一种压气机叶片分区防护涂层及其制备方法与流程

本发明属于叶片特种防护涂层技术领域，具体来说，涉及一种压气机叶片分区防护涂层及其制备方法。

背景技术：

恶劣服役环境对发动机部件的可靠使用提出了更高的要求。在高原和风沙大区域起降的飞机(尤其是直升机)，大量不规则沙尘被高速吸入发动机，冲击和磨损发动机压气机叶片。

虽然冲击和磨损都可归因于随气流摄入的沙尘等固体颗粒，但冲击与磨损存在十分典型的区别。冲击损伤主要由高动能粒子以高角度撞击叶片表面引起，通常发生在翼型的前缘上，容易在叶片表面形成微小裂纹甚至产生凹坑，导致叶片的结构强度降低；而磨损则是由小尺寸沙粒的低角度掠射引起，主要发生在叶片的后缘，容易引发叶片表面粗糙度增加、材料去除、弦长变短，从而改变叶片的气动型面，导致气流流通能力和增压效率降低，从而引发发动机性能衰减，甚至无法安全使用。

压气机叶片多采用不锈钢和钛合金材料，由于不锈钢的耐腐蚀性能较差，通常在叶片表面通过低温包埋渗铝的方法制备防腐涂层，但该涂层对于砂尘冲击的防护能力极弱。而钛合金虽然有一定的防腐能力，但其硬度低，在砂尘冲击作用下容易形成缺口，而钛合金本身对缺口十分敏感，严重降低抗疲劳性能，故其砂尘冲击防护能力亦较弱。随着表面技术的不断发展，在叶片表面制备防护涂层，是一种在不改变压气机叶片结构设计的前提下，显著提高其砂尘防护能力的有效且经济的手段。

防护涂层技术已经在工业上得到了广泛的应用，尤其是在刀具、磨具等部件上应用甚广。涂层的结构多种多样，主要包括单层、多层、梯度以及复合涂层等。例如，在授权号为cn1256326a发明专利中，采用镍层、锡和镍合金层、钛或钛合金层，夹层为钛或钛合金层交替设置的钛化合物(tin)或钛合金化合物(tizrn)等，主要用于装饰及对日常用品的防护。授权号为cn102575345a发明专利中，采用的是二氧化钛和氧化铝涂层，用于保护基体材料不受环境的化学元素腐蚀的影响，但不具备同时防腐和抗砂尘冲击的作用。授权号为cn102092159a发明专利中，用于压气机叶轮、叶片的zrn/timo复合涂层由timo粘结层和tialn面层组成，粘结层timo的制备，采用磁控溅射制备工艺；zrn面层的制备，采用多弧离子镀制备工艺。主要用于600℃高温下抗热循环能力、抗热盐腐蚀能力和抗冲刷磨损的能力。该涂层主要用于高温抗腐蚀，且制备方法涉及到两种设备，加工复杂。

上述专利中涂层的结构比较简单，且由于未充分考虑到基材各区域的受载特征，涂层的分布方式相对均匀。事实上，在高增压比的性能要求下，压气机叶片的型面扭转，叶尖和叶跟部位的气流速度差异大，进气边前缘、叶尖和排气边所承受的砂尘冲击、磨损的载荷存在显著差异，需要根据叶片不同区域的受载特征和损伤形式进行涂层设计与制备。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种压气机叶片分区防护涂层及其制备方法，解决了现有技术中存在的不足。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种压气机叶片分区防护涂层，根据受载工况，对压气机叶片的叶盆面和叶背面进行区域划分，其中，叶盆面所划分的区域包括叶盆面叶身中央砂尘冲蚀过渡区、叶尖叶盆面砂尘冲蚀严重区、叶盆面排气边砂尘冲蚀严重区、叶盆面进气边沙尘冲击严重区和叶盆面根部沙尘冲蚀轻微区，其中，叶尖叶盆面砂尘冲蚀严重区为自叶盆的叶尖部位向叶身部位延伸；叶盆面排气边砂尘冲蚀严重区为自叶盆面排气边向叶身部位延伸；叶盆面进气边沙尘冲击严重区为自叶盆面进气边向叶身部位延伸；叶盆面根部沙尘冲蚀轻微区为自叶盆面根部向叶身部位延伸；叶盆面的剩余部分为叶盆面叶身中央砂尘冲蚀过渡区；

