本發(fā)明涉及航空渦噴發(fā)動機制造技術領域，具體涉及一種用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜及其制備方法。

背景技術：

航空渦輪噴氣發(fā)動機簡稱渦噴發(fā)動機，是現(xiàn)代航空發(fā)動機重要的組成部分，壓氣機作為渦噴發(fā)動機的增壓部分，為發(fā)動機燃燒室提供充足的氧氣。航空飛行器執(zhí)行任務過程中，經常會遭遇較為惡劣的氣象情況，尤其是沙塵天氣、濕鹽天氣等環(huán)境下頻繁起降飛行，會大幅降低發(fā)動機壽命，而沙塵、鹽霧液滴對渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的沖蝕是影響其壽命的重要原因，不同大小沙塵顆粒，不同溫度、不同濕度對葉片的沖蝕損傷也有區(qū)別。通過在葉片表面沉積鍍制一層或多層數(shù)微米厚的高硬度耐摩擦防沖蝕膜，是提高葉片壽命的一種重要方法，但常規(guī)的高硬度膜對沖蝕的防護作用有一定局限性，僅用于特定環(huán)境下使用，如沙塵顆粒大小、組成、角度限定。

一般用于壓氣機葉片的高硬度耐摩擦膜在耐沖蝕性能方面有一定缺陷，考慮到航空飛行器飛行狀態(tài)、飛行環(huán)境實用性，有必要全面考慮各種工作環(huán)境、氣象情況，有效提高航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片防沖蝕能力，同時，具備優(yōu)秀的耐摩擦、耐腐蝕能力。目前，缺乏一種具備優(yōu)秀防沖蝕能力的航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片梯度膜及其制備方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題，提供一種具備優(yōu)秀防沖蝕能力的用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜及其制備方法。

為達到上述目的，本發(fā)明采用了下列技術方案：本發(fā)明的一種用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜，所述用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜由內向外依次為葉片基底、過渡層、高硬度梯度膜層和潤滑梯度膜層；所述用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜自葉片基底由內向外依次沉積。

進一步地，所述葉片基底為鈦合金。

進一步地，所述過渡層為金屬鈦層或金屬鉻層，所述高硬度梯度膜層由內向外依次為氮化鈦層、氮化鋯鈦層，所述潤滑梯度膜層由內向外依次為氮化鉻鋯鈦層、氮化鉻鋯鋁鈦層。

更進一步地，所述過渡層的金屬鈦或金屬鉻層厚度為15～35nm，提高膜層附著力，所述氮化鈦層的厚度為1～1.5μm，所述氮化鋯鈦層的厚度1.5～2.0μm；所述氮化鉻鋯鈦層的厚度為1.5～2.0μm，所述氮化鉻鋯鋁鈦層的厚度為1～1.5μm。

進一步地，所述氮化鈦層由內向外氮含量逐漸增加。

進一步地，所述氮化鋯鈦層由內向外氮含量和鈦含量逐漸減少，鋯含量逐漸增加。

更進一步地，所述氮化鉻鋯鈦層由內向外氮含量、鉻含量、鈦含量逐漸增加，鋯含量逐漸減少。

進一步地，所述氮化鉻鋯鋁鈦層由內向外氮含量、鉻含量、鈦含量逐漸減少，鋯含量、鋁含量逐漸增加。

本發(fā)明所述的用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜的制備方法，包括如下步驟：

(1)采用多弧離子鍍方法，鍍膜設備處于潔凈空間內，潔凈度十萬級以內，冷卻水溫度在15～24℃，濕度小于55％；打開鍍膜設備，抽真空至滿足本底真空要求：鍍膜室真空度<5×10^-3Pa，對葉片基底加熱至180～220℃；同時，對壓氣機葉片基底表面超聲波清洗處理，依次采用去離子水、丙酮、酒精、去離子水清洗壓氣機葉片基底，清洗時間10～30min；

(2)葉片基底固定于鍍膜機內部星輪式基片架上，通入氬氣至真空度在1～2×10^-1Pa之間，進行氬離子清洗，偏壓電源-300～-450V，時間8～15min；沉積過渡層：抽真空至1×10^-2Pa以下，充入氬氣，維持真空度1～5×10^-1Pa，開啟金屬鈦靶或鉻靶電源，負偏壓-30V～-60V，鍍膜時間5～10min；

