一种超厚吸能涂层的制备方法与流程

本发明涉及耐高速粒子冲蚀的涂层领域，尤其涉及超厚超韧涂层的制备方法。

背景技术：

发动机在沙漠等恶劣环境下工作时，尤其在起飞和降落过程中，自然环境中的砂尘在气流的作用下被扬起而形成一个局部的高浓度砂尘环境，大量的砂尘被吸入发动机内，由于相对速度过高，能量过大对压气机叶片造成严重冲蚀磨损，显著减少了叶片服役寿命。

技术实现要素：

为解决上述问题，需要对基体进行表面改性，增强表面硬度，耐磨性以及抗冲蚀性。吸能涂层是解决这一问题的有效手段，可以在压气机不改变叶片设计的基础上显著提高其抗冲蚀、耐磨损性能，现已成为吸能涂层应用的一大热点。

鉴于此，本发明实施例提供了一种超厚吸能涂层的方法，包括以下步骤：

s01:对基体进行气体离子源清洗；

利用气体离子源对基体表面进行表面清洗抛光。所述离子源为阳极层气体霍尔源，同时在进行表面气体离子源清洗过程中，进行加热处理，加热温度不低于400℃。同时离子源处理分为两个阶段进行；第一阶段0-600v，束流2-5a，处理30min，紧接着1200-1800v，束流0-1a，处理40min；

相比与传统的处理技术本发明使用的是阶梯式的表面清洗，先进行低压大电流清洗，快速去除表面的污染物，同时通过高能清洗能在表面形成纳米级至几十纳米的的粗糙度，大幅提高基体的比表面积，该项操作能有效提高基体与膜层的结合强度。

s02：基体进行高功率脉冲金属离子清洗；

在基体高功率脉冲金属清洗过程中，清洗金属元素为ti、cr、c、co或hf；金属离子清洗时的束流直径为800mm。

相比于传统的清洗技术，高功率脉冲金属离子清洗的峰值功率可为1mw，高功率峰值在清洗过程中方便实现热峰效应，能够在界面/表面释放热应力以及其他应力有利于后续膜层的沉积。

s03：通入乙炔和氮气沉积cralnc；

沉积膜层时通入的为乙炔和氮气量为随时间正弦交替变化。乙炔进气量为0-500sccm，氮气进气量为0-1000sccm，乙炔和氮气为随时间正弦变化，动态过程中乙炔与氮气进气量瞬态值比不高于1：2。

相比于传统的固定乙炔和氮气进气量比，本专利采用正弦进气,气量随时间变化，成膜时为梯度渐进无明显过渡层，膜层结合强度好、应力低，形成高韧性和高硬度的实时匹配循环膜层，大大增加了膜层本身的吸能特性。

s04：关闭乙炔阀门，高功率脉冲磁控沉积zrn；

s05：关闭氮气通入乙炔沉积cralc；

工件为匀速公转，氮气和乙炔的开关与挡板阀的开关形成联动。

相比于传统的多层膜制备，本发明膜层制备过程中磁控靶和多弧靶一直为开启状态，通过挡板阀的运动进行沉积膜层种类的控制，沉积多层膜层内单元层的厚度以及各子层的厚度均可通过挡板阀的运动速度、公转速度来实现，方便大规模的精确制备。

s06：循环沉积膜层直至膜层厚度大于20μm。

沉积的膜层结构为cralnc—zrn—cralc循环结构，公转速度0-5r/min，所述循环膜层的厚度不低于20μm。循环膜层单元中zrn厚度不小于单元总厚度的1/2；

相比于传统的抗冲蚀膜层，本发明的膜层是以cralnc—zrn—cralc为单元结构的涂层，该涂层具备更低的内应力，更高的膜层硬度以及膜层韧性。同时在冲蚀性能方面该涂层具备高角度的抗冲蚀能力以及低角度的抗冲蚀能力，高角度的抗冲蚀能力主要是依靠cralnc-zrn的高硬度和高韧性；低角度的抗冲蚀能力主要依靠zrn-cralc的高耐磨性和高韧性。