叶背面划分为五个区域，分别为叶背面叶身沙尘冲蚀过渡区、叶背面根部沙尘冲蚀轻微区、叶尖叶背面沙尘冲蚀严重区、叶背面进气边沙尘冲击严重区和叶背面排气边沙尘磨损严重区，其中，叶背面根部沙尘冲蚀轻微区为自叶背面根部向叶身部位延伸；叶尖叶背面沙尘冲蚀严重区为自叶背面的叶尖部位向叶身部位延伸；叶背叶背面进气边沙尘冲击严重区为自叶背面进气边向叶身部位延伸；叶背面排气边沙尘磨损严重区为自叶背面排气边向叶身部位延伸；叶背面的剩余部分为叶身砂尘冲蚀过渡区。

优选地，叶盆面叶身中央砂尘冲蚀过渡区和叶背面叶身沙尘冲蚀过渡区的涂层均为n层的tin/ti结构，其中，4≤n≤20；总厚度为10-22微米，每层tin的厚度为0.5-4.0微米，每个ti层的厚度为0.4-0.8微米。

优选地，叶尖叶盆面砂尘冲蚀严重区和叶尖叶背面沙尘冲蚀严重区的涂层均为n层的tin/ti结构，其中，4≤n≤20；总厚度为10-25微米，每层tin的厚度为1.0-4.0微米，每个ti层的厚度为0.5-1.0微米。

优选地，叶盆面排气边砂尘冲蚀严重区和叶背面排气边沙尘磨损严重区的涂层均为n层的tin/ti结构，其中，4≤n≤20；总厚度为10-15微米，每层tin的厚度为0.5-2微米，每个ti层的厚度为0.3-0.8微米。

优选地，叶盆面进气边沙尘冲击严重区和叶背面进气边沙尘冲击严重区的涂层均为n层的tin/ti结构，其中，4≤n≤20；总厚度为22-40微米，每层tin的厚度为2.0-8微米，每个ti层的厚度为0.6-1.5微米。

优选地，叶尖叶盆面砂尘冲蚀严重区和叶尖叶背面沙尘冲蚀严重区的高度均为hj，hj＝10-15mm。

优选地，叶盆面排气边砂尘冲蚀严重区和叶背面排气边沙尘磨损严重区的高度均为hh，hh＝7-10mm。

优选地，叶盆面进气边沙尘冲击严重区和叶背面进气边沙尘冲击严重区的高度均为hq，hq＝15-20mm。

优选地，叶盆面根部沙尘冲蚀轻微区和叶背面根部沙尘冲蚀轻微区的高度均为hg，hg＝10-30mm。

一种压气机叶片的分区防护涂层的制备方法，基于所述的一种压气机叶片的分区防护涂层，包括以下步骤：

步骤1，首先对叶片的叶尖叶盆砂尘冲蚀严重区、叶盆排气边砂尘冲蚀严重区和叶盆面进气边砂尘冲击严重区进行激光喷丸，得到喷丸叶片；

步骤2，将步骤1喷丸后的叶片进行清洗；

步骤3，将步骤2中清洗后的喷丸叶片安装在真空腔中，调整叶片分别与第一靶、第二靶、第三靶和第四靶之间的距离，使得lb1＝lb2＝90～110mm，lb3＝110～130mm，lb4＝70～80mm，lb5＝40～50mm，lb6＝30～40mm，lb7＝60～80mm，lb8＝90～110mm；

