CN112048702B - 一种航空发动机零部件涂层的制备方法 - Google Patents

一种航空发动机零部件涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种航空发动机零部件涂层的制备方法，所属航空发动机制造领域，方法包括多个纵向靶材安装、湿吹砂处理、超声清洗、真空条件下蒸发沉积涂层。本发明采用多源电磁耦合弧源，结合利用零部件公‑自转以实现表面均匀涂覆和一次成型，在大幅提高涂层沉积速度的同时，提升涂层的质量一致性和可靠性；避免了大尺寸零部件的相邻区域界限处涂层厚度不均匀、组织结构疏松的问题。本发明涂层沉积速度快，制备效率高，靶材利用率高，具有良好的应用性。

Description

一种航空发动机零部件涂层的制备方法
技术领域
本发明属于航空发动机制造领域，特别涉及一种航空发动机零部件涂层的制备方法。
背景技术
涂层是提高航空发动机零部件服役寿命和可靠性，及赋予零部件具备耐磨、抗氧化、低发射率等特殊功能的一种经济有效的方法，具有使用方便，对零部件外形适应性强和对装备机动性能影响小等特点。
目前，涂层制备技术有很多方法，如基于水溶液和熔盐的电化学沉积、化学气相沉积，表面扩散渗以及火焰、等离子、***喷涂和真空涂覆等方法。与其它方法相比，基于蒸发、雾化和冷凝沉积等物理过程的真空涂层沉积法具有能够精确控制涂层结构和性能的优势，因此，在航空发动机零部件涂层制备领域得到了广泛应用。
现有技术中，针对大尺寸的航空发动机零部件，如锥体、调节片链和密封片链等大尺寸的涂层涂覆采用磁控溅射方法，该方法配备三维运动***，可控制Φ60mm圆形磁控靶实现相对于零部件的前后-上下-角度调节(X-Y-Φ)；前后运动幅度300mm，上下运动幅度700mm，角度调节范围0～90°，该三维运动***及配套装置可以实现最大Φ550mm×H700mm尺寸零部件有效镀层。但该方法在镀层过程中，由于零部件表面涂层是分区涂覆，无法实现一次涂覆成型，因此当溅射沉积某区域涂层时，会使相邻区域被溅上涂层，进而影响相邻区域涂层的致密性和结构完整性；此外，磁控溅射涂层沉积速度慢，针对大尺寸的零部件涂层的涂覆时间较长，成本较高。
发明内容
为解决上述大尺寸零部件涂层的分区涂覆无法实现一次涂覆成型，涂层的致密性差、结构完整性差、耗时长、效率低及成本高的问题，本发明提供一种航空发动机零部件涂层的制备方法，采用多源电磁耦合弧源，结合利用零部件公-自转以实现表面均匀涂覆和一次成型，在大幅提高涂层沉积速度的同时，提升涂层的质量一致性和可靠性。其具体技术方案如下：
一种航空发动机零部件涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将N列纵向靶材安装于涂层设备中，2≤N≤8；
步骤2：将零部件表面进行湿吹砂处理，湿吹砂设置参数为：白刚玉砂粒度为180～250目，白刚玉砂含量为20～35％，风压0.25～0.35MPa，水压＞2kg/cm3，吹砂距离为180～350mm；
步骤3：将零部件浸入有机溶剂中超声清洗，进行表面去油处理，然后烘干；
步骤4：将烘干后的零部件装于涂层设备的真空室的样品架上，零部件位置正对纵向靶材；然后将真空室抽真空；
步骤5：当真空室的真空度至9×10-3Pa时，同时开启涂层设备的主加热器和副加热器，使零部件升温至200～230℃；
步骤6：开启涂层设备的偏压电源，调节偏压至-800±10V，并向真空室内通入氩气；在-800±10V偏压下，离子轰击清洗零部件5～8min，除去零部件表面的氧化物和污染物，然后关闭氩气阀；
步骤7：开启N列纵向靶材的弧电流，并调节弧电流至80±5A，调节偏压至-200±10V，占空比为20±3％；同时控制样品架带动零部件进行公转和自转，N列纵向靶材同时蒸发粒子，蒸发粒子运动并沉积覆盖到零部件表面，进行涂层沉积，涂层沉积时间50～70min，涂层沉积时，真空室背底真空度≤7×10-3Pa；
步骤8：待涂层沉积完成，关闭弧电流和偏压电源，紧接着关闭氩气阀；然后使零部件在≤5×10-3Pa真空度条件下，冷却至100℃以下，最后取出零部件，完成镀层。
上述步骤3中，所述有机溶剂为丙酮或石油醚。
上述方法中，所述零部件为航空发动机中的尺寸为Φ(400～450)mm×(500～550)mm×δ(0.5～0.8)mm锥体、(400～480)mm×(100～170)mm×δ(0.5～2)mm调节片链或(400～490)mm×(50～100)mm×δ(0.5～2)mm密封片链。
本发明的一种航空发动机零部件涂层的制备方法，与现有技术相比，有益效果为：
一、本发明方法根据零部件的形状尺寸设置纵向靶材的数量及弧源功率，结合零部件的公转-自转，能够实现零部件表面全覆盖，快速均匀涂覆，一次成型，并保证涂层厚度的均匀性。
二、本发明采用数个纵向靶材，多源电磁耦合弧源，调控电弧等离子体使纵向靶材蒸发离子更多快速运动至零部件表面，从而大幅提高涂层沉积速度，与现有技术相比，总涂覆时间可以缩短10～15％；同时更加有效的控制弧斑在整个靶面高速可控运动，进而大幅提高靶材利用率，利用率可提高5～10％。
三、本发明使零部件在多源电磁耦合状态下弧斑的受控运动，使得靶面跑弧灭弧等传统工艺常见故障得到显著抑制，提升涂层的质量一致性和可靠性，具有较好的应用性能，服役寿命比现有技术可延长10～20％。
