用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜及其制备方法与流程

文档序号:12584204阅读:511来源:国知局

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扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜及其制备方法。



背景技术:

航空涡轮风扇发动机简称涡扇发动机,是现代飞行器采用的最重要的发动机,包括歼击机、攻击机、轰炸机及大多的支线、干线客机,风扇是涡扇发动机的最前端部分,为涡扇发动机的初级增压部分。对涡扇发动机而言,风扇部分是最先接触到近期的部件,因此,对于沙尘天气、砂石天气等恶劣天气状况,进入发动机中的空气往往会携带大量的颗粒大小不均的砂石,直接撞击风扇的叶片,进而造成风扇叶片表面摩擦划伤,从而大幅降低风扇叶片寿命;此外,雨雪天气、湿盐天气中的雨滴随着空气进入发动机的过程中,也会引起对发动机风扇叶片的侵蚀和冲刷,与砂石类侵蚀机理不同,雨滴的冲刷也会带来腐蚀性问题。因此,不同属性、不同颗粒大小的沙尘以及不同酸碱性或湿盐性雨水、雨雪颗粒等对风扇叶片的影响机理有所不同,找到一种能同时解决以上问题的途径对航空发动机的影响举足轻重。通过在风扇叶片表面沉积镀制一层或多层数微米后的高硬度薄膜,是提高风扇叶片寿命的一种重要途径,但普通的高硬度膜对沙尘、湿盐雨雪的防护作用有一定局限性,仅适用于部分环境。

一般用于涡扇发动机风扇叶片的高硬度耐摩擦膜在耐冲蚀性和耐腐蚀性能方面有一定缺陷,考虑到涡扇发动机装备的飞行器种类的普及型和使用环境的复杂性,有必要在全面考虑各种工作环境、气象情况、飞行特点前提下,有小提高航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀能力和耐摩擦能力,同时兼备耐腐蚀、工艺简单可控优点。目前,缺乏一种具备优秀防冲蚀耐摩擦能力的用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜及其制备方法。



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耐摩擦能力的用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜及其制备方法。

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扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜,所述用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜由内向外依次为叶片基底、过渡层、耐摩擦膜层和防冲蚀膜层;所述用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦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;所述过渡层为金属钛或金属铬层,所述耐摩擦膜层由内向外依次为氮化钛层、氮化铝钛层,所述防冲蚀膜层由内向外依次为氮化铬铝钛层、氮化铬钛层。

进一步地,所述过渡层的金属钛或金属铬层的厚度为15~40nm,提高膜层附着力。

更进一步地,所述氮化钛层的厚度为0.8~1.5μm,所述氮化铝钛层的厚度1.0~1.5μm。

进一步地,所述氮化铬铝钛层的厚度为1.2~1.8μm,所述氮化铬钛层的厚度为1.5~2.0μm。

进一步地,所述氮化钛层由内向外氮含量逐渐增加;氮化铝钛层由内向外氮含量和钛含量逐渐减少,铝含量逐渐增加;氮化铬铝钛层由内向外氮含量、铬含量、钛含量逐渐增加,铝含量减少;氮化铬钛层由内向外氮含量、铬含量、钛含量逐渐减少。

本发明所述的用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜的制备方法,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18~26℃,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,清洗时间15min~25min;

(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-280V~-450V,时间10min~18min;

沉积过渡层(1):抽真空至1.2×10-2Pa以下,充入氩气,维持真空度1~3×10-1Pa,开启金属钛靶或铬电源,负偏压-30V~-75V,镀膜时间8min~15min;

(3)沉积氮化钛层(21):充入氮气,逐步提高氮气流量,降低氩气流量,同时开启金属钛靶电源,偏压-60V~-300V,偏压电源逐渐增大,镀膜时间12min~25min;

沉积氮化铝钛层(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,同时开启金属铝靶偏压电源并调节偏压逐渐增大,偏压在-60V~-260V,镀膜时间15min~25min;

