一种缓解脆性氮化物涂层对金属疲劳性能损伤的方法技术

本发明专利技术涉及一种真空

【技术实现步骤摘要】
一种缓解脆性氮化物涂层对金属疲劳性能损伤的方法


[0001]本专利技术涉及一种真空
PVD
镀膜方法，具体涉及一种缓解脆性氮化物涂层对金属疲劳性能损伤的方法，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]在沙尘环境中服役的航空发动机经常会遭受严重的砂尘侵蚀，导致压气机叶片和整体叶盘损坏严重，影响推进效率
。
具有高硬度的金属氮化物涂层可以有效提高叶片表面的抗冲蚀能力
。
然而，硬质金属氮化物涂层，如
ZrN、CrN
和
TiN
，会显著降低金属基体在交变载荷作用下的疲劳性能
。
有研究表明，
Ti6Al4V
基体的疲劳强度为
875MPa
，分别带有
CrN
和
TiN
涂层之后，其疲劳强度分别从
875MPa
降低到
775MPa
和
450MPa
，这种疲劳强度的下降限制了金属氮化物涂层在航空发动机压气机中的应用
。
此外，叶片盘的结构复杂，叶片之间存在严重的遮挡，使得软硬交替的多层涂层结构，无法在叶片盘的表面实现，制备难度较大
。
因此，对于航空发动机压气机而言，开发一种便于制备，并且不受叶片盘复杂外形结构限制的涂层制备方法，以便于缓解硬质金属氮化物涂层对基体疲劳性能的损伤十分必要
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是解决现有用于航空发动机叶片的硬质金属氮化物涂层会显著降低金属基体在交变载荷作用下疲劳性能的技术问题，而提供一种缓解脆性氮化物涂层对金属疲劳性能损伤的方法
。
[0004]本专利技术的专利技术构思是：在制备氮化物涂层时，添加第二相不与氮元素成键的金属
Ni
相，目的在于通过添加第二相缓解氮化物涂层对金属疲劳性能的损伤，解决现有用于航空发动机叶片的硬质金属氮化物涂层显著降低金属基体在交变载荷作用下的疲劳性能的技术问题
。
[0005]为实现上述专利技术目的
、
完成上述专利技术构思，本专利技术的技术解决方案是：
[0006]一种缓解脆性氮化物涂层对金属疲劳性能损伤的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0007]1)
对金属基体表面进行预处理，使表面洁净干燥；
[0008]2)
将金属基体安装在阴极真空弧的真空室中，将金属靶安置于离子注入靶位；所述金属靶为
Zr
金属靶
、Cr
金属靶和
Ti
金属靶中的任一种；
[0009]3)
将真空室抽真空至1×
10
‑4～5×
10
‑3Pa
；
[0010]4)
开启离子注入靶，向金属基体表面注入金属靶离子，用于清洗金属基体表面的氧化物；
[0011]5)
使用三个弧源，其中两个弧源使用步骤
2)
中的金属靶材，另一个弧源使用
Ni
与步骤
2)
中金属靶结合成复合靶材，复合靶材中
Ni
与步骤
2)
中金属的质量比为
1:1
，在金属基体表面沉积掺
Ni
的氮化物涂层，使氮化物涂层厚度达到
4.5
～
5.5
μ
m
，且氮化物涂层中
Ni
的添加量为
10.2at.
％～
10.6at.
％
。
[0012]进一步地，步骤
1)
中，所述预处理具体为：将金属基体用丙酮超声波清洗5～
10min
，再用去离子水超声波清洗5～
10min
，最后用无水乙醇清洗烘干
。
[0013]进一步地，步骤
2)
中，所述金属靶为
Cr
金属靶
。
[0014]进一步地，步骤
4)
中，向金属基体表面注入
Cr
离子的条件为：弧压设定为
90V
，高压设定为
8kV
，频率设定为
8Hz
，束流强度为4～
8mA
，离子注入时间为
20
～
40min。
[0015]进一步地，步骤
5)
中，所述氮化物涂层的沉积条件为：两个
Cr
金属靶材的弧源起弧电流为
120A
，复合靶材的弧源起弧电流为
100A
，基体偏压为
280V
，通入
N2的流量为
15sccm。
[0016]进一步地，步骤
3)
中，将真空室抽真空至5×
10
‑3Pa
；
[0017]步骤
5)
中，所述氮化物涂层中
Ni
的添加量为
10.4at.
％
。
[0018]本专利技术的有益效果：
[0019]1、
本专利技术一种缓解脆性氮化物涂层对金属疲劳性能损伤的方法，通过在氮化物涂层中添加第二金属软相，降低涂层表面缺陷引起的应力集中，增加氮化物涂层的断裂韧性，提高涂层在交变载荷作用下的临界开裂应力，有效缓解氮化物涂层对金属基体疲劳性能的损伤
。
[0020]2、
本专利技术一种缓解脆性氮化物涂层对金属疲劳性能损伤的方法，氮化物涂层中
Ni
的添加量为
10.2at.
％～
10.6at.
％，在此浓度下，
Ni
将在氮化物柱状晶晶界位置析出，形成独立金属相，维持了氮化物涂层的硬度，提高了氮化物涂层的抗疲劳能力，保证了涂层的抗冲蚀和抗疲劳性能
。
附图说明
[0021]图1是采用本专利技术一种缓解脆性氮化物涂层对金属疲劳性能损伤的方法制备得到的
CrN
涂层的形貌图；
[0022]图2是采用本专利技术一种缓解脆性氮化物涂层对金属疲劳性能损伤的方法制备得到的添加
10.4at.
％
Ni
的
CrN
涂层的形貌图；
[0023]图3是
CrN
涂层的物相分析图谱，其中，
CrNiN
‑0代表无添加的
CrN
涂层，
CrNiN
‑1代表
Ni
添加量为
10.4at.
％的
CrN
涂层，
Ni PDF
代表
Ni
的标准图谱，
CrN PDF
代表
CrN
的标准图谱；
[0024]图4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种缓解脆性氮化物涂层对金属疲劳性能损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)
对金属基体表面进行预处理，使表面洁净干燥；
2)
将金属基体安装在阴极真空弧的真空室中，将金属靶安置于离子注入靶位；所述金属靶为
Zr
金属靶
、Cr
金属靶和
Ti
金属靶中的任一种；
3)
将真空室抽真空至1×
10
‑4～5×
10
‑3Pa
；
4)
开启离子注入靶，向金属基体表面注入金属靶离子，用于清洗金属基体表面的氧化物；
5)
使用三个弧源，其中两个弧源使用步骤
2)
中的金属靶材，另一个弧源使用
Ni
与步骤
2)
中金属靶结合成复合靶材，复合靶材中
Ni
与步骤
2)
中金属的质量比为
1:1
，在金属基体表面沉积掺
Ni
的氮化物涂层，使氮化物涂层厚度达到
4.5
～
5.5
μ
m
，且氮化物涂层中
Ni
的添加量为
10.2at.
％～
10.6at.
％
。2.
根据权利要求1所述的一种缓解脆性氮化物涂层对金属疲劳性能损伤的方法，其特征在于，步骤
1)
中，所述预处理具体为：将金属基体用丙酮超声波清洗5～
10min
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兆路，任昱鑫，柴艳，何光宇，周志福，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：