一种钛合金整体叶盘全面防护涂层及其制备方法与流程

本发明属于航空发动机整体叶盘表面处理，特别是涉及一种钛合金整体叶盘全面防护涂层及其制备方法。

背景技术：

1、整体叶盘是将叶片和轮盘制作成一个整体，最大限度地减少了零件数量，可以显著降低航空发动机重量；同时由于整体叶盘可以消除传统叶片、轮盘结构中气流在榫头与榫槽中逸流所造成的损失，大幅提高了航空发动机效率。为了显著提升推重比和效率，高性能航空发动机的风扇和高压压气机均采用了先进的钛合金整体叶盘结构。作为转子件，整体叶盘叶片承受高温、高速、高压气流冲刷和腐蚀作用。高速粒子的冲刷、腐蚀会导致叶片进、排气边弦长减短、轮廓改变，叶身粗糙度增加，叶尖减短，翼型减薄等后果，从而对发动机的结构完整性和空气动力学行为产生影响，破坏发动机性能，严重的甚至产生灾难性后果。此外，由于钛合金硬度低、耐磨性能差，高速粒子在叶片表面会造成点腐蚀坑而造成疲劳极限下降，甚至产生叶片裂纹导致断裂。有数据显示，飞机在普通环境下飞行，发动机寿命可达2000hrs。但在沙尘环境下飞行，没有涂层的仅能持续100 hrs左右。由于整体叶盘结构特殊，加工费用高，且不易修复。这就对如何保证钛合金整体叶盘在服役过程中的结构完整性，提高其可靠性，减少维修费用和寿命期费用提出了迫切需求。

2、为了获得更高的增压比，整体叶盘叶片转速一般可达10000rpm左右。工作过程中，由于叶片与机匣材料的热膨胀系数差异及转子叶片高速旋转引起的叶片伸长，叶片不可避免地与表面涂敷有可磨耗封严涂层的机匣发生刮擦损伤。这可能会产生三个方面的后果。其一，在高速摩擦过程中，封严涂层逐渐硬化，当其硬度超过钛合金叶片时，叶尖会遭到磨损变短，从而导致叶片与机匣内壁之间径向间隙增大，压气机各级间气体泄漏量增加，发动机效率降低。其二，摩擦会导致叶片叶尖过热。当叶尖温度超过β相变点（钛合金882.5℃时存在α→β相转变）后，钛合金相组成会发生变化，导致钛合金变软，易于产生疲劳裂纹。其三，摩擦过程中所产生大量的摩擦热，会导致引起钛合金过热自燃着火。着火后，很快将叶片烧坏，机匣烧穿。火焰继续外窜，烧穿外涵的钛合金机匣及发动机短舱，烧坏飞机其他系统的设备，最终导致飞机失事。

3、目前整体叶盘表面采用激光冲击强化、超声喷丸等表面处理手段以提高其疲劳强度及服役寿命，尚无法满足高速粒子冲刷腐蚀和叶尖强化需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明公开一种钛合金整体叶盘全面防护涂层及其制备方法。先在叶尖涂覆ni-cbn耐磨强化涂层，再在叶身涂覆tialsin氮化物抗冲刷腐蚀涂层以提升整体叶盘结构可靠性和服役寿命，其中叶尖耐磨强化涂层采用复合电镀工艺制备，提高钛合金叶片叶尖硬度，使钛合金叶片切入到机匣可磨耗封严涂层内，避免叶尖产生叶尖裂纹，同时使叶片与机匣内壁产生过盈配合，从而显著降低压气机级间气体泄漏率，大幅度提高发动机效率和可靠性，抗冲刷腐蚀涂层采用多弧源真空电弧镀工艺制备，实现大尺寸整体叶盘叶片叶身涂层均匀沉积，提升其抗冲刷耐腐蚀性能。

2、本发明的技术方案是：

3、一种钛合金整体叶盘全面防护涂层，由叶尖ni-cbn耐磨强化涂层和叶身tialsin氮化物抗冲刷腐蚀涂层组成。

4、一种钛合金整体叶盘全面防护涂层的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤一、采用复合电镀工艺制备叶尖ni-cbn耐磨强化涂层：

6、将钛合金整体叶盘非涂覆区域采用仿型夹具进行保护，仅露出叶尖涂覆区域；

7、对叶尖进行湿吹砂活化预处理，具体工艺参数如下：白刚玉砂粒度为180～250目，白刚玉砂含量为20%～35%，风压为0.25mpa～0.35mpa，水压＞0.2mpa，吹砂距离为180mm～350 mm；

