一种Si3N4/Ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法和应用与流程

技术领域：

本发明属于金属材料表面沉积防护涂层技术领域，具体地说是一种si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法和应用。

背景技术：
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钛合金具有比强度高、密度低、抗弹性和成型加工性良好等特点，而且还具有较好的耐腐蚀性和耐热性，因此钛合金自诞生之初就应用于航空工业。如今，飞机发动机中压气机部位已大量应用钛合金的叶片和零件。然而，在发动机运转时，飞机叶片叶尖的线速度较高，通常达到300m/s以上，此时叶尖与封严涂层将发生剧烈摩擦。这不仅使叶片受到较大损耗，极大的缩短飞机叶片的寿命，而且由于钛合金的导热性差，剧烈摩擦容易引发“钛火”。因此，在钛合金叶片尖端制备硬质耐磨涂层，是解决上述问题的有效途径。

其中，复合电镀技术具有合成温度较低、操作方便，对工件的尺寸和形状限制小等特点，适用于加工复杂形状的压气机叶片。但是钛是一种非常活泼的金属，在空气和水溶液中很容易氧化而生成氧化钛陶瓷膜。此氧化膜不仅阻碍进一步的电镀，而且导致涂层与金属的界面匹配性变差，难以获得结合力良好的镀层。目前，针对此问题使用最多的方法是对钛合金基体表面进行镀前预处理，而预处理的关键是在其表面形成适宜的“活性膜”。但此类“活性膜”当使用温度较高时会发生缓慢分解，易导致涂层脱落，所以此类方法不能满足钛合金叶片在中温段使役环境下的要求。因此，需要发明一种适用于钛合金叶片电镀的前处理方法以获得较高的膜-基结合强度和钛合金叶片叶尖防护涂层以防止“钛火”的发生和提高叶片使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法和应用，通过复合电镀技术结合“预活化+带电入槽+热处理”工艺，制备出si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层，有效的解决钛合金基体与si3n4/ni涂层界面匹配性差的问题，使得电镀沉积的封严防护涂层具有较高的耐磨性、膜-基结合强度。

本发明的技术方案是：

一种si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法，首先利用“预活化+带电入槽”的工艺在基体上制备纯镍活化层；然后利用复合电沉积技术制备si3n4/ni涂层，最后将该沉积态涂层进行真空热处理。

所述的si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法，基体为钛合金。

所述的si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法，si3n4颗粒的粒径范围为40～70μm。

所述的si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法，防护涂层的结合力采用拉伸试验的方法进行测试，si3n4/ni涂层的结合力达到50mpa以上。

所述的si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法，沉积态si3n4/ni涂层经热处理后，获得耐磨的si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层，防护涂层在常温下的摩擦系数为0.3～0.5。

所述的si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法，该方法具体包括如下步骤：

(1)预处理过程：沉积前需对钛合金基材进行预处理，具体过程为：首先用240#、400#、600#、800#砂纸依次对基体进行打磨，然后利用300目氧化铝对基体表面进行干喷处理，接着分别用丙酮、酒精超声清洗10～30min，烘干；

(2)采用“预活化+带电入槽”工艺沉积镍活化层，具体过程为：镀前利用15～25vol％盐酸刻蚀清洗钛合金基片30～90s；然后将基片连接到电源负极，通电后将基片放入瓦特液镀槽中沉积厚度3～5μm的纯镍活化层；其中，电流密度为1～5a/dm²，镀槽中瓦特液的温度为30～50℃；

(3)采用复合电镀技术固定si3n4硬质颗粒，具体过程为：在沉积有镍活化层的工件表面均匀布置一层si3n4硬质颗粒，放入瓦特液中进行复合电镀，电镀槽中瓦特液的温度30～50℃，电流密度为0.5～2a/dm²，时间0.1～1h；待指定时间后拿出工件，拂去表层未被固定的硬质颗粒，将工件再次放入瓦特液中加厚，工件为阴极，阳极为纯镍板；