步骤4，对步骤3中安装的叶片依次进行ar离子清洗、ti离子注入和叶片加热，得到处理后的叶片；

步骤5，将步骤4中处理后的叶片依次进行钛层沉积、tin层沉积，使得叶片上形成一层tin/ti结构；

步骤6，重复步骤5，直至叶片上沉积n层tin/ti结构，得到压气机叶片分区防护涂层。

与现有技术相比，本发具有以下有益效果：

本发明提供的一种压气机叶片分区防护涂层，针对压气机叶片进气边、叶尖、排气边和叶根等不同部位的服役工况分别设计的具有不同特性的涂层组合，可以克服单一涂层抗冲击、耐磨损难以兼顾的问题,显著提高砂尘环境下叶片的适用能力，且制备方法简单。尤其是，叶片进气边涂层可抵抗大尺寸砂粒的大角度甚至垂直高速冲击，防止涂层剥落和形成凹坑；叶片排气边涂层可抵抗小尺寸砂尘颗粒的高速摩擦，防止叶片排气边边缘变薄，弦长变短。

本发明还提供的一种压气机叶片分区防护涂层的制备方法，将叶片安装在真空腔中，调整叶片分别与第一靶、第二靶、第三靶和第四靶之间的距离，针对压气机叶片进气边、叶尖、排气边和叶根等不同部位的服役工况分别设计的具有不同特性的涂层组合，可以克服单一涂层抗冲击、耐磨损难以兼顾的问题，显著提高砂尘环境下叶片的适用能力，且制备方法简单。尤其是，叶片进气边涂层可抵抗大尺寸砂粒的大角度甚至垂直高速冲击，防止涂层剥落和形成凹坑；叶片排气边涂层可抵抗小尺寸砂尘颗粒的高速摩擦，防止叶片排气边边缘变薄，弦长变短。

附图说明

图1是本发明涉及的航空发动机叶片叶盆砂尘冲蚀区域分布与分区特征；

图2是本发明涉及的航空发动机叶片叶背砂尘冲蚀区域分布与分区特征；

图3是本发明涉及的沙尘冲蚀引起的叶片叶尖型面变化；

图4是本发明涉及的叶片进气边区域的基体与防护涂层；

图5是本发明涉及的叶片进/排气边防护涂层结构；

图6是本发明涉及的叶片与靶之间的关系；

图7是本发明涉及的航空发动机叶片从进气边到排气边的涂层厚度分布；

图8是是本发明涉及的叶片进气边、排气边以及叶尖的涂层厚度分布趋势；

其中，1、叶盆面叶身中央砂尘冲蚀过渡区2、叶尖叶盆面砂尘冲蚀严重区3、叶盆面排气边砂尘冲蚀严重区4、叶盆面进气边沙尘冲击严重区5、叶盆面根部沙尘冲蚀轻微区7、第一靶8、第二靶9、第三靶10、第四靶11、叶盆面叶片进气边与叶身沙尘冲击分区线12、叶片进气边13、叶盘面叶尖与叶身分区线14、叶尖15、叶盆面排气边与叶身分区线16、叶片排气边21、叶片榫头底部22、榫头倒角23、榫头转接面24、叶片缘板25、榫头前端面26、叶盆面涂层分区线27、叶片叶盆底端28、榫头41、进气边缺口42、排气边叶尖磨损线43、排气边叶尖磨损掉角41、叶背叶尖沙尘冲蚀严重分区线42、叶背进气边沙尘冲击严重分区线43、叶背根部冲击轻微分区线44、叶背根部45、叶背排气边沙尘磨损严重分区线51、叶背面叶身沙尘冲蚀过渡区52、叶背面根部沙尘冲蚀轻微区53、叶尖叶背面沙尘冲蚀严重区54、叶背面进气边沙尘冲击严重区55、叶背面排气边沙尘磨损严重区56、榫头背部60、叶片原排气边61、冲蚀磨损后叶片排气边62、冲蚀损伤的排气边叶片区域63、叶片原始型面(虚线)64、冲蚀后叶片排气边型面(实线)65、进气边66、沙粒冲击形成的凹坑67、叶背面68、叶盘面69、叶片截面中心线71、进气边涂层72、叶片进气边前沿73、叶盘涂层74、预处理影响层75、涂层厚度76、影响层厚度77、影响层分界线78、防护涂层81、叶片基体82、预处理层83、tin陶瓷层84、能量吸收层l0、叶片原始弦长l1、损伤后叶片弦长lc、叶片排气边弦长损失ls、叶片排气边磨损长度cd、沙粒冲击形成的凹坑深度h1、陶瓷层厚度h2、能量吸收层厚度ht、防护涂层总体厚度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

