CN102392217A - 一种叶片表面抗点蚀涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种叶片表面抗点蚀涂层及其制备方法，所述涂层由里向外依次由粘结层、阻挡层和表面层组成；其中以纯金属Ti作为粘结层，由里向外依次以TiN和TiC作为阻挡层，以TiCN作为表面层；所述制备方法采用电弧离子镀膜机在叶片基体上依次沉积粘结层、阻挡层和表面层。本发明提出的多层抗点蚀涂层结构，具有较低的摩擦系数，较高的硬度，较好的耐磨性，良好的涂层和基体结合力，优越的抗点蚀能力；在制备过程中，要求沉积过程前，炉体真空度至少为6.7×10^-3Pa，炉体温度为250℃～450℃，以减少沉积过程中对叶片基体材料组织的显著影响；采用特定的弧电流减少了在沉积过程中涂层表面的大颗粒，液滴以及空洞，使涂层表面光滑致密，均匀，抗腐蚀性能提高。

Description

一种叶片表面抗点蚀涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂层材料技术领域，具体为一种叶片表面抗点蚀涂层及其制备方法。

背景技术

涡轮叶片是燃气涡轮发动机的关键部件，是把热能转换为机械能的最直接的部件。在发动机工作过程中，涡轮叶片的工作环境非常恶劣，不但要承受高温、高压、高速气流的冲击和巨大的离心载荷及振动载荷的复合作用，并且受到高温燃气的腐蚀。尤其是抗点蚀性能会迅速下降，使涡轮叶片的寿命大大降低，因此努力提高先进汽轮机叶片的抗点蚀性能至关重要。

离子镀TiN涂层由于具有较高的硬度，较好的耐磨性等，成为硬质合金最常用的涂层材料，主要用作刀具、模具表面的硬质涂层以提高刀具、模具的使用寿命。如《硬质合金》2006年23卷第1期公开的“TiN涂层的微观组织结构及力学性能分析”，该文献采用磁控溅射法在硬质合金基体上沉积TiN涂层，结果表明所得到的涂层硬度高达1800HV。又如《航空工艺技术》1995年第1期公开的“TiN涂层的组织结构及性能研究”，该文献中采用离子镀技术获得TiN涂层，结果表明TiN涂层能够提高基体材料的硬度和耐磨性，但由于TiN涂层表面存在较多的针孔、空洞等缺陷，使TiN涂层耐腐蚀性能较差。碳氮化钛(TiCN)涂层是在二元TiN涂层的基础上发展起来的一种新型三元复合涂层，是TiN和TiC的固溶体，具有两者的特点和优点。C的加入使离子镀TiCN涂层具有耐点蚀，耐高温，耐冲刷，与基体结合好以及摩擦系数低的良好力学性能，广泛用于切削刀具，钻头和模具等，尤其是先进汽轮机叶片涂层的应用。TiCN比TiN有良好的抗粘着磨损和抗磨粒磨损性能，比TiN有低的摩擦系数，TiCN可提高进到速率和切削速度及切削力，从而提高切削刀具的生产效率和使用寿命；TiN与TiCN复合，以TiN作内层形成复合层，可比同样厚度的TiN或者TiCN更有效提高其耐磨性，但TiCN的热稳定性跟抗氧化性不如TiN和TiC。单层的TiCN涂层由于涂层与基体材料的热物理性能和力学性能的不同，在涂层制备冷却过程中造成涂层内应力过大，涂层与基体的结合强度差。作为先进汽轮机叶片表面的防护涂层，需要解决针孔、空洞以及涂层表面大液滴问题，以提高涂层抗点蚀性能。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种叶片表面抗点蚀涂层及其制备方法，使该涂层具有较低的摩擦系数，较高的硬度，较好的耐磨性，良好的涂层和基体结合力，优越的抗点蚀能力，从而对先进汽轮机叶片抗点蚀性能起到显著的效果。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述的一种叶片表面抗点蚀涂层，其特征在于：所述涂层由里向外依次由粘结层、阻挡层和表面层组成；其中以纯金属Ti作为粘结层，由里向外依次以TiN和TiC作为阻挡层，以TiCN作为表面层。