(4)沉积结束后，蒸馏水冲洗烘干，400～500℃真空退火20～50h。

所述的si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法，步骤(2)和步骤(3)中，根据所需涂层厚度设定沉积时间。

所述的si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法，步骤(2)和步骤(3)中，瓦特液的组成为：硫酸镍240～250g/l，氯化镍35～50g/l，硼酸35～40g/l，糖精钠0.4～0.6g/l，十二烷基硫酸钠0.1～0.2g/l，余量为水。

所述的si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法，步骤(3)中，加厚的电镀工艺参数为：电镀槽中瓦特液的温度30～50℃，电流密度为0.5～2a/dm²，时间3～5h。

所述的si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的应用，si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层应用于钛合金叶片叶尖的表面防护，并且用于改善燃气涡轮发动机的封严性能。

本发明的设计思想是：

本发明采用复合电沉积技术，在钛合金基体上制备si3n4/ni防护涂层。本发明中所涉及的“预活化+带电入槽+热处理”的工艺，解决在钛合金基材上电镀结合力差的问题，并且最终结合力可达50mpa以上。涂层中添加的si3n4硬质颗粒，不仅具有较好的润滑作用，并且可以赋予涂层优异的切削性能，以达到防护钛合金叶片叶尖的作用。涂层基体材料为ni，在500℃以下具有较好的抗氧化等性能，并且其导热性强，可以避免在高速刮擦过程中“钛火”的发生，能够满足目前钛合金叶片的使役环境。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明所制备的钛合金叶片叶尖防护防护涂层，涂层与基材的结合力大于50mpa，涂层平均摩擦系数约为0.4，具有优异的耐磨性能。

2、本发明所提供“预活化+带电入槽+热处理”工艺，解决钛合金基体与si3n4/ni涂层界面匹配性差的问题，为采用电镀技术沉积的封严涂层在航空发动机钛合金叶片的应用提供技术支撑。

3、本发明所涉及的钛合金叶片叶尖防护防护涂层可应用于航空发动机钛合金叶片叶尖的表面防护，可以防止“钛火”的发生，并能有效延长钛合金叶片的使用寿命。

4、本发明所涉及的这种钛合金叶尖防护涂层被成功合成，并且该涂层呈现较高膜-基结合强度和耐磨性能，对于耐磨封严涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。

附图说明：

图1为si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的截面形貌图。

图2为si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的x射线衍射图谱。图中，横坐标2θ代表衍射角(°)，纵坐标intensity代表相对强度(a.u.)。

图3为si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的摩擦系数随时间变化曲线图。图中，横坐标time代表时间(min)，纵坐标frictioncoefficient代表摩擦系数。

具体实施方式：

在具体实施过程中，本发明si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的制备方法，其工艺流程是：首先，通过对基材“预活化+带电入槽”的工艺，在钛合金基体上制备一层镍活化层；然后利用复合电沉积技术在活化层上制备si3n4/ni涂层，最后将该涂层进行真空热处理，si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层的总厚度为40～50μm。

下面，通过实例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

基材采用tc6钛合金，沉积前需对钛合金基材进行预处理，具体过程为：首先用240#、400#、600#、800#砂纸依次对基体进行打磨，然后利用300目氧化铝对基体表面进行干喷处理，接着分别用丙酮、酒精超声清洗20min，烘干。

(一)采用“预活化+带电入槽”工艺制备镍活化层：将预处理的tc6钛合金基片放入20vol％盐酸中浸泡60～90s，进行镀前预活化；然后将基片连接到电源负极，通电后将基片放入瓦特液镀槽中沉积纯镍活化层。其中，预镀ni具体的工艺参数为：阴阳极距为3cm，电流密度为3a/dm²，瓦特液温度为45℃，工件作为阴极，阳极为纯镍靶，时间为5min，纯镍活化层厚度为5μm。

