一步去除氧化物和污染物。
进一步地，步骤(7)、步骤(8)与步骤(9)中的叶片均随同叶片夹持法兰转动。
进一步地，步骤(8)中：对步骤(7)中预热到400-500℃的叶片进行氮化物陶瓷涂层沉积的沉积时间根据所需要的涂层厚度以及弧靶沉积效率确定。
进一步地，步骤(8)中：叶片为涡轴发动机一级叶片，开启真空阴极弧靶，对步骤(7)中预热到400-500℃的叶片进行TiN涂层沉积，其中弧靶电流为120A，基体脉冲偏压-100V，叶片涂层沉积时间为235-245min。
进一步地，步骤(9)中：加热至500-550℃并保持30-90min。
综上，本发明利用叶片应力分布、弹性模量与振动频率间的关系，采取沉积前电子束扫描预热，沉积时局部遮蔽，沉积后电子束扫描热处理，来改变叶片应力及分布，调节其弹性模量，从而避免沉积涂层对叶片振动频率影响，具体遮蔽方式为：通过分析确定叶片应力集中区域及主要冲刷区域，然后在冲刷较为严重区域不遮蔽，此区域可以进行电子束扫描加热以及沉积耐冲蚀涂层，在应力集中但冲刷相对较弱区域采用开放式遮蔽，此区域可形成较薄的涂层过渡区，在应力集中但无冲刷影响区域采用完全遮蔽方式，此区域无涂层沉积。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
一、为减少叶片振动频率变化，提出抗冲蚀涂层分区域沉积方法，区分叶片应力集中区及主要冲刷区，采用开放式遮蔽及完全遮蔽方式，在整个叶片上形成涂层沉积区、过渡涂层沉积区和无涂层区，使叶片涂层沉积后形成三个区域：涂层区、过渡涂层区和无涂层区，进而形成压气机叶片防护涂层在叶片上的厚度渐变；
二、提出叶片沉积涂层前电子束扫描预热，沉积涂层后电子束扫描热处理工艺；电子束扫描预热：一方面可以降低基体弹性模量，从而降低叶片振动频率，另一方面提高基体温度，可以提高沉积涂层的结合强度；沉积涂层后电子束扫描热处理可以释放涂层内应力，提高涂层使用寿命，还可以降低涂层弹性模量，进而降低叶片振动频率。
附图说明
图1为本发明中叶片遮蔽方法示意图；
图2为涡轴发动机一级叶片上沉积的TiN涂层的扫面电镜图；
图3为带TiN涂层的涡轴发动机一级叶片实物图；
图4为无涂层、全部沉积TiN涂层以及从叶尖到叶身长度2/3区域沉积TiN涂层的一级叶片振动频率的对比图。
附图说明：1、涂层沉积区，2、过渡涂层沉积区，3、叶身完全遮蔽保护区，4、无涂层区，5、叶身，6、榫头，7、叶尖，8、叶根，9、左不锈钢遮挡片，10、遮挡片紧固螺钉，11、榫头紧固螺钉，12、叶片夹持法兰，13、右不锈钢遮挡片，14、凹槽。
具体实施方式
实施例
以涡轴发动机一级叶片分区后TiN耐冲刷涂层的沉积为例，其中叶片的叶身长度为54mm，涂层制备方法包括以下步骤：
(1)根据一级叶片冲刷位置和应力集中部位分析，确定叶片顶端的叶尖7到叶身5长度2/3处为重点冲刷区，该区域不遮蔽，叶片其余位置采用遮蔽方法，从而使叶片形成三个区域即：涂层沉积区1、过渡涂层沉积区2和无涂层区4；
(2)如图1所示，采用金属箔将一级叶片底部的榫头6以及从叶身5下端的叶根8开始算起的叶身5长度1/6即9mm±1mm区域部分进行包覆，实现完全遮蔽，从而形成步骤(1)中的完全遮蔽的无涂层区4，然后进行吹砂以去除叶片上的表面氧化物，吹砂后将金属箔取下，并将叶片放入超声波清洗机中清洗60min以去除污染物；
(3)如图1所示，将步骤(2)中超声清洗后的叶片采用金属箔将叶片底部的榫头6以及从叶身5下端的叶根8开始算起的叶身5长度1/6即9mm±1mm区域部分再次进行包覆，实现完全遮蔽；
(4)如图1所示，将步骤(3)中用金属箔包覆好的叶片底部的榫头6竖直放入水平叶片夹持法兰12顶面中部的凹槽14中，并采用榫头紧固螺钉11将榫头6与叶片夹持法兰12相固定，进而将叶片固定到叶片夹持法兰12上，叶片中榫头6上侧的叶身5处于叶片夹持法兰12顶面上方处，且叶身5竖直布置；
(5)如图1所示，采用遮挡片紧固螺钉10将左、右对称布置的90度弯曲的左不锈钢遮挡片9、右不锈钢遮挡片13对称固定到叶片的左右两侧，即将左不锈钢遮挡片9设置于叶片叶盆的左侧处，将右不锈钢遮挡片13设置于叶片叶背的右侧处，左不锈钢遮挡片9的竖直段与叶片叶身5平行，且左不锈钢遮挡片9的竖直段长度为叶身5长度的1/3即18mm±1mm，左不锈钢遮挡片9的水平段与叶片夹持法兰12左部通过遮挡片紧固螺钉10相固定，右不锈钢遮挡片13的竖直段与叶片叶身5平行，且右不锈钢遮挡片13的竖直段长度为叶身5长度的1/3即18mm±1mm，右不锈钢遮挡片13的水平段与叶片夹持法兰12右部通过遮挡片紧固螺钉10相固定，进而实现开放式遮蔽，从而形成步骤(1)中的过渡涂层沉积区2和涂层沉积区1；
(6)将叶片固定和遮蔽好后，将叶片夹持法兰12固定到具有四个矩形阴极弧靶的设备转台上，以使叶片夹持法兰12随同转台转动，叶片随同叶片夹持法兰12转动，而四个阴极弧靶固定不动，然后抽真空后采用等离子体清洗30min，其中基体脉冲偏压-800V，以进一步去除氧化物和污染物；