本发明一种超厚吸能涂层的制备方法，包括以下步骤：

s01:对基体进行气体离子源清洗；

利用气体离子源对基体表面进行表面清洗抛光。所述离子源为阳极层气体霍尔源，同时在进行表面气体离子源清洗过程中，进行加热处理，加热温度不低于400℃。同时离子源处理分为两个阶段进行；第一阶段0-600v，束流2-5a，处理30min，紧接着1200-1800v，束流0-1a，处理40min；

s02：基体进行高功率脉冲金属离子清洗；

在基体高功率脉冲金属清洗过程中，清洗金属元素为ti、cr、c、co或hf；金属离子清洗时的束流直径为800mm。

s03：通入乙炔和氮气沉积cralnc；

沉积膜层时通入的为乙炔和氮气量为随时间正弦交替变化。乙炔进气量为0-500sccm，氮气进气量为0-1000sccm，乙炔和氮气为随时间正弦变化，动态过程中乙炔与氮气进气量瞬态值比不高于1：2。

s04：关闭乙炔阀门，高功率脉冲磁控沉积zrn；

氮气的进气量为0-500sccm，高功率脉冲功率0-1mw，脉宽0-50ms，金属束流强度为1-2a，负偏压100-400v。

s05：关闭氮气通入乙炔沉积cralc；

乙炔的进气量为0-1000sccm，多弧阴极为cral，起弧电流40-100a，离子束流1-2a。

s06：循环沉积膜层直至膜层厚度大于20微米。

沉积的膜层结构为cralnc—zrn—cralc循环结构，公转速度0-5r/min，所述循环膜层的厚度不低于20μm。循环膜层单元中zrn厚度不小于单元总厚度的1/2；

相对于现有技术，本发明实施例具有以下优势：

(1)利用气体离子源技术在基体表面形成了一层高表面能的“新鲜层”，与后续膜层能够有非常好的化学结合，相比与传统无前期处理的磁控溅射、多弧离子镀以及化学气相沉积等方法，本发明制备的膜层与基底的结合力更优越。

(2)相比磁控溅射、电镀沉积、电子束蒸发等沉积方法，高功率脉冲磁控溅射原子离化率非常高，大约在90％以上。这样，由于原子离化率高，可使等离子体密度增加，成膜时大颗粒减少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基结合力等。

(3)相比与传统的多层沉积技术本发明以高功率脉冲沉积的致密zrn为主体膜层，同时匹配多弧沉积的cralnc和cralc膜层；结合磁控膜层的高致密性以及多弧技术的高速率性，大大提高整体膜层的沉积速度和沉积质量，同时因多层次的匹配能大幅的降低膜层本身的应力，提高膜层在高能量粒子轰击下的韧性。

(4)相比于传统的抗冲蚀涂层，本发明兼顾了高角度高能量冲蚀(氮化物)、同时也考虑了低角度高能量的磨蚀(碳化物)，本发明更接近与实际工况，其服役寿命更高。

附图说明

构成本发明实施例部分的附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明实施例提供的一种超厚吸能涂层的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种超厚吸能涂层的设备示意图；

图3为本发明实施例提供的一种超厚吸能涂层的工艺流程图；

图4为本发明实施例提供的超厚吸能涂层的表面sem

图5为本发明实施例提供的三组tc4基体高角度冲蚀后光学图

图6为本发明实施例提供的超厚吸能涂层表面维氏硬度压坑图

图7为本发明实施例提供的超厚吸能涂层的截面sem图

图8为本发明实施例提供的超厚吸能涂层的小角度冲蚀质量损失率图。

附图标记说明:

101基体

102cralcn涂层

103zrn涂层

104cralc涂层

105重复周期单元

106cralcn涂层

107zrn涂层

108cralc涂层

109乙炔气瓶

110氩气气瓶

120氮气气瓶

201阴极磁场

202锆阴极(高功率脉冲磁控)

203挡板阀

204进气口

205工件盘

206cral阴极(多弧)

207锆阴极(高功率脉冲磁控)

208cral阴极(多弧)

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明，但并不意于限制本发明的保护范围。

此外，还需要说明的是，本部分对本发明实验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

实施例1

s01:对基体进行气体离子源清洗；

表面气体离子源清洗过程中，进行加热处理，加热温度450℃。同时离子源处理分为两个阶段进行；第一阶段0-600v，束流2a，处理30min，紧接着1500v，束流0.3a，处理40min；

s02：基体进行高功率脉冲金属离子清洗；

在基体高功率脉冲金属清洗过程中，清洗金属元素为ti、cr、c、co或hf；金属离子清洗时的束流直径为800mm。

s03：通入乙炔和氮气沉积cralnc；

沉积膜层时通入的为乙炔和氮气量为随时间正弦交替变化。乙炔进气量为0-500sccm，氮气进气量为0-1000sccm，乙炔和氮气为随时间正弦变化，动态过程中乙炔与氮气进气量瞬态值比1：3。