所述的一种叶片表面抗点蚀涂层，其特征在于：粘结层厚度为0.5微米～0.8微米，TiN阻挡层厚度为1微米～1.5微米，TiC阻挡层厚度为1.5微米～2微米，表面层厚度为5微米～6微米。

所述制备叶片表面抗点蚀涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将叶片基体置于盛有丙酮溶液的超声清洗机中进行超声清洗，其中丙酮溶液浓度至少为99.9％，清洗时间至少为20min；将清洗后的叶片基体浸入无水乙醇溶液中脱水处理后干燥；

步骤2：将经步骤1处理后的叶片基体固定在电弧离子镀膜机炉体的工件杆上；对炉体进行粗抽真空，而后开启加热器，使炉体温度升至250℃～450℃，加热过程中同步对炉体进行细抽真空，使炉体真空度至少为6.7×10^-3Pa；

步骤3：保持炉体温度不变，向炉体通入纯度至少为99.9％的氩气，并且开启电弧离子镀膜机的偏压电源和靶材，对叶片基体表面进行清洗，在清洗过程中偏压电源的脉冲偏压幅值由700V按照均匀间隔升高至1000V，占空比为60％～70％，靶材为Ti靶，靶材电流为60A～120A，本步骤的清洗时间为10min～20min，工件杆转架转速为3转/min～8转/min；本步骤的清洗过程中保持炉体真空度为8×10^-1Pa～10×10^-1Pa；

步骤4：保持炉体温度不变，调节Ti靶电流为60A～120A，偏压电源的脉冲偏压幅值为200V～400V，占空比为60％～70％；调节氩气流量使炉体内真空度为3×10^-1Pa～5×10^-1Pa，在叶片基体表面沉积纯金属Ti粘结层，沉积时间为20min～30min；

步骤5：保持炉体温度不变，保持步骤4中氩气流量、Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，向炉体中通入纯度至少为99.9％的N₂气，使炉体内真空度降低2×10^-1Pa～3×10^-1Pa，在粘结层上沉积TiN阻挡层，沉积时间为25min～35min；

步骤6：保持炉体温度不变，保持步骤5中Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，关闭氩气和N₂气输入，对炉体抽真空，使炉体真空度至少为6.7×10^-3Pa，而后向炉体内通入纯度至少为99.9％的氩气，使炉体真空度为3×10^-1Pa～5×10^-1Pa，再向炉体内通入纯度至少为99.9％的CH₄，使炉体真空度降低2×10^-1Pa～3×10^-1Pa，在TiN阻挡层上沉积TiC阻挡层，沉积时间为25min～45min；

步骤7：保持炉体温度不变，保持步骤6中Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，保持氩气和CH₄流量不变，向炉体中通入纯度至少为99.9％的N₂气，使炉体真空度降低2×10^-1Pa～3×10^-1Pa，在TiC阻挡层上沉积表面层，沉积时间为30min～70min；

步骤8：依次关闭靶电源，加热器、偏压电源，关闭CH₄和N₂气，将炉体冷却至100℃后，关闭氩气，叶片基体随炉冷却至室温后出炉。

有益效果

本发明提出的多层抗点蚀涂层结构，具有较低的摩擦系数，较高的硬度，较好的耐磨性，良好的涂层和基体结合力，优越的抗点蚀能力。在制备过程中，要求沉积过程前，炉体真空度至少为6.7×10^-3Pa，确保炉体不含其它杂质气体，炉体温度为250℃～450℃，以减少沉积过程中对叶片基体材料组织的显著影响；采用特定的弧电流减少了在沉积过程中涂层表面的大颗粒，液滴以及空洞，使涂层表面光滑致密，均匀，抗腐蚀性能提高。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

实施例1：

本实施例为在X12CrMoWVNbN10-1-1耐热钢叶片表面沉积抗点蚀涂层，具体制备方法如下：

步骤1：将X12CrMoWVNbN10-1-1耐热钢叶片基体置于盛有丙酮溶液的超声清洗机中进行超声清洗，其中丙酮溶液浓度为99.99％，清洗时间为20min；将清洗后的叶片基体浸入无水乙醇溶液中脱水处理后干燥；