(3)沉積氮化鈦層：充入氮氣，逐步提高流量，降低氬氣流量，同時開啟金屬鈦靶或金屬鉻電源，偏壓-40V～-260V，偏壓電源逐漸增大，鍍膜時間18～22min；沉積氮化鋯鈦層：氮氣流量逐步減小，氬氣流量逐步增大，金屬鈦靶電源偏壓逐漸減小，同時開啟金屬鋯靶偏壓電源，偏壓在-40V～-260V，偏壓逐漸增大，鍍膜時間25～35min；

(4)沉積氮化鉻鋯鈦層：氮氣流量逐漸增加，氬氣流量逐漸減小，開啟金屬鉻靶電源，金屬鈦、鉻靶電源偏壓逐漸增大，金屬鋯靶電源偏壓逐漸減小，偏壓在-40V～-260V，鍍膜時間25～35min；沉積氮化鉻鋯鋁鈦層：氮氣流量逐漸減小，氬氣流量逐漸增加，開啟金屬鋁靶電源，金屬鈦、鉻靶電源偏壓逐漸減小，金屬鋯、鋁靶電源偏壓逐漸增大，偏壓電源在-40V～-260V，鍍膜時間18～22min；鍍膜過程結束，制得用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜。

進一步地，在步驟(2)至(4)中，鍍膜過程中，維持真空度基本不變，保持氮氣偏壓>1×10^-1Pa；葉片溫度維持在180～220℃之間；電源電流在20～60A，星輪式基片架公轉速度3～15r/min；在步驟(4)中，在鍍膜過程中，維持真空度基本不變，真空度為1.5～3×10^-1Pa；鍍膜結束后，充氬氣保壓至葉片基底溫度降至室溫再出片，制得用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜。

有益效果：本發(fā)明具備優(yōu)秀防沖蝕耐摩擦能力，具有高的表面硬度，表面硬度大于3000HV。具備優(yōu)秀的耐摩擦性能和高硬度性能，可明顯提高在風沙、沙塵特殊氣候下的渦噴發(fā)動機使用壽命，提高使用壽命3倍以上，合理調整各層材料元素比例、工藝參數(shù)、厚度等，可自主調整膜層的整體性能。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明膜系采用金屬和金屬氮化物組成，金屬層用于過渡并提高膜層結合力，金屬氮化物具備較高的硬度、耐摩擦和耐腐蝕性能。

(2)本發(fā)明為了進一步提高防沖蝕性能，各層之間無明顯界限，采用梯度變化特點，各層膜層元素之間金屬含量、膜層結構梯度變化，且氮氣含量也呈梯度變化，進一步提高膜層防沖蝕、耐摩擦性能。

(3)膜層最外層為氮化鉻鋯鋁鈦膜，可在提高整體膜層的防沖蝕性能、耐摩擦性能的同時，具備低的摩擦系數(shù)，膜層摩擦系數(shù)小于0.4，進一步提高膜層防沖蝕能力，并具備優(yōu)秀的耐腐蝕性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的示意圖；

其中，0葉片基底，1過渡層，21氮化鈦層，22氮化鋯鈦層，31氮化鉻鋯鈦層，32氮化鉻鋯鋁鈦層。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，以下將結合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步地詳細描述。

實施例1

本發(fā)明的一種用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜，所述用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜由內向外依次為葉片基底0、過渡層1、高硬度梯度膜層和潤滑梯度膜層；所述用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜自葉片基底0由內向外依次沉積。

所述葉片基底0為鈦合金。

所述過渡層1為金屬鈦層或金屬鉻層，所述高硬度梯度膜層由內向外依次為氮化鈦層21、氮化鋯鈦層22，所述潤滑梯度膜層由內向外依次為氮化鉻鋯鈦層31、氮化鉻鋯鋁鈦層32。

所述過渡層的金屬鈦或金屬鉻層厚度為15nm，提高膜層附著力，所述氮化鈦層21的厚度為1.5μm，所述氮化鋯鈦層22的厚度2.0μm；所述氮化鉻鋯鈦層31的厚度為1.8μm，所述氮化鉻鋯鋁鈦層32的厚度為1μm。

所述氮化鈦層21由內向外氮含量逐漸增加。

所述氮化鋯鈦層22由內向外氮含量和鈦含量逐漸減少，鋯含量逐漸增加。

所述氮化鉻鋯鈦層31由內向外氮含量、鉻含量、鈦含量逐漸增加，鋯含量逐漸減少。

所述氮化鉻鋯鋁鈦層32由內向外氮含量、鉻含量、鈦含量逐漸減少，鋯含量、鋁含量逐漸增加。

本發(fā)明所述的用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜的制備方法，包括如下步驟：

(1)采用多弧離子鍍方法，鍍膜設備處于潔凈空間內，潔凈度十萬級以內，冷卻水溫度在15℃，濕度小于55％；打開鍍膜設備，抽真空至滿足本底真空要求：鍍膜室真空度<5×10^-3Pa，對葉片基底加熱至180℃；同時，對壓氣機葉片基底表面超聲波清洗處理，依次采用去離子水、丙酮、酒精、去離子水清洗壓氣機葉片基底，清洗時間20min。

