用于钛合金表面的抗冲蚀抗疲劳一体化涂层及其制备方法技术

用于钛合金表面的抗冲蚀抗疲劳一体化涂层及其制备方法，属于真空PVD镀膜领域。具体方案包括以下步骤：步骤一、预处理：将待镀工件喷砂后清洗并烘干；步骤二、装炉：将预处理后的待镀工件安装在磁过滤阴极真空弧的真空室中，将Ti金属靶安置于离子注入靶位和沉积靶位；步骤三、抽真空：将真空室抽真空；步骤四、磁过滤阴极真空弧沉积TiN涂层：通过调整N2流量使沉积在待镀工件表面的TiN涂层的N/Ti比例为0.8

【技术实现步骤摘要】
用于钛合金表面的抗冲蚀抗疲劳一体化涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于真空PVD镀膜领域，具体涉及一种用于钛合金表面的抗冲蚀抗疲劳一体化涂层及其制备方法，可用于航空发动机钛合金叶片材料的表面防护。

技术介绍

[0002]直升机和运输机在沙漠地带服役时，其发动机压气机将面临严重的砂尘冲击和磨蚀，严重降低发动机服役性能和可靠性。叶片材料表面制备防砂涂层可有效提高航空压气机的抗冲蚀性能，常用的防砂涂层多为氮化物陶瓷涂层如ZrN、TiN、CrN。然而，航空压气机叶片在服役时，压气机叶片高速旋转，涂层和基体在交变载荷作用下，因陶瓷涂层与金属基体在弹性模量、协同变形等方面的差异，一旦涂层出现疲劳损伤，将会对基体疲劳性能产生较大的影响。例如，M.Y.P. Costa等人通过离子镀技术在TC4钛合金表面沉积了厚度约为4 μm的TiN涂层，涂层中存在的孔洞成为疲劳裂纹源，使得基材的疲劳极限从900 MPa降低至450 MPa，钛合金的疲劳极限降低了50 %，严重制约了防砂涂层的应用。
[0003]现阶段的专利多集中于通过陶瓷/金属多层或梯度多层结构设计，提高陶瓷涂层的抗冲蚀能力，如专利公开号为CN 107326361 A的具有高抗冲蚀性能的梯度多层复合涂层结构及其制备方法，然而，却忽略了用于航空发动机叶片表面的防砂涂层，需要重点考虑引入涂层对基材疲劳性能的影响。航空发动机叶片盘属于复杂异型结构件，叶片之间的缝隙小，遮挡严重，在制备过程中，很难复现结构复杂的多层或梯度多层陶瓷/金属结构。并且，多层涂层结构复杂，制备难度大，成本高。因此，亟需开发出一种制备方法及结构简单的抗冲蚀抗疲劳一体化的涂层，这对于促进TiN等单层防砂涂层在航空发动机领域的应用有着重要意义。