步骤2：将经步骤1处理后的X12CrMoWVNbN10-1-1耐热钢叶片基体固定在电弧离子镀膜机炉体的圆柱形工件杆上；对炉体进行粗抽真空，而后开启加热器，使炉体温度升至350℃，加热过程中同步对炉体进行细抽真空，使炉体真空度为6.7×10^-3Pa；

步骤3：保持炉体温度不变，向炉体通入纯度为99.9％的氩气，并且开启电弧离子镀膜机的偏压电源和靶材，对叶片基体表面进行清洗，在清洗过程中偏压电源的脉冲偏压幅值由700V按照均匀时间间隔升高至1000V，占空比为60％，靶材为Ti靶，靶材电流为60A，本步骤的清洗时间为20min，工件杆转架转速为3转/min；本步骤的清洗过程中保持炉体真空度为8×10^-1Pa；

步骤4：保持炉体温度不变，调节Ti靶电流为90A，偏压电源的脉冲偏压幅值为350V，占空比为60％；调节氩气流量使炉体内真空度降低至3×10^-1Pa，在叶片基体表面沉积纯金属Ti粘结层，沉积时间为20min；

步骤5：保持炉体温度不变，保持步骤4中氩气流量、Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，向炉体中通入纯度为99.9％的N₂气，使炉体内真空度降低2×10^-1Pa，至5×10^-1Pa，在粘结层上沉积TiN阻挡层，沉积时间为25min；

步骤6：保持炉体温度不变，保持步骤5中Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，关闭氩气和N₂气输入，对炉体抽真空，使炉体真空度升高至6.7×10^-3Pa，而后向炉体内通入纯度为99.9％的氩气，使炉体真空度降低为3×10^-1Pa，再向炉体内通入纯度为99.9％的CH₄，使炉体真空度降低3×10^-1Pa，至6×10^-1Pa，在TiN阻挡层上沉积TiC阻挡层，沉积时间为25min；

步骤7：保持炉体温度不变，保持步骤6中Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，保持氩气和CH₄流量不变，向炉体中通入纯度为99.9％的N₂气，使炉体真空度降低2×10^-1Pa，至8×10^-1Pa，在TiC阻挡层上沉积表面层，沉积时间为50min；

步骤8：依次关闭靶电源，加热器、偏压电源，关闭CH₄和N₂气，将炉体冷却至100℃后，关闭氩气，叶片基体随炉冷却至室温后出炉。

所得多层抗点蚀涂层呈深黄色，涂层总厚度为8.3微米，通过显微观察，粘结层厚度为0.6微米，TiN阻挡层厚度为1.1微米，TiC阻挡层厚度为1.6微米，表面层厚度为5微米，涂层显微硬度为2400HV_0.1，耐蚀性良好。

实施例2：

本实施例为在1Cr-0.5Mo钢材料叶片表面沉积抗点蚀涂层，具体制备方法如下：

步骤1：将叶片基体置于盛有丙酮溶液的超声清洗机中进行超声清洗，其中丙酮溶液浓度为99.9％，清洗时间为30min；将清洗后的叶片基体浸入无水乙醇溶液中脱水处理后干燥；

步骤2：将经步骤1处理后的叶片基体固定在电弧离子镀膜机炉体的圆柱形工件杆上；对炉体进行粗抽真空，而后开启加热器，使炉体温度升至250℃，加热过程中同步对炉体进行细抽真空，使炉体真空度为5×10^-3Pa；

步骤3：保持炉体温度不变，向炉体通入纯度为99.99％的氩气，并且开启电弧离子镀膜机的偏压电源和靶材，对叶片基体表面进行清洗，在清洗过程中偏压电源的脉冲偏压幅值由700V按照均匀时间间隔升高至1000V，占空比为65％，靶材为Ti靶，靶材电流为80A，本步骤的清洗时间为15min，工件杆转架转速为5转/min；本步骤的清洗过程中保持炉体真空度为9×10^-1Pa；

步骤4：保持炉体温度不变，调节Ti靶电流为60A，偏压电源的脉冲偏压幅值为200V，占空比为65％；调节氩气流量使炉体内真空度降低至4×10^-1Pa，在叶片基体表面沉积纯金属Ti粘结层，沉积时间为25min；

