专利名称：用于海军航空发动机压气机叶片的离子镀TiAlN涂层的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属表面涂覆技术，适用于海军航空发动机压气机叶片的涂层。
海军航空兵飞机常年在海洋环境里工作、在海面上飞行或在舰艇上停放，由于海洋气氛潮湿和含盐量比较高，水分子凝结和活性Cl-离子对飞机材料造成腐蚀是不可避免的，飞机在停放和飞行中还受到动静载荷的作用，在腐蚀和力学因素的交互作用下，飞机构件的使用寿命大幅度降低，对安全飞行造成极大的威胁，因而通过有效的防护手段提高飞机构件的使用寿命便成为航空工业发展中极为引人注意的研究方向。
相对上面提到的在潮湿和含盐量较高的海洋性气氛里工作的构件来讲，海军航空兵飞机发动机尾气压气机叶片的工作环境更为恶劣，压气机叶片的材料许多采用的是1Cr11Ni2W2MoV不锈钢，而压气机的后级叶片的工作温度大约在300～600℃之间，在通常干燥大气中，这种不锈钢具有较好的防腐蚀性能，这是因为在较高的温度下1Cr11Ni2W2MoV不锈钢的表面形成了一层致密的Cr2O3氧化层，阻止了材料的进一步氧化，但对于海军航空发动机，不但工作温度高，还受水蒸气、活性Cl-离子腐蚀以及动静载荷等力学因素的综合作用，在水蒸气和盐的综合作用对氧化膜有极强的破坏作用，致使压气叶片在短时间内快速腐蚀和氧化，造成压气机叶片无法正常工作，给飞行安全带来极大影响。
航空发动机的表面改性工艺很多，但海洋气氛中航空发动机压气机后级叶片的防护问题一直没有解决，离子镀TiN涂层由于具有高的硬度，具有较好的耐磨性和冲蚀性能，主要应用于刀具、模具的硬质渡层。由于针孔，空洞等缺陷的存在，其耐蚀性较差。要作为海洋气氛中的防护涂层，解决针孔等问题是其关键。
本发明的目的提供一种用于海军航空发动机压气机叶片的离子镀TiAlN涂层，利用成分调制和工艺参数的控制，在不需要对设备改造的前提下，解决了阻碍离子镀TiN涂层应用于防腐领域的针孔、空洞等问题，创造性的将硬质涂层应用于海军航空发动机压气机叶片的防护涂层。
本发明离子镀TiAlN涂层工艺方法如下利用IPB30/30T型空心阴极离子镀膜机，根据镀料中钛、铝熔点和蒸气压的不同及反应活性的差异，控制沉积参数，形成Al-(Ti，Al)N-TiN无界面梯度涂层，镀料为含Al 20％～50％(原子百分比)的TiAl合金，沉积过程中基体温度为400～480℃，调整电子枪束流在180～220A，基体偏压为-100～-150V，真空度＜0.01Pa，在工件表面沉积TiAl合金底层，镀膜时间为1-2min，引入N2，真空度为0.15～0.4Pa，在镀膜前期，电子枪束流为280～320A，偏压为-20～-30V，沉积时间为10～20min；镀膜后期电子枪束流增加到400～450A，偏压调节到-50～-60V，继续沉积60～80min，涂层厚度为6～8μm，这种涂层内层富Al，外层为B1NaCl结构的硬质(Ti，Al)N和TiN，由于适量Al的加入有效增强了膜/基界面的结合，减少了TiN中针孔的数量和直径，消除了薄膜内部的空洞等缺陷，改善了薄膜的致密性，以这种方法沉积的薄膜，具有较高的膜基结合力、高的硬度和抗磨损性能及良好的抗腐蚀性能和抗粒子冲蚀能力，适宜于作为刀具、模具及海军航空发动机压气机叶片的防护涂层。
本发明的优点利用成分调制和工艺参数的控制，在不需要对设备改造的前提下，解决了阻碍离子镀TiN涂层应用于防腐领域的针孔、空洞等问题，在600℃，NaCl、水蒸气和空气的综合作用下腐蚀10h，基体压气机叶片材料(1Cr11Ni2W2MoV不锈钢)氧化增重4mg/cm2，沉积了TiAlN复合涂层涂层的样品表面平整，无明显腐蚀现象。
下面通过实施例详述本发明。
实施例航空发动机压气机叶片，经过表面打磨、去污、丙酮超声清洗及酒精漂洗，装入沉积腔中，镀膜过程中镀件在真空室内公转和自转，坩埚中镀料为含Al 30％(原子百分比)的TiAl合金，沉积过程中工件温度为450℃。引入N2前，工件表面沉积TiAl合金底层，电子枪束流为200A，基体偏压为-100V，真空度＜0.01Pa，镀膜时间为1min。引入N2，真空度为0.2Pa，在镀膜前期，电子枪束流为300A，偏压为-20V，沉积时间为15min；镀膜后期电子枪束流增加到400A，偏压调节到-50V，继续沉积80min。涂层厚度为6～8μm。
权利要求
1.一种用于海军航空发动机压气机叶片的离子镀TiAlN涂层，其特征在于离子镀TiAlN涂层工艺方法如下利用IPB30/30T型空心阴极离子镀膜机，根据镀料中钛、铝熔点和蒸气压的不同及反应活性的差异，控制沉积参数，形成Al-(Ti，Al)N-TiN无界面梯度涂层，镀料为含Al 20％～50％(原子百分比)的TiAl合金，沉积过程中基体温度为400～480℃，调整电子枪束流在180～220A，基体偏压为-100～-150V，真空度＜0.01Pa，在工件表面沉积TiAl合金底层，镀膜时间为1-2min，引入N2，真空度为0.15～0.4Pa，在镀膜前期，电子枪束流为280～320A，偏压为-20～-30V，沉积时间为10～20min；镀膜后期电子枪束流增加到400～450A，偏压调节到-50～-60V，继续沉积60～80min，涂层厚度为6～8μm，这种涂层内层富Al，外层为B1NaCl结构的硬质(Ti，Al)N和TiN，由于适量Al的加入有效增强了膜/基界面的结合，减少了TiN中针孔的数量和直径，消除了薄膜内部的空洞等缺陷，改善了薄膜的致密性，以这种方法沉积的薄膜，具有较高的膜基结合力、高的硬度和抗磨损性能及良好的抗腐蚀性能和抗粒子冲蚀能力，适宜于作为刀具、模具及海军航空发动机压气机叶片的防护涂层。
全文摘要
本发明涉及一种金属表面涂覆技术,具体是利用镀膜机,利用成分调制和工艺参数的控制方法,利用镀料钛、铝熔点和蒸气的不同,及反应活性的差异控制沉积参数形成Al－(Ai、Al)－TiN无界面梯度涂层。优点:利用成分调制和工艺参数的控制,在不需要对设备改造的前提下,解决了阻碍离子镀TiN涂层应用于防腐领域的针孔、空洞等问题。
文档编号C23C14/30GK1361308SQ0013604
公开日2002年7月31日 申请日期2000年12月29日 优先权日2000年12月29日
发明者王福会, 李明升, 徐家寅 申请人:中国科学院金属研究所