8、将钛合金整体叶盘浸在有机溶剂丙酮中超声清洗，进行表面除油处理，然后烘干；

9、采用瓦特镀镍液在叶尖预镀镍层；

10、将cbn颗粒均匀分布在预镀镍层上，然后重新放入瓦特镀镍液中进行加固和镀镍，完成叶尖ni-cbn耐磨强化涂层的制备；

11、步骤二、采用真空电弧镀工艺制备叶身tialsin氮化物抗冲刷腐蚀涂层：

12、将钛合金整体叶盘浸在有机溶剂丙酮中超声清洗，进行表面去油处理，然后烘干；

13、将清理后的钛合金整体叶盘置于多弧源真空电弧镀设备真空室转台上，调整钛合金整体叶盘高度至位置正对tialsi靶材，然后抽真空；

14、当真空度至9×10-3pa时，同时开启真空电弧镀的主加热器和副加热器，将钛合金整体叶盘加热至200±10℃；

15、当真空度至6×10-3pa时，开启真空电弧镀的偏压电源，并调节偏压至-800±10v，然后通入氩气，在-800±10v偏压下，离子轰击清洗5~10min，除去钛合金整体叶盘表面的氧化物和污染物，然后关闭氩气阀；

16、向真空室内通入氮气，并调节压强为2.0±0.2pa，开启tialsi靶材弧电流，调节弧电流至70±3a，并调节偏压至-450±10v，占空比为20±3%，开始涂层沉积；沉积60~80min后关闭tialsi靶材弧电流；关闭靶弧电源和偏压电源，最后关闭氮气阀，完成叶身tialsin氮化物抗冲刷腐蚀涂层的涂覆制备；

17、保持真空室的真空度≤5×10-3pa，待钛合金整体叶盘冷却至50℃以下打开舱门，取出钛合金整体叶盘，完成涂层制备。

18、进一步的，上述的一种钛合金整体叶盘全面防护涂层的制备方法，步骤一中预镀镍层厚度为3~5μm。

19、进一步的，上述的一种钛合金整体叶盘全面防护涂层的制备方法，步骤一中cbn颗粒的粒径为+100目~-120目，镀镍层厚度为100~150μm。

20、进一步的，上述的一种钛合金整体叶盘全面防护涂层的制备方法，步骤二中tialsi靶材额成分为：ti为62~66w.t.%，al为27~30 w.t.%，si为6~8 w.t.%。

21、进一步的，上述的一种钛合金整体叶盘全面防护涂层的制备方法，叶身tialsin氮化物抗冲刷腐蚀涂层厚度为8~10μm。

22、本发明的优点及有益效果：

23、1、本发明叶身、叶尖实现全面防护，有效提升了航空发动机钛合金整体叶盘的服役寿命和可靠性；

24、2、叶尖ni-cbn耐磨强化涂层采用复合电镀工艺制备，提高钛合金叶片叶尖硬度，使钛合金叶片切入到机匣可磨耗封严涂层内，避免叶尖产生叶尖裂纹，同时改善了钛合金整体叶盘叶尖与对磨机匣的匹配性，使叶片与机匣内壁产生过盈配合，从而显著降低压气机级间气体泄漏率，大幅度提高发动机效率和可靠性；

25、3、叶身涂覆tialsin氮化物抗冲刷腐蚀涂层采用多弧源真空电弧镀工艺制备，有效避免了整体叶盘相邻叶片之间的干涉问题，实现大尺寸整体叶盘叶片叶身涂层均匀沉积，提升其抗冲刷耐腐蚀性能。

技术特征：

1.一种钛合金整体叶盘全面防护涂层，其特征在于，所述涂层由叶尖ni-cbn耐磨强化涂层和叶身tialsin氮化物抗冲刷腐蚀涂层组成。

2.一种权利要求1所述的钛合金整体叶盘全面防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种钛合金整体叶盘全面防护涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中预镀镍层厚度为3~5μm。

4.根据权利要求2所述的一种钛合金整体叶盘全面防护涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中cbn颗粒的粒径为+100目~-120目，镀镍层厚度为100~150μm。

5. 根据权利要求2所述的一种钛合金整体叶盘全面防护涂层的制备方法，其特征在于，步骤二中tialsi靶材额成分为：ti为62~66w.t.%，al为27~30 w.t.%，si为6~8 w.t.%。

6.根据权利要求2所述的一种钛合金整体叶盘全面防护涂层的制备方法，其特征在于，叶身tialsin氮化物抗冲刷腐蚀涂层厚度为8~10μm。

技术总结
本发明涉及属于航空发动机整体叶盘表面处理技术领域，特别是涉及一种钛合金整体叶盘全面防护涂层及其制备方法。先在叶尖涂覆Ni‑cBN耐磨强化涂层，再在叶身涂覆TiAlSiN氮化物抗冲刷腐蚀涂层以提升整体叶盘结构可靠性和服役寿命，其中叶尖耐磨强化涂层采用复合电镀工艺制备，提高钛合金叶片叶尖硬度，使钛合金叶片切入到机匣可磨耗封严涂层内，避免叶尖产生裂纹，同时使叶片与机匣内壁产生过盈配合，从而显著降低压气机级间气体泄漏率，大幅度提高发动机效率和可靠性，抗冲刷腐蚀涂层采用多弧源真空电弧镀工艺制备，实现大尺寸整体叶盘叶片叶身涂层均匀沉积，提升其抗冲刷耐腐蚀性能。

技术研发人员：程玉贤,胡建军,章凯,苏宝情,李想
受保护的技术使用者：中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12