综上所述，本发明方法能够使涂层一次成型，避免了大尺寸零部件的相邻区域界限处涂层厚度不均匀、组织结构疏松的问题。本发明涂层沉积速度快，制备效率高，靶材利用率高；解决了现有技术的大尺寸零部件涂层的涂覆难度大、涂层的致密性差、结构完整性差、耗时长、效率低及成本高的问题，具有良好的可实现性。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
本实施例对航空发动机的锥体进行涂层制备，锥体的尺寸为：Φ450mm×550mm×δ0.8mm。
一种航空发动机零部件涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将4列纵向靶材安装于涂层设备中；
步骤2：将零部件表面进行湿吹砂处理，湿吹砂设置参数为：白刚玉砂粒度为180目，白刚玉砂含量为20％，风压0.25MPa，水压2.1kg/cm3，吹砂距离为180mm；
步骤3：将零部件浸入丙酮中超声清洗，进行表面去油处理，然后烘干；
步骤4：将烘干后的零部件装于涂层设备的真空室的样品架上，零部件位置正对纵向靶材；然后将真空室抽真空；
步骤5：当真空室的真空度至9×10-3Pa时，同时开启涂层设备的主加热器和副加热器，使零部件升温至200℃；
步骤6：开启涂层设备的偏压电源，调节偏压至-800V，并向真空室内通入氩气；在-800V偏压下，离子轰击清洗零部件5min，除去零部件表面的氧化物和污染物，然后关闭氩气阀；
步骤7：开启4列纵向靶材的弧电流，并调节弧电流至80A，调节偏压至-200V，占空比为20％；同时控制样品架带动零部件进行公转和自转，4列纵向靶材同时蒸发粒子，蒸发粒子运动并沉积覆盖到零部件表面，进行涂层沉积，涂层沉积时间50min，涂层沉积时，真空室背底真空度6×10-3Pa；
步骤8：待涂层沉积完成，关闭弧电流和偏压电源，紧接着关闭氩气阀；然后使零部件在4.5×10-3Pa真空度条件下，冷却至100℃，最后取出零部件，完成镀层。
本实施例制备的涂层，一次连贯涂覆成型，观察锥体涂层致密均匀，不存在重复沉积现象。
实施例2
本实施例对航空发动机的调节片链进行涂层制备，调节片链的尺寸为：480mm×170mm×δ2mm。
一种航空发动机零部件涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将4列纵向靶材安装于涂层设备中；
步骤2：将零部件表面进行湿吹砂处理，湿吹砂设置参数为：白刚玉砂粒度为200目，白刚玉砂含量为30％，风压0.30MPa，水压2.3kg/cm3，吹砂距离为250mm；
步骤3：将零部件浸入有机溶剂中超声清洗，进行表面去油处理，然后烘干；
步骤4：将烘干后的零部件装于涂层设备的真空室的样品架上，零部件位置正对纵向靶材；然后将真空室抽真空；
步骤5：当真空室的真空度至9×10-3Pa时，同时开启涂层设备的主加热器和副加热器，使零部件升温至220℃；
步骤6：开启涂层设备的偏压电源，调节偏压至-800V，并向真空室内通入氩气；在-800V偏压下，离子轰击清洗零部件7min，除去零部件表面的氧化物和污染物，然后关闭氩气阀；
步骤7：开启4列纵向靶材的弧电流，并调节弧电流至80A，调节偏压至-200V，占空比为20％；同时控制样品架带动零部件进行公转和自转，4列纵向靶材同时蒸发粒子，蒸发粒子运动并沉积覆盖到零部件表面，进行涂层沉积，涂层沉积时间60min，涂层沉积时，真空室背底真空度6.8×10-3Pa；
步骤8：待涂层沉积完成，关闭弧电流和偏压电源，紧接着关闭氩气阀；然后使零部件在4.6×10-3Pa真空度条件下，冷却至90℃，最后取出零部件，完成镀层。
本实施例制备的涂层，一次连续涂覆成型，观察调节片链涂层致密均匀，不存在重复沉积现象。
实施例3
本实施例对航空发动机的密封片链进行涂层制备，密封片链的尺寸为：490mm×100mm×δ2mm。
一种航空发动机零部件涂层的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将3列纵向靶材安装于涂层设备中；
步骤2：将零部件表面进行湿吹砂处理，湿吹砂设置参数为：白刚玉砂粒度为250目，白刚玉砂含量为35％，风压0.35MPa，水压2.2kg/cm3，吹砂距离为350mm；
步骤3：将零部件浸入丙酮中超声清洗，进行表面去油处理，然后烘干；
步骤4：将烘干后的零部件装于涂层设备的真空室的样品架上，零部件位置正对纵向靶材；然后将真空室抽真空；
步骤5：当真空室的真空度至9×10-3Pa时，同时开启涂层设备的主加热器和副加热器，使零部件升温至230℃；
步骤6：开启涂层设备的偏压电源，调节偏压至-800V，并向真空室内通入氩气；在-800V偏压下，离子轰击清洗零部件8min，除去零部件表面的氧化物和污染物，然后关闭氩气阀；
步骤7：开启3列纵向靶材的弧电流，并调节弧电流至80A，调节偏压至-200V，占空比为20％；同时控制样品架带动零部件进行公转和自转，3列纵向靶材同时蒸发粒子，蒸发粒子运动并沉积覆盖到零部件表面，进行涂层沉积，涂层沉积时间70min，涂层沉积时，真空室背底真空度6×10-3Pa；
步骤8：待涂层沉积完成，关闭弧电流和偏压电源，紧接着关闭氩气阀；然后使零部件在4.5×10-3Pa真空度条件下，冷却至70℃，最后取出零部件，完成镀层。
本实施例制备的涂层，一次连续涂覆成型，观察密封片链涂层致密均匀，不存在重复沉积现象。