(7)采用电子枪对步骤(6)中经等离子体清洗后的转动着的叶片的未遮蔽区域即涂层沉积区1进行电子束扫描，以对叶片进行预热，当红外测温仪显示叶片温度为400℃时停止电子束扫描；
(8)开启真空阴极弧靶，对步骤(7)中预热到400℃的转动着的叶片进行TiN涂层沉积，其中弧靶电流为120A，基体脉冲偏压-100V，叶片涂层沉积时间为240min；
(9)采用电子枪对步骤(8)中沉积涂层后的叶片的未遮蔽区域即涂层沉积区1再次进行电子束扫描，以对叶片进行沉积涂层后的热处理，加热至550℃并保持60min，之后在真空下冷却并将叶片取出，并对叶片进行涂层厚度和振动频率等测试。
如图2所示，一级叶片上沉积的TiN涂层的最大厚度为19μm。
如图3所示，涂层区域长度为45±1mm。
如图4所示，从叶尖7到叶身5长度2/3区域沉积TiN涂层的一级叶片振动频率明显比全部沉积TiN涂层的一级叶片的振动频率低。

Claims (7)

1.一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据航空压气机叶片冲刷位置和应力集中部位分析，确定叶片顶端的叶尖到叶身长度2/3处为重点冲刷区，该区域不遮蔽，叶片其余位置采用遮蔽方法，从而使叶片形成三个区域即：涂层沉积区、过渡涂层沉积区和无涂层区；
(2)采用金属箔将叶片底部的榫头以及从叶身下端的叶根开始算起的叶身长度1/6区域部分进行包覆，实现完全遮蔽，从而形成步骤(1)中的完全遮蔽的无涂层区，然后吹砂，吹砂后将金属箔取下，并将叶片放入超声波清洗机中清洗一段时间；
(3)将步骤(2)中超声清洗后的叶片采用金属箔将叶片底部的榫头以及从叶身下端的叶根开始算起的叶身长度1/6区域部分再次进行包覆，实现完全遮蔽；
(4)将步骤(3)中用金属箔包覆好的叶片底部的榫头竖直放入水平叶片夹持法兰顶面的凹槽中，并采用紧固螺钉将榫头与叶片夹持法兰相固定，叶片中榫头上侧的叶身处于叶片夹持法兰顶面上方处，且叶身竖直布置；
(5)采用紧固螺钉将两个90度弯曲的不锈钢遮挡片固定到叶片左右两侧，不锈钢遮挡片的竖直段与叶片叶身平行，且不锈钢遮挡片的竖直段长度为叶身长度的1/3，不锈钢遮挡片的水平段与叶片夹持法兰通过紧固螺钉固定，进而实现开放式遮蔽，从而形成步骤(1)中的过渡涂层沉积区和涂层沉积区；
(6)将叶片固定和遮蔽好后，将叶片放入真空室并抽真空，然后采用等离子体清洗一段时间；
(7)采用电子枪对步骤(6)中经等离子体清洗后的叶片的未遮蔽区域即涂层沉积区进行电子束扫描，以对叶片进行预热，当预热到400-500℃时停止电子束扫描；
(8)开启真空阴极弧靶，对步骤(7)中预热到400-500℃的叶片进行氮化物陶瓷涂层沉积，沉积涂层的厚度在4-20μm；
(9)采用电子枪对步骤(8)中沉积涂层后的叶片的未遮蔽区域即涂层沉积区再次进行电子束扫描，以对叶片进行沉积涂层后的热处理，加热至500-550℃并保持一段时间，之后在真空下冷却并将叶片取出。
2.根据权利要求1所述的一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法，其特征在于步骤(2)中：将叶片放入超声波清洗机中清洗55-65min以去除污染物。
3.根据权利要求1所述的一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法，其特征在于步骤(6)中：叶片固定和遮蔽好后，将叶片夹持法兰固定到具有四个矩形阴极弧靶的设备转台上，以使叶片夹持法兰随同转台转动，叶片随同叶片夹持法兰转动，而四个阴极弧靶固定不动，然后抽真空并采用等离子体清洗28-33min，其中基体脉冲偏压-800V，以进一步去除氧化物和污染物。
4.根据权利要求1所述的一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法，其特征在于：步骤(7)、步骤(8)与步骤(9)中的叶片均随同叶片夹持法兰转动。
5.根据权利要求1所述的一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法，其特征在于步骤(8)中：对步骤(7)中预热到400-500℃的叶片进行氮化物陶瓷涂层沉积的沉积时间根据所需要的涂层厚度以及弧靶沉积效率确定。
6.根据权利要求1所述的一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法，其特征在于步骤(8)中：叶片为涡轴发动机一级叶片，开启真空阴极弧靶，对步骤(7)中预热到400-500℃的叶片进行TiN涂层沉积，其中弧靶电流为120A，基体脉冲偏压-100V，叶片涂层沉积时间为235-245min。
7.根据权利要求1所述的一种低振动频率变化的压气机叶片抗冲刷涂层制备方法，其特征在于步骤(9)中：加热至500-550℃并保持30-90min。
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