本发明涉及航空涡喷发动机制造技术领域，具体涉及一种用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜及其制备方法。
背景技术：
航空涡轮喷气发动机简称涡喷发动机，是现代航空发动机重要的组成部分，压气机作为涡喷发动机的增压部分，为发动机燃烧室提供充足的氧气。航空飞行器执行任务过程中，经常会遭遇较为恶劣的气象情况，尤其是沙尘天气、湿盐天气等环境下频繁起降飞行，会大幅降低发动机寿命，而沙尘、盐雾液滴对涡喷发动机压气机叶片的冲蚀是影响其寿命的重要原因，不同大小沙尘颗粒，不同温度、不同湿度对叶片的冲蚀损伤也有区别。通过在叶片表面沉积镀制一层或多层数微米厚的高硬度耐摩擦防冲蚀膜，是提高叶片寿命的一种重要方法，但常规的高硬度膜对冲蚀的防护作用有一定局限性，仅用于特定环境下使用，如沙尘颗粒大小、组成、角度限定。
一般用于压气机叶片的高硬度耐摩擦膜在耐冲蚀性能方面有一定缺陷，考虑到航空飞行器飞行状态、飞行环境实用性，有必要全面考虑各种工作环境、气象情况，有效提高航空涡喷发动机压气机叶片防冲蚀能力，同时，具备优秀的耐摩擦、耐腐蚀能力。目前，缺乏一种具备优秀防冲蚀能力的航空涡喷发动机压气机叶片梯度膜及其制备方法。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述问题，提供一种具备优秀防冲蚀能力的用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜及其制备方法。
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喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜，所述用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜由内向外依次为叶片基底、过渡层、高硬度梯度膜层和润滑梯度膜层；所述用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜自叶片基底由内向外依次沉积。
进一步地，所述叶片基底为钛合金。
进一步地，所述过渡层为金属钛层或金属铬层，所述高硬度梯度膜层由内向外依次为氮化钛层、氮化锆钛层，所述润滑梯度膜层由内向外依次为氮化铬锆钛层、氮化铬锆铝钛层。
更进一步地，所述过渡层的金属钛或金属铬层厚度为15～35nm，提高膜层附着力，所述氮化钛层的厚度为1～1.5μm，所述氮化锆钛层的厚度1.5～2.0μm；所述氮化铬锆钛层的厚度为1.5～2.0μm，所述氮化铬锆铝钛层的厚度为1～1.5μm。
进一步地，所述氮化钛层由内向外氮含量逐渐增加。
进一步地，所述氮化锆钛层由内向外氮含量和钛含量逐渐减少，锆含量逐渐增加。
更进一步地，所述氮化铬锆钛层由内向外氮含量、铬含量、钛含量逐渐增加，锆含量逐渐减少。
进一步地，所述氮化铬锆铝钛层由内向外氮含量、铬含量、钛含量逐渐减少，锆含量、铝含量逐渐增加。
本发明所述的用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜的制备方法，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15～24℃，湿度小于55％；打开镀膜设备，抽真空至满足本底真空要求：镀膜室真空度<5×10-3Pa，对叶片基底加热至180～220℃；同时，对压气机叶片基底表面超声波清洗处理，依次采用去离子水、丙酮、酒精、去离子水清洗压气机叶片基底，清洗时间10～30min；
(2)叶片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1～2×10-1Pa之间，进行氩离子清洗，偏压电源-300～-450V，时间8～15min；沉积过渡层：抽真空至1×10-2Pa以下，充入氩气，维持真空度1～5×10-1Pa，开启金属钛靶或铬靶电源，负偏压-30V～-60V，镀膜时间5～10min；
(3)沉积氮化钛层：充入氮气，逐步提高流量，降低氩气流量，同时开启金属钛靶或金属铬电源，偏压-40V～-260V，偏压电源逐渐增大，镀膜时间18～22min；沉积氮化锆钛层：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，同时开启金属锆靶偏压电源，偏压在-40V～-260V，偏压逐渐增大，镀膜时间25～35min；
(4)沉积氮化铬锆钛层：氮气流量逐渐增加，氩气流量逐渐减小，开启金属铬靶电源，金属钛、铬靶电源偏压逐渐增大，金属锆靶电源偏压逐渐减小，偏压在-40V～-260V，镀膜时间25～35min；沉积氮化铬锆铝钛层：氮气流量逐渐减小，氩气流量逐渐增加，开启金属铝靶电源，金属钛、铬靶电源偏压逐渐减小，金属锆、铝靶电源偏压逐渐增大，偏压电源在-40V～-260V，镀膜时间18～22min；镀膜过程结束，制得用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜。
进一步地，在步骤(2)至(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3～15r/min；在步骤(4)中，在镀膜过程中，维持真空度基本不变，真空度为1.5～3×10-1Pa；镀膜结束后，充氩气保压至叶片基底温度降至室温再出片，制得用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜。