(二)复合电沉积制备si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层：在镀有纯镍活化层的工件表面均匀布置一层si3n4硬质颗粒放入瓦特液中进行复合电镀，其中si3n4硬质颗粒的粒径为40～70μm，具体的电镀工艺参数为：阴阳极距3cm，电流密度为0.6a/dm²，时间1h，瓦特液温度为45℃。1小时后拿出工件，拂去工件表面未被固定的硬质颗粒，然后将工件放入瓦特液中加厚，其电镀工艺参数为：阴阳极距3cm，电流密度为0.6a/dm²，时间5h，瓦特液温度为45℃，形成沉积态si3n4/ni复合涂层。

上述瓦特液成分为：硫酸镍240g/l，氯化镍35g/l，硼酸40g/l，糖精钠0.6g/l，十二烷基硫酸钠0.2g/l，余量为水。

复合电沉积结束后，蒸馏水冲洗烘干，将上述沉积态si3n4/ni复合涂层于400℃真空退火24h。

在tc6基体上镀制单面的si3n4/ni复合涂层，采用拉伸试验的方法测得涂层与基体的结合力为52mpa。

如图1所示，si3n4/ni涂层的截面形貌，si3n4颗粒分布均匀，且部分包埋在涂层中，部分裸露在外；涂层结构致密，厚度分布均匀。涂层总厚度约为45μm。

如图2所示，用xrd检测涂层中的相组成，涂层表面结构主要ni相和si3n4组成。

实施例2

基材采用tc4钛合金，沉积前需对钛合金基材进行预处理，具体过程为：首先用240#、400#、600#、800#砂纸依次对基体进行打磨，然后利用300目氧化铝对基体表面进行干喷处理，接着分别用丙酮、酒精超声清洗20min，烘干。

(一)采用“预活化+带电入槽”工艺制备镍活化层：将预处理的tc4钛合金基片放入20vol％盐酸中预活化30～60s；然后将基片连接到电源负极，通电后将基片放入瓦特液镀槽中沉积纯镍活化层。其中，预镀ni具体的工艺参数为：阴阳极距为3cm，电流密度为2a/dm²，瓦特液温度为40℃，工件作为阴极，阳极为纯镍靶，时间为3min，纯镍活化层厚度为3μm。

(二)复合电沉积制备si3n4/ni钛合金叶片叶尖防护涂层：然后在镀有纯镍活化层的工件表面均匀布置一层si3n4硬质颗粒放入瓦特液中进行复合电镀，其中si3n4硬质颗粒的粒径为40～70μm，具体的电镀工艺参数为：阴阳极距3cm，电流密度为0.8a/dm²，时间1h，瓦特液温度为40℃。1小时后拿出工件，拂去工件表面未被固定的硬质颗粒，然后将工件放入瓦特液中加厚，其电镀工艺参数为：阴阳极距3cm，电流密度为0.8a/dm²，时间5h，瓦特液温度为40℃，形成总厚度约为40μm的沉积态si3n4/ni复合涂层。si3n4颗粒分布均匀，且部分包埋在涂层中，部分裸露在外；涂层结构致密，厚度分布均匀。

上述瓦特液成分为：硫酸镍250g/l，氯化镍40g/l，硼酸40g/l，糖精钠0.6g/l，十二烷基硫酸钠0.2g/l，余量为水。

复合电沉积结束后，蒸馏水冲洗烘干，将上述沉积态si3n4/ni复合涂层于400℃真空退火48h。

采用ms-t3000型球盘式摩擦磨损试验机对tc4基体、沉积态和退火态si3n4/ni复合涂层的摩擦学行为进行测试。图3为在对磨副为al2o3、载荷250g、转速500r/min、半径3mm、摩擦时间2min的工况下的摩擦因数。验后工件表面未见明显磨痕，说明该涂层具有优异的耐磨性能。如图3所示，该涂层的摩擦系数随摩擦时间的变化曲线，其平均摩擦系数为0.36，其磨损率低，耐磨性能优异。

实施例结果表明，本发明通过复合电沉积工艺成功制备si3n4/ni复合涂层，该涂层呈现良好的膜基结合力及优异的摩擦磨损，可显著改善钛合金叶片的低耐磨性，对于保护钛合金叶片、延长叶片的使用寿命、降低“钛火”的发生几率和提高发动机的推重比具有重要意义。