(4)沉积氮化铬铝钛层(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,金属钛靶、铬靶偏压逐渐增大,铝靶偏压逐渐减小,偏压在-60V~-260V,镀膜时间22min~30min;

沉积氮化铬钛层(32):氮气流量逐渐减小,氩气流量逐渐增加,金属钛靶、铬靶电源偏压逐渐减小,偏压电源在-60V~-260V,镀膜时间20min~30min,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,制得用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜。

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;叶片基底温度维持在180℃~220℃之间;电源电流在20A~60A,星轮式基片架公转速度8~20r/min。

进一步地,在步骤(2)至步骤(4)中,所述真空度为1~3×10-1Pa。

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,大于3200HV。结合采用的梯度连续变化镀膜方法,大幅提升了膜层耐摩擦性能、附着力及高硬度性能,可广泛应用于各类飞行器、各种飞行情况的航空涡扇发动机风扇叶片,用于提高航空发动机在高风沙、沙尘天机及雨雪、湿盐天气环境下的使用寿命,可提高使用寿命3.5倍以上,通过综合调整各层材料元素比例分布、工艺参数修正、膜层厚度分布等,可主动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)本发明的膜层主要由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,金属氮化物氮化钛、氮化铝钛、氮化铬铝钛、氮化铬钛均具备较高的硬度、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,各个氮化物膜层之间并无明显界限,各膜层上各元素依次梯度连续变化,同时膜层结构、氮气含量也采用梯度变化,可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钛膜,该膜层本身具备优秀的耐腐蚀、耐摩擦性能的同时,也具备较高的硬度、较低的摩擦系数,膜层摩擦系数小于0.45,可进一步提高膜层防冲蚀能力。

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氮化铝钛层,31氮化铬铝钛层,32氮化铬钛层。

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扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜,所述用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜由内向外依次为叶片基底0、过渡层1、耐摩擦膜层和防冲蚀膜层;所述用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜自叶片基底由内向外依次沉积。

所述叶片基底0为钛合金;所述过渡层1为金属钛或金属铬层,所述耐摩擦膜层由内向外依次为氮化钛层21、氮化铝钛层22,所述防冲蚀膜层由内向外依次为氮化铬铝钛层31、氮化铬钛层32。

所述过渡层的金属钛或金属铬层的厚度为15nm,提高膜层附着力,

所述氮化钛层21的厚度为0.8μm,所述氮化铝钛层22的厚度1.5μm。

所述氮化铬铝钛层31的厚度为1.2μm,所述氮化铬钛层32的厚度为1.5μm。

所述氮化钛层21由内向外氮含量逐渐增加;氮化铝钛层22由内向外氮含量和钛含量逐渐减少,铝含量逐渐增加;氮化铬铝钛层31由内向外氮含量、铬含量、钛含量逐渐增加,铝含量减少;氮化铬钛层32由内向外氮含量、铬含量、钛含量逐渐减少。

本发明所述的用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜的制备方法,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18℃,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,对叶片基底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)叶片基底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-280V,时间10min;沉积过渡层1:抽真空至1.2×10-2Pa以下,充入氩气,维持真空度1×10-1Pa,开启金属钛靶或铬电源,负偏压-30V,镀膜时间12min。

(3)沉积氮化钛层21:充入氮气,逐步提高氮气流量,降低氩气流量,同时开启金属钛靶电源,偏压-60V,偏压电源逐渐增大,镀膜时间12min;沉积氮化铝钛层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,同时开启金属铝靶偏压电源并调节偏压逐渐增大,偏压在-60V,镀膜时间15min;

(4)沉积氮化铬铝钛层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,金属钛靶、铬靶偏压逐渐增大,铝靶偏压逐渐减小,偏压在-60V,镀膜时间22min;

沉积氮化铬钛层32:氮气流量逐渐减小,氩气流量逐渐增加,金属钛靶、铬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,充氩气保压至叶片基底0温度降至室温再出片,制得用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜。