有益效果：本发明具备优秀防冲蚀耐摩擦能力，具有高的表面硬度，表面硬度大于3000HV。具备优秀的耐摩擦性能和高硬度性能，可明显提高在风沙、沙尘特殊气候下的涡喷发动机使用寿命，提高使用寿命3倍以上，合理调整各层材料元素比例、工艺参数、厚度等，可自主调整膜层的整体性能。
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和金属氮化物组成，金属层用于过渡并提高膜层结合力，金属氮化物具备较高的硬度、耐摩擦和耐腐蚀性能。
(2)本发明为了进一步提高防冲蚀性能，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，进一步提高膜层防冲蚀、耐摩擦性能。
(3)膜层最外层为氮化铬锆铝钛膜，可在提高整体膜层的防冲蚀性能、耐摩擦性能的同时，具备低的摩擦系数，膜层摩擦系数小于0.4，进一步提高膜层防冲蚀能力，并具备优秀的耐腐蚀性能。
附图说明
图1为本发明的示意图；
其中，0叶片基底，1过渡层，21氮化钛层，22氮化锆钛层，31氮化铬锆钛层，32氮化铬锆铝钛层。
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喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜，所述用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜由内向外依次为叶片基底0、过渡层1、高硬度梯度膜层和润滑梯度膜层；所述用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜自叶片基底0由内向外依次沉积。
所述叶片基底0为钛合金。
所述过渡层1为金属钛层或金属铬层，所述高硬度梯度膜层由内向外依次为氮化钛层21、氮化锆钛层22，所述润滑梯度膜层由内向外依次为氮化铬锆钛层31、氮化铬锆铝钛层32。
所述过渡层的金属钛或金属铬层厚度为15nm，提高膜层附着力，所述氮化钛层21的厚度为1.5μm，所述氮化锆钛层22的厚度2.0μm；所述氮化铬锆钛层31的厚度为1.8μm，所述氮化铬锆铝钛层32的厚度为1μm。
所述氮化钛层21由内向外氮含量逐渐增加。
所述氮化锆钛层22由内向外氮含量和钛含量逐渐减少，锆含量逐渐增加。
所述氮化铬锆钛层31由内向外氮含量、铬含量、钛含量逐渐增加，锆含量逐渐减少。
所述氮化铬锆铝钛层32由内向外氮含量、铬含量、钛含量逐渐减少，锆含量、铝含量逐渐增加。
本发明所述的用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜的制备方法，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55％；打开镀膜设备，抽真空至满足本底真空要求：镀膜室真空度<5×10-3Pa，对叶片基底加热至180℃；同时，对压气机叶片基底表面超声波清洗处理，依次采用去离子水、丙酮、酒精、去离子水清洗压气机叶片基底，清洗时间20min。
(2)叶片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1×10-1Pa之间，进行氩离子清洗，偏压电源-300V，时间8min；沉积过渡层1：抽真空至1×10-2Pa以下，充入氩气，维持真空度1×10-1Pa，开启金属钛靶或铬靶电源，负偏压-30V，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，同时开启金属钛靶或金属铬电源，偏压-40V，偏压电源逐渐增大，镀膜时间18min；沉积氮化锆钛层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)沉积氮化铬锆钛层31：氮气流量逐渐增加，氩气流量逐渐减小，开启金属铬靶电源，金属钛、铬靶电源偏压逐渐增大，金属锆靶电源偏压逐渐减小，偏压在-40V，镀膜时间35min；沉积氮化铬锆铝钛层32：氮气流量逐渐减小，氩气流量逐渐增加，开启金属铝靶电源，金属钛、铬靶电源偏压逐渐减小，金属锆、铝靶电源偏压逐渐增大，偏压电源在-40V，镀膜时间22min，镀膜过程结束；镀膜结束后，充氩气保压至叶片基底温度降至室温再出片，制得用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜。
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，真空度为1.5×10-1Pa。叶片温度维持在190℃；电源电流在20A，星轮式基片架公转速度3r/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喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜，所述过渡层的金属钛或金属铬层厚度为35nm，提高膜层附着力，所述氮化钛层21的厚度为1μm，所述氮化锆钛层22的厚度1.5μm；所述氮化铬锆钛层31的厚度为1.5μm，所述氮化铬锆铝钛层32的厚度为1.5μm。