如图1至图7所示，本发明提供的一种压气机叶片的分区防护涂层，为了同时提升叶盆面不同区域的砂尘防护性能，本发明根据受载工况，对压气机叶片的叶盆面进行区域划分，所划分的区域包括叶盆面叶身中央砂尘冲蚀过渡区1、叶尖叶盆面砂尘冲蚀严重区2、叶盆面排气边砂尘冲蚀严重区3、叶盆面进气边沙尘冲击严重区4和叶盆面根部沙尘冲蚀轻微区5。

其中，叶尖叶盆面砂尘冲蚀严重区2为自叶盆的叶尖部位向叶身部位延伸，其高度为hj，hj＝10-15mm；

叶盆面排气边砂尘冲蚀严重区3为自叶盆排气边向叶身部位延伸，其高度为hh，hh＝7-10mm；

叶盆面进气边沙尘冲击严重区4为自叶盆面进气边向叶身部位延伸，其高度为hq，hq＝15-20mm；

叶盆面根部沙尘冲蚀轻微区5为自叶盆根部向叶身部位延伸，其高度为hg，hg＝10-30mm；

叶盆面的剩余部分为叶盆面叶身中央砂尘冲蚀过渡区1。

将叶片的叶背面划分为五个区域，分别为叶背面叶身沙尘冲蚀过渡区51、叶背面根部沙尘冲蚀轻微区52、叶尖叶背面沙尘冲蚀严重区53、叶背面进气边沙尘冲击严重区54和叶背面排气边沙尘磨损严重区55。

其中，叶背根部沙尘冲蚀轻微区52为自叶背根部向叶身部位延伸，其高度为hg，hg＝10-30mm；

叶尖叶背面沙尘冲蚀严重区53为自叶背的叶尖部位向叶身部位延伸，其高度为hj，hj＝10-15mm；

叶背面进气边沙尘冲击严重区54为自叶背进气边向叶身部位延伸，其高度为hh，hh＝7-10mm；

叶背面排气边沙尘磨损严重区55为自叶背面排气边向叶身部位延伸，其高度为hq，hq＝15-20mm；

叶背面的剩余部分为叶背面叶身砂尘冲蚀过渡区51。

叶片防护涂层是由n层tin/ti结构叠加形成的“洋葱”结构，其中，4≤n≤20；每层tin/ti结构包括一层tin层和一层ti层，tin层的厚度h1为0.5-5um，ti层厚度h2为0.2-2um。

叶盘面叶身中央砂尘冲蚀过渡区1和叶背面叶身沙尘冲蚀过渡区51的涂层均为n层的tin/ti结构，其中，4≤n≤20；总厚度为10-22微米，每层tin的厚度为0.5-4.0微米，每个ti层的厚度为0.4-0.8微米。

叶尖叶盆面砂尘冲蚀严重区2和叶背面沙尘冲蚀严重区53的涂层均为n层的tin/ti结构，其中，4≤n≤20；总厚度为10-25微米，每层tin的厚度为1.0-4.0微米，每个ti层的厚度为0.5-1.0微米。

叶盆面排气边砂尘冲蚀严重区3和叶背面排气边沙尘磨损严重区55的涂层均为n层的tin/ti结构，其中，4≤n≤20；总厚度为10-15微米，每层tin的厚度为0.5-2微米，每个ti层的厚度为0.3-0.8微米。

叶盆面进气边沙尘冲击严重区4和叶背面进气边沙尘冲击严重区54的涂层均为n层的tin/ti结构，其中，4≤n≤20；总厚度为22-40微米，每层tin的厚度为2.0-8微米，每个ti层的厚度为0.6-1.5微米。

叶盆面根部沙尘冲蚀轻微区5和叶背面根部沙尘冲蚀轻微区52无涂层。

一种压气机叶片的分区防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，首先对叶片的叶尖叶盆砂尘冲蚀严重区2、叶盆排气边砂尘冲蚀严重区3和叶盆面进气边砂尘冲击严重区4进行激光喷丸，形成厚度为20微米的变形影响层，内部包含大量的位错，可为后续离子注入提供能量和通道，提高涂层与基体的结合力；