在步骤(2)至步骤(4)中,镀膜过程中,维持真空度基本不变(1×10-1Pa),保持氮气偏压>1×10-1Pa;叶片基底0温度维持在180℃;电源电流在20A,星轮式基片架公转速度8r/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扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜,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1.2μm,所述氮化铝钛层22的厚度1.0μm。

所述氮化铬铝钛层31的厚度为1.8μm,所述氮化铬钛层32的厚度为2.0μm。

所述氮化钛层21由内向外氮含量逐渐增加;氮化铝钛层22由内向外氮含量和钛含量逐渐减少,铝含量逐渐增加;氮化铬铝钛层31由内向外氮含量、铬含量、钛含量逐渐增加,铝含量减少;氮化铬钛层32由内向外氮含量、铬含量、钛含量逐渐减少。

本发明所述的用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜的制备方法,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22℃,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0加热至200℃;同时,对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,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-350V,时间18min;沉积过渡层1:抽真空至1.2×10-2Pa以下,充入氩气,维持真空度3×10-1Pa,开启金属钛靶或铬电源,负偏压-75V,镀膜时间8min。

(3)沉积氮化钛层21:充入氮气,逐步提高氮气流量,降低氩气流量,同时开启金属钛靶电源,偏压-300V,偏压电源逐渐增大,镀膜时间20min;

沉积氮化铝钛层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,同时开启金属铝靶偏压电源并调节偏压逐渐增大,偏压在-260V,镀膜时间25min;

(4)沉积氮化铬铝钛层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,金属钛靶、铬靶偏压逐渐增大,铝靶偏压逐渐减小,偏压在-260V,镀膜时间30min;

沉积氮化铬钛层32:氮气流量逐渐减小,氩气流量逐渐增加,金属钛靶、铬靶电源偏压逐渐减小,偏压电源在-60V,镀膜时间28min,镀膜过程结束;镀膜结束后,充氩气保压至叶片基底0温度降至室温再出片,制得用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜

在步骤(2)至步骤(4)中,镀膜过程中,维持真空度基本不变(2×10-1Pa),保持氮气偏压>1×10-1Pa;叶片基底0温度维持在220℃;电源电流在60A,星轮式基片架公转速度20r/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扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜,所述过渡层的金属钛或金属铬层的厚度为40nm,提高膜层附着力,

所述氮化钛层21的厚度为1.5μm,所述氮化铝钛层22的厚度1.2μm。

所述氮化铬铝钛层31的厚度为1.6μm,所述氮化铬钛层32的厚度为1.8μm。

本发明所述的用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜的制备方法,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,清洗时间25min。

(2)叶片基底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1.2×10-1Pa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1.2×10-2Pa以下,充入氩气,维持真空度2×10-1Pa,开启金属钛靶或铬电源,负偏压-55V,镀膜时间15min。

(3)沉积氮化钛层21:充入氮气,逐步提高氮气流量,降低氩气流量,同时开启金属钛靶电源,偏压-200V,偏压电源逐渐增大,该层镀膜时间25min;

沉积氮化铝钛层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,同时开启金属铝靶偏压电源并调节偏压逐渐增大,偏压在-160V,镀膜时间20min;

(4)沉积氮化铬铝钛层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,金属钛靶、铬靶偏压逐渐增大,铝靶偏压逐渐减小,偏压在-100V,镀膜时间28min;

沉积氮化铬钛层32:氮气流量逐渐减小,氩气流量逐渐增加,金属钛靶、铬靶电源偏压逐渐减小,偏压电源在160V,镀膜时间30min,镀膜过程结束;镀膜结束后,充氩气保压至叶片基底0温度降至室温再出片,制得用于航空涡扇发动机风扇叶片的防冲蚀耐摩擦膜

在步骤(2)至步骤(4)中,镀膜过程中,维持真空度基本不变(3×10-1Pa),保持氮气偏压>1×10-1Pa;叶片基底0温度维持在210℃;电源电流在40A,星轮式基片架公转速度16r/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,氮化铝钛层22,氮化铬铝钛层31,氮化铬钛层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。

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