步骤5：保持炉体温度不变，保持步骤4中氩气流量、Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，向炉体中通入纯度为99.99％的N₂气，使炉体内真空度降低2.5×10^-1Pa，至6.5×10^-1Pa，在粘结层上沉积TiN阻挡层，沉积时间为30min；

步骤6：保持炉体温度不变，保持步骤5中Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，关闭氩气和N₂气输入，对炉体抽真空，使炉体真空度升高至5×10^-3Pa，而后向炉体内通入纯度为99.99％的氩气，使炉体真空度降低为4×10^-1Pa，再向炉体内通入纯度为99.99％的CH₄，使炉体真空度降低2.5×10^-1Pa，至6.5×10^-1Pa，在TiN阻挡层上沉积TiC阻挡层，沉积时间为30min；

步骤7：保持炉体温度不变，保持步骤6中Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，保持氩气和CH₄流量不变，向炉体中通入纯度为99.99％的N₂气，使炉体真空度降低3×10^-1Pa，至9.5×10^-1Pa，在TiC阻挡层上沉积表面层，沉积时间为30min；

步骤8：依次关闭靶电源，加热器、偏压电源，关闭CH₄和N₂气，将炉体冷却至100℃后，关闭氩气，叶片基体随炉冷却至室温后出炉。

所得多层抗点蚀涂层呈深黄色，涂层总厚度为8微米，通过显微观察，粘结层厚度为0.5微米，TiN阻挡层厚度为1微米，TiC阻挡层厚度为1.5微米，表面层厚度为5微米，涂层显微硬度为1800HV_0.1，耐蚀性良好。

实施例3：

本实施例为在1Cr-1Mo-0.25V钢材料叶片表面沉积抗点蚀涂层，具体制备方法如下：

步骤1：将叶片基体置于盛有丙酮溶液的超声清洗机中进行超声清洗，其中丙酮溶液浓度为99.99％，清洗时间为20min；将清洗后的叶片基体浸入无水乙醇溶液中脱水处理后干燥；

步骤2：将经步骤1处理后的叶片基体固定在电弧离子镀膜机炉体的圆柱形工件杆上；对炉体进行粗抽真空，而后开启加热器，使炉体温度升至450℃，加热过程中同步对炉体进行细抽真空，使炉体真空度为6×10^-3Pa；

步骤3：保持炉体温度不变，向炉体通入纯度为99.99％的氩气，并且开启电弧离子镀膜机的偏压电源和靶材，对叶片基体表面进行清洗，在清洗过程中偏压电源的脉冲偏压幅值由700V按照均匀间隔升高至1000V，占空比为70％，靶材为Ti靶，靶材电流为120A，本步骤的清洗时间为10min，工件杆转架转速为8转/min；本步骤的清洗过程中保持炉体真空度为10×10^-1Pa；

步骤4：保持炉体温度不变，调节Ti靶电流为120A，偏压电源的脉冲偏压幅值为400V，占空比为70％；调节氩气流量使炉体内真空度降低至5×10^-1Pa，在叶片基体表面沉积纯金属Ti粘结层，沉积时间为30min；

步骤5：保持炉体温度不变，保持步骤4中氩气流量、Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，向炉体中通入纯度为99.99％的N₂气，使炉体内真空度降低3×10^-1Pa，至8×10^-1Pa，在粘结层上沉积TiN阻挡层，沉积时间为35min；

步骤6：保持炉体温度不变，保持步骤5中Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，关闭氩气和N₂气输入，对炉体抽真空，使炉体真空度升高至6×10^-3Pa，而后向炉体内通入纯度为99.99％的氩气，使炉体真空度降低为5×10^-1Pa，再向炉体内通入纯度为99.99％的CH₄，使炉体真空度降低3×10^-1Pa，至8×10^-1Pa，在TiN阻挡层上沉积TiC阻挡层，沉积时间为45min；

步骤7：保持炉体温度不变，保持步骤6中Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，保持氩气和CH₄流量不变，向炉体中通入纯度为99.99％的N₂气，使炉体真空度降低2×10^-1Pa，至10×10^-1Pa，在TiC阻挡层上沉积表面层，沉积时间为70min；