技术实现思路

[0004]为解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种用于钛合金表面的抗冲蚀抗疲劳一体化涂层及其制备方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种用于钛合金表面的抗冲蚀抗疲劳一体化涂层，所述涂层涂覆在钛合金表面，所述涂层为TiN涂层，涂层的N/Ti原子比例为0.8
‑
0.9。
[0006]进一步的，所述涂层的厚度为5
‑
20 μm。
[0007]进一步的，所述钛合金包括TC11或TC4。
[0008]一种所述的一体化涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤一、预处理：将待镀工件喷砂后清洗并烘干；步骤二、装炉：将预处理后的待镀工件安装在磁过滤阴极真空弧的真空室中，将Ti金属靶安置于离子注入靶位和沉积靶位；步骤三、抽真空：将真空室抽真空；步骤四、磁过滤阴极真空弧沉积TiN涂层：通过调整N2流量使沉积在待镀工件表面
的TiN涂层的N/Ti原子比例为0.8
‑
0.9。
[0009]进一步的，步骤一中，清洗的步骤为：用丙酮超声波清洗5~10min，再用去离子水超声波清洗5~10min，最后用无水乙醇清洗。
[0010]进一步的，步骤三中，抽真空的步骤为：启动机械泵抽真空至10Pa以下，随后启动分子泵抽真空至5
×
10
‑3Pa。
[0011]进一步的，步骤四中，沉积参数为：起弧电流为90A，磁过滤电流为2.0A，磁过滤电压为24.2V，基体偏压为200V，N2流量为25~28sccm。
[0012]进一步的，步骤四中，调整涂层的沉积时间，控制涂层厚度为5
‑
20μm。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）涂层硬度依据ASTME384
‑
06《材料显微压痕硬度标准试验方法》标准开展硬度测试，试验条件：载荷0.025kg，保载时间15s，涂层硬度为3210
±
100HV0.025。
[0014]（2）涂层与基体结合力依据ASTMC1624《采用单点划痕法检测陶瓷涂层结合强度及失效模式》开展涂层与基材的结合力测试，试验条件：金刚石压头(锥角120
°
，曲率半径0.2mm)，加载载荷100N，加载速度100N/min，涂层与基材的结合力为68
±
6N。
[0015]（3）冲蚀性能评估无涂层TC11基材与带有本专利技术所制备TiN涂层的TC11基材的抗冲蚀性能考核试验采用国军标砂尘标准，砂尘浓度5级，速度不小于180m/s，45
°
攻角，砂尘粒径为0~75μm，冲蚀后通过激光共聚焦，评价试样表面的体积损失，结果表明无涂层TC11类叶片的体积损失为0.8710mm3，带有TiN涂层的TC11类叶片的体积损失为0.13mm3。结果表明，带有TiN涂层的TC11类叶片抗冲蚀性能约为无涂层TC11类叶片的6倍。
[0016]（4）旋转弯曲疲劳依据航空标准HB5152
‑
1996(金属室温旋转弯曲疲劳试验方法)制备疲劳试样，并依据标准开展涂层对钛合金基材常温疲劳强度影响的试验，采用升降法测试疲劳强度。其中TC11基材在一千万次的中值疲劳极限为582.5MPa，带有本专利技术所制备的TiN涂层的TC11基材在一百万次的中值疲劳极限为547.5MPa，疲劳极限降低约为6%。
附图说明
[0017]图1是本专利技术所制备的TiN涂层的截面形貌图；图2是本专利技术所制备的TiN涂层的物相分析结果图；图3是本专利技术所制备的TiN涂层与基体结合力测试结果图；图4无涂层TC11基体（a）与本专利技术所制备带有TiN涂层的TC11基体（b）冲蚀试验后的体积损失结果对比图；图5TC11试样及TC11+TiN涂层试样在旋转弯曲加载后的S
‑
N曲线。
具体实施方式
[0018]下面将结合附图和实施例，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]实施例1一种用于钛合金表面的抗冲蚀抗疲劳一体化涂层，即在钛合金表面制备单层TiN涂层。通过调整涂层制备工艺控制进气量，控制涂层的N/Ti原子比例为0.85
±
0.5，实现TiN涂层抗冲蚀抗疲劳的一体化。
[0020]本专利技术所述的一种用于钛合金表面的抗冲蚀抗疲劳一体化涂层的制备方法，主要包括以下步骤：(1)预处理：将待镀工件TC11钛合金喷砂后用丙酮超声波清洗5~10 min，再用去离子水超声波清洗5~10 min，最后用无水乙醇清洗烘干。
[0021](2)装炉：将待镀工件安装在夹具上，将夹持好的待镀工件安装在磁过滤阴极真空弧的真空室中，将Ti金属靶安置于离子注入靶位和沉积靶位。
[0022](3)抽真空：启动机械泵将真空室抽真空至10 Pa以下，随后启动分子泵将真空室抽真空至5
×
10
‑3Pa。
[0023](4)磁过滤阴极真空弧沉积TiN面层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于钛合金表面的抗冲蚀抗疲劳一体化涂层，其特征在于：所述涂层涂覆在钛合金表面，所述涂层为TiN涂层，涂层的N/Ti原子比例为0.8
‑
0.9。2.根据权利要求1所述的一体化涂层，其特征在于：所述涂层的厚度为5
‑
20 μm。3.根据权利要求1所述的一体化涂层，其特征在于：所述钛合金包括TC11或TC4。4.一种权利要求1或2或3所述的一体化涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、预处理：将待镀工件喷砂后清洗并烘干；步骤二、装炉：将预处理后的待镀工件安装在磁过滤阴极真空弧的真空室中，将Ti金属靶安置于离子注入靶位和沉积靶位；步骤三、抽真空：将真空室抽真空；步骤四、磁过滤阴极真空弧沉积TiN涂层：通过调整N2流量使沉积在待镀工件表面的TiN涂层的N/Ti原子比例为0.8...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳，周志福，张兆路，
申请(专利权)人：北京辰融科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：