激光喷丸的具体过程为：对叶片叶盘和叶背面进气边、排气边40mm区域范围内粘贴黑色胶带作为激光能量吸收与转化层，采用20ns/1064nm/3-5j的进行双面激光同时冲击处理，激光作用范围为靠近边缘的15-20mm叶片区域，实现对叶盆面进气边砂尘冲击严重区4、叶背面进气边砂尘冲击严重区54进行冲击全覆盖，约束层为流水，搭接率为50％；

步骤2，将叶片清洗：分别进行无水乙醇、丙酮超声波清洗20min，再用去离子水、无水乙醇清洗，并用氮气吹干；

步骤3，将清洗好的叶片安装在真空腔中，所述真空腔的侧壁上安装有四个靶，分别为第一靶7、第二靶8、第三靶9和第四靶10，其中，第一靶7和第二靶8用于涂层沉积；第三靶9和第四靶10用于离子注入和清洗；第一靶7指向叶片进气边，第二靶8指向叶片叶尖，第三靶9和第四靶10分别指向叶片的叶盘和叶背部位。调整第一靶7、第二靶8、第三靶9、第四靶10与叶片的距离，使得lb1＝lb2＝100mm，lb3＝130mm，lb4＝80mm，lb5＝50mm，lb6＝30mm，lb7＝70mm，lb8＝100mm；

lb1为第一靶7与叶片进气边之间的y轴方向的距离；lb2为第一靶7与叶片进气边之间的x轴方向的距离；lb5为第一靶7与叶片进气边之间的z轴方向的距离。

lb3为第二靶8与叶片进气边之间的y轴方向的距离；lb4为第二靶8与叶片进气边顶部之间的x轴方向的距离；lb7为第二靶8到进气边顶部在z方向上距离。

lb6为第三靶9与第二靶8之间的x轴方向的距离；lb8为第三靶9叶背中线在y轴方向的距离。

lb9为第四靶10到叶盆中线在y方向上距离，lb10为第四靶10到第一靶7在x方向上距离，lb11为第三靶9或第四靶10到进气边在y方向上距离，lb12为第三靶9或第四靶10到叶尖在z方向上距离。

步骤4，叶片离子清洗：通入氩气，流量设置为80sccm，将负偏压设置为-1000v，叶片同时绕中心轴旋转，转速为2rpm，时间为10min，开启第三靶9和第四靶10，对叶片进行ar离子清洗；

步骤5，叶片离子注入：开启第三靶9和第四靶10进行ti离子注入，注入电压为12kv，注入剂量为3×10¹⁶cm^-2；注入结束后关闭第三靶9和第四靶10；

步骤6，加热叶片到400摄氏度；

步骤7，沉积钛层：开启第一靶7和第二靶8，进行涂层84沉积；弧流为100a，弧压为24v，偏压为-200v，占空比为90％，束流约为90～100ma，沉积时间为10min；

步骤8，沉积tin层：维持其沉积参数不变，开始通入氮气，氮气增加速率维持在10sccm/min，当氮气流量增加至20sccm时不再增加，并保持30min，沉积tin层83，总厚度(ht)达到20微米；

步骤9，关闭氮气；

步骤10，重复步骤7和步骤8，直到制备多层(例如，十八层)tin/ti结构。

步骤11，关闭第一靶7和第二靶8，半分钟后关闭氮气，保温1h后，随炉冷却后取出叶片。

图8是上述工艺制备的叶片进气边、排气边以及叶尖的涂层厚度分布趋势。叶片进气边的厚度在25～26μm，且由叶尖到叶片根部方向，厚度逐渐降低。叶片排气边涂层的厚度在11.75～12.25μm，仅约为进气边的厚度的一半，由叶尖到叶片根部方向，涂层厚度降低。叶尖涂层厚度为11.75～25.1μm，由进气边到排气边涂层厚度逐渐降低。