本发明所述的用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜的制备方法，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24℃，湿度小于55％；打开镀膜设备，抽真空至满足本底真空要求：镀膜室真空度<5×10-3Pa，对叶片基底加热至220℃；同时，对压气机叶片基底表面超声波清洗处理，依次采用去离子水、丙酮、酒精、去离子水清洗压气机叶片基底，清洗时间10min。
(2)叶片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1～2×10-1Pa之间，进行氩离子清洗，偏压电源-350V，时间12min；沉积过渡层1：抽真空至1×10-2Pa以下，充入氩气，维持真空度1～5×10-1Pa，开启金属钛靶或铬靶电源，负偏压-50V，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，同时开启金属钛靶或金属铬电源，偏压-160V，偏压电源逐渐增大，镀膜时间20min；沉积氮化锆钛层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，同时开启金属锆靶偏压电源，偏压在-40V，偏压逐渐增大，镀膜时间30min；
(4)沉积氮化铬锆钛层31：氮气流量逐渐增加，氩气流量逐渐减小，开启金属铬靶电源，金属钛、铬靶电源偏压逐渐增大，金属锆靶电源偏压逐渐减小，偏压在-200V，镀膜时间25min；沉积氮化铬锆铝钛层32：氮气流量逐渐减小，氩气流量逐渐增加，开启金属铝靶电源，金属钛、铬靶电源偏压逐渐减小，金属锆、铝靶电源偏压逐渐增大，偏压电源在-160V，镀膜时间18min，镀膜过程结束；镀膜结束后，充氩气保压至叶片基底温度降至室温再出片，制得用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜。
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，真空度为3×10-1Pa。叶片温度维持在180℃；电源电流在40A，星轮式基片架公转速度12r/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喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜，所述用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜包括叶片基底0和防冲蚀膜层，所述防冲蚀膜层由内向外依次为过渡层1、高硬度梯度膜层和润滑梯度膜层；所述用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜自叶片基底由内向外依次沉积。
所述过渡层的金属钛或金属铬层厚度为25nm，提高膜层附着力，所述氮化钛层21的厚度为1.2μm，所述氮化锆钛层22的厚度1.8μm；所述氮化铬锆钛层31的厚度为2.0μm，所述氮化铬锆铝钛层32的厚度为1.2μm。
本发明所述的用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜的制备方法，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55％；打开镀膜设备，抽真空至满足本底真空要求：镀膜室真空度<5×10-3Pa，对叶片基底加热至200℃；同时，对压气机叶片基底表面超声波清洗处理，依次采用去离子水、丙酮、酒精、去离子水清洗压气机叶片基底，清洗时间30min。
(2)叶片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1～2×10-1Pa之间，进行氩离子清洗，偏压电源-450V，时间15min；沉积过渡层1：抽真空至1×10-2Pa以下，充入氩气，维持真空度5×10-1Pa，开启金属钛靶或铬靶电源，负偏压-60V，镀膜时间8min；
(3)沉积氮化钛层21：充入氮气，逐步提高流量，降低氩气流量，同时开启金属钛靶或金属铬电源，偏压-260V，偏压电源逐渐增大，镀膜时间22min；沉积氮化锆钛层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，同时开启金属锆靶偏压电源，偏压在-260V，偏压逐渐增大，镀膜时间35min；
(4)沉积氮化铬锆钛层31：氮气流量逐渐增加，氩气流量逐渐减小，开启金属铬靶电源，金属钛、铬靶电源偏压逐渐增大，金属锆靶电源偏压逐渐减小，偏压在-260V，镀膜时间30min；沉积氮化铬锆铝钛层32：氮气流量逐渐减小，氩气流量逐渐增加，开启金属铝靶电源，金属钛、铬靶电源偏压逐渐减小，金属锆、铝靶电源偏压逐渐增大，偏压电源在-260V，镀膜时间20min，镀膜过程结束；镀膜结束后，充氩气保压至叶片基底温度降至室温再出片，制得用于航空涡喷发动机压气机叶片的防冲蚀梯度膜。
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，真空度为2×10-1Pa。叶片温度维持在220℃；电源电流在60A，星轮式基片架公转速度15r/min。
尽管本文较多地使用了叶片基底0，过渡层1，氮化钛层21，氮化锆钛层22，氮化铬锆钛层31，氮化铬锆铝钛层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。