s04：关闭乙炔阀门，高功率脉冲磁控沉积zrn；

氮气的进气量为0-500sccm，高功率脉冲功率0-1mw，脉宽0-50ms，金属束流强度为1-2a，负偏压200v。

s05：关闭氮气通入乙炔沉积cralc；

乙炔的进气量为0-1000sccm，多弧阴极为cral，起弧电流40-100a，离子束流1-2a。

s06：循环沉积膜层直至膜层厚度24μm。循环膜层单元中zrn总厚度16μm；

实施例2

s01:对基体进行气体离子源清洗；

表面气体离子源清洗过程中，进行加热处理，加热温度480℃。同时离子源处理分为两个阶段进行；第一阶段0-600v，束流3a，处理30min，紧接着1500v，束流0.5a，处理40min；

s02：基体进行高功率脉冲金属离子清洗；

在基体高功率脉冲金属清洗过程中，清洗金属元素为ti、cr、c、co或hf；金属离子清洗时的束流直径为800mm。

s03：通入乙炔和氮气沉积cralnc；

沉积膜层时通入的为乙炔和氮气量为随时间正弦交替变化。乙炔进气量为0-500sccm，氮气进气量为0-1000sccm，乙炔和氮气为随时间正弦变化，动态过程中乙炔与氮气进气量瞬态值比1：4。

s04：关闭乙炔阀门，高功率脉冲磁控沉积zrn；

氮气的进气量为0-500sccm，高功率脉冲功率0-1mw，脉宽0-50ms，金属束流强度为1-2a，负偏压100v。

s05：关闭氮气通入乙炔沉积cralc；

乙炔的进气量为0-1000sccm，多弧阴极为cral，起弧电流40-100a，离子束流1-2a。

s06：循环沉积膜层直至膜层厚度24μm。循环膜层单元中zrn总厚度18μm；

实施例3

s01:对基体进行气体离子源清洗；

表面气体离子源清洗过程中，进行加热处理，加热温度5000c。同时离子源处理分为两个阶段进行；第一阶段0-600v，束流4a，处理30min，紧接着1600v，束流0.8a，处理40min；

s02：基体进行高功率脉冲金属离子清洗；

在基体高功率脉冲金属清洗过程中，清洗金属元素为ti、cr、c、co或hf；金属离子清洗时的束流直径为800mm。

s03：通入乙炔和氮气沉积cralnc；

沉积膜层时通入的为乙炔和氮气量为随时间正弦交替变化。乙炔进气量为0-500sccm，氮气进气量为0-1000sccm，乙炔和氮气为随时间正弦变化，动态过程中乙炔与氮气进气量瞬态值比1：5。

s04：关闭乙炔阀门，高功率脉冲磁控沉积zrn；

氮气的进气量为0-500sccm，高功率脉冲功率0-1mw，脉宽0-50ms，金属束流强度为1-2a，负偏压150v。

s05：关闭氮气通入乙炔沉积cralc；

乙炔的进气量为0-1000sccm，多弧阴极为cral，起弧电流40-100a，离子束流1-2a。

s06：循环沉积膜层直至膜层厚度24μm。循环膜层单元中zrn总厚度20μm；

图1为一种超厚吸能涂层的循环结构的示意图；图2为一种超厚吸能涂层相关制备设备；图3为一种超厚涂层制备的工艺流程；图4为实施例1中24微米的涂层表面sem图，从图中可以看出表面状态良好，无明显的缺陷和大颗粒。图5为实施例1-3在小角度冲蚀下的光学形貌图(进沙量2g/min，砂尘尺寸10-100μm，砂速度180m/s，冲蚀角15°)，图中可以很清楚的发现膜层没有明显的发生脱落，基体也依然由膜层保护。图6为维氏硬度测试的光学形貌图，由图中可以清楚的看到(黑线框内)，可以很明显的看到在维氏压坑周围无明显的裂纹和脱落，证明膜层具有较好的韧性，同时压坑较少说明膜层整体硬度较高。图7为某实施例的截面sem图，可以很明显的看到膜层是由多层循环结构组成膜层间有明显的分界线，膜层整体平整。图8为在小角度冲蚀下的质量损失率(进沙量2g/min，砂速度180m/s，冲蚀角150)，菱形块为基体的冲蚀速率，可以很明显的看到实施例1-3中涂层的镀制明显的降低了基体的冲蚀速率，最高提高倍数在80倍。本实施例提供的一种超厚吸能涂层的制备方法，主要是利用多弧离子镀、高功率脉冲磁控溅射、气体离子源系统进行沉积镀膜，在基体的表面形成硬度高、致密性高、膜层结合力强、韧性好的涂层，增强基体耐磨性，高低角度的抗冲蚀特性。本方面方法简单、易操作，且成本低、效率高，非常适合工业化批量生产。

需要说明的是，尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解为本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。