步骤8：依次关闭靶电源，加热器、偏压电源，关闭CH₄和N₂气，将炉体冷却至100℃后，关闭氩气，叶片基体随炉冷却至室温后出炉。

所得多层抗点蚀涂层呈深黄色，涂层总厚度为10.3微米，通过显微观察，粘结层厚度为0.8微米，TiN阻挡层厚度为1.5微米，TiC阻挡层厚度为2微米，表面层厚度为6微米，涂层显微硬度为2200HV_0.1，耐蚀性良好。

Claims (3)

1.一种叶片表面抗点蚀涂层，其特征在于：所述涂层由里向外依次由粘结层、阻挡层和表面层组成；其中以纯金属Ti作为粘结层，由里向外依次以TiN和TiC作为阻挡层，以TiCN作为表面层。

2.根据权利要求1所述的一种叶片表面抗点蚀涂层，其特征在于：粘结层厚度为0.5微米～0.8微米，TiN阻挡层厚度为1微米～1.5微米，TiC阻挡层厚度为1.5微米～2微米，表面层厚度为5微米～6微米。

3.一种制备如权利要求1或2所述的叶片表面抗点蚀涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将叶片基体置于盛有丙酮溶液的超声清洗机中进行超声清洗，其中丙酮溶液浓度至少为99.9％，清洗时间至少为20min；将清洗后的叶片基体浸入无水乙醇溶液中脱水处理后干燥；

步骤2：将经步骤1处理后的叶片基体固定在电弧离子镀膜机炉体的工件杆上；对炉体进行粗抽真空，而后开启加热器，使炉体温度升至250℃～450℃，加热过程中同步对炉体进行细抽真空，使炉体真空度至少为6.7×10^-3Pa；

步骤3：保持炉体温度不变，向炉体通入纯度至少为99.9％的氩气，并且开启电弧离子镀膜机的偏压电源和靶材，对叶片基体表面进行清洗，在清洗过程中偏压电源的脉冲偏压幅值由700V按照均匀间隔升高至1000V，占空比为60％～70％，靶材为Ti靶，靶材电流为60A～120A，本步骤的清洗时间为10min～20min，工件杆转架转速为3转/min～8转/min；本步骤的清洗过程中保持炉体真空度为8×10^-1Pa～10×10^-1Pa；

步骤4：保持炉体温度不变，调节Ti靶电流为60A～120A，偏压电源的脉冲偏压幅值为200V～400V，占空比为60％～70％；调节氩气流量使炉体内真空度为3×10^-1Pa～5×10^-1Pa，在叶片基体表面沉积纯金属Ti粘结层，沉积时间为20min～30min；

步骤5：保持炉体温度不变，保持步骤4中氩气流量、Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，向炉体中通入纯度至少为99.9％的N₂气，使炉体内真空度降低2×10^-1Pa～3×10^-1Pa，在粘结层上沉积TiN阻挡层，沉积时间为25min～35min；

步骤6：保持炉体温度不变，保持步骤5中Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，关闭氩气和N₂气输入，对炉体抽真空，使炉体真空度至少为6.7×10^-3Pa，而后向炉体内通入纯度至少为99.9％的氩气，使炉体真空度为3×10^-1Pa～5×10^-1Pa，再向炉体内通入纯度至少为99.9％的CH₄，使炉体真空度降低2×10^-1Pa～3×10^-1Pa，在TiN阻挡层上沉积TiC阻挡层，沉积时间为25min～45min；

步骤7：保持炉体温度不变，保持步骤6中Ti靶电流、脉冲偏压幅值及占空比的值不变，保持氩气和CH₄流量不变，向炉体中通入纯度至少为99.9％的N₂气，使炉体真空度降低2×10^-1Pa～3×10^-1Pa，在TiC阻挡层上沉积表面层，沉积时间为30min～70min；

步骤8：依次关闭靶电源，加热器、偏压电源，关闭CH₄和N₂气，将炉体冷却至100℃后，关闭氩气，叶片基体随炉冷却至室温后出炉。