Claims (5)

1.一种航空发动机零部件涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将N列纵向靶材安装于涂层设备中，2≤N≤8；
步骤2：将零部件表面进行湿吹砂处理；
步骤3：将零部件浸入有机溶剂中超声清洗，进行表面去油处理，然后烘干；
步骤4：将烘干后的零部件装于涂层设备的真空室的样品架上，零部件位置正对纵向靶材；然后将真空室抽真空；
步骤5：当真空室的真空度至9×10-3Pa时，同时开启涂层设备的主加热器和副加热器，使零部件升温至200~230℃；
步骤6：开启涂层设备的偏压电源，调节偏压至-800±10V，并向真空室内通入氩气；在-800±10V偏压下，离子轰击清洗零部件5~8min，除去零部件表面的氧化物和污染物，然后关闭氩气阀；
步骤7：开启N列纵向靶材的弧电流，并调节弧电流至80±5A，调节偏压至-200±10V，占空比为20±3%；同时控制样品架带动零部件进行公转和自转，N列纵向靶材同时蒸发粒子，蒸发粒子运动并沉积覆盖到零部件表面，进行涂层沉积，涂层沉积时间50~70min，涂层沉积时，真空室背底真空度≤7×10-3Pa；
步骤8：待涂层沉积完成，关闭弧电流和偏压电源，紧接着关闭氩气阀；然后使零部件在≤5×10-3Pa真空度条件下，冷却至100℃以下，最后取出零部件，完成镀层。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机零部件涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述有机溶剂为丙酮或石油醚。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机零部件涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述零部件为航空发动机的锥体，锥体尺寸为Φ（400~450）mm×（500~550）mm×δ（0.5~0.8）mm。
4.根据权利要求1所述的一种航空发动机零部件涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述零部件为航空发动机的调节片链，调节片链尺寸为（400~480）mm×（100~170）mm×δ（0.5~2）mm。
5.根据权利要求1所述的一种航空发动机零部件涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述零部件为航空发动机的密封片链，密封片链尺寸为（400~490）mm×（50~100）mm×δ（0.5~2）mm。
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