(2)葉片基底固定于鍍膜機內部星輪式基片架上，通入氬氣至真空度在1×10^-1Pa之間，進行氬離子清洗，偏壓電源-300V，時間8min；沉積過渡層1：抽真空至1×10^-2Pa以下，充入氬氣，維持真空度1×10^-1Pa，開啟金屬鈦靶或鉻靶電源，負偏壓-30V，鍍膜時間10min；

(3)沉積氮化鈦層21：充入氮氣，逐步提高流量，降低氬氣流量，同時開啟金屬鈦靶或金屬鉻電源，偏壓-40V，偏壓電源逐漸增大，鍍膜時間18min；沉積氮化鋯鈦層22：氮氣流量逐步減小，氬氣流量逐步增大，金屬鈦靶電源偏壓逐漸減小，同時開啟金屬鋯靶偏壓電源，偏壓在-100V，偏壓逐漸增大，鍍膜時間25min；

(4)沉積氮化鉻鋯鈦層31：氮氣流量逐漸增加，氬氣流量逐漸減小，開啟金屬鉻靶電源，金屬鈦、鉻靶電源偏壓逐漸增大，金屬鋯靶電源偏壓逐漸減小，偏壓在-40V，鍍膜時間35min；沉積氮化鉻鋯鋁鈦層32：氮氣流量逐漸減小，氬氣流量逐漸增加，開啟金屬鋁靶電源，金屬鈦、鉻靶電源偏壓逐漸減小，金屬鋯、鋁靶電源偏壓逐漸增大，偏壓電源在-40V，鍍膜時間22min，鍍膜過程結束；鍍膜結束后，充氬氣保壓至葉片基底溫度降至室溫再出片，制得用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜。

在步驟(2)至步驟(4)中，鍍膜過程中，維持真空度基本不變，保持氮氣偏壓>1×10^-1Pa，真空度為1.5×10^-1Pa。葉片溫度維持在190℃；電源電流在20A，星輪式基片架公轉速度3r/min。

實施例2

實施例2與實施例1的區(qū)別在于：

本發(fā)明的一種用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜，所述過渡層的金屬鈦或金屬鉻層厚度為35nm，提高膜層附著力，所述氮化鈦層21的厚度為1μm，所述氮化鋯鈦層22的厚度1.5μm；所述氮化鉻鋯鈦層31的厚度為1.5μm，所述氮化鉻鋯鋁鈦層32的厚度為1.5μm。

本發(fā)明所述的用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜的制備方法，包括如下步驟：

(1)采用多弧離子鍍方法，鍍膜設備處于潔凈空間內，潔凈度十萬級以內，冷卻水溫度在24℃，濕度小于55％；打開鍍膜設備，抽真空至滿足本底真空要求：鍍膜室真空度<5×10^-3Pa，對葉片基底加熱至220℃；同時，對壓氣機葉片基底表面超聲波清洗處理，依次采用去離子水、丙酮、酒精、去離子水清洗壓氣機葉片基底，清洗時間10min。

(2)葉片基底固定于鍍膜機內部星輪式基片架上，通入氬氣至真空度在1～2×10^-1Pa之間，進行氬離子清洗，偏壓電源-350V，時間12min；沉積過渡層1：抽真空至1×10^-2Pa以下，充入氬氣，維持真空度1～5×10^-1Pa，開啟金屬鈦靶或鉻靶電源，負偏壓-50V，鍍膜時間5min；

(3)沉積氮化鈦層21：充入氮氣，逐步提高流量，降低氬氣流量，同時開啟金屬鈦靶或金屬鉻電源，偏壓-160V，偏壓電源逐漸增大，鍍膜時間20min；沉積氮化鋯鈦層22：氮氣流量逐步減小，氬氣流量逐步增大，金屬鈦靶電源偏壓逐漸減小，同時開啟金屬鋯靶偏壓電源，偏壓在-40V，偏壓逐漸增大，鍍膜時間30min；

(4)沉積氮化鉻鋯鈦層31：氮氣流量逐漸增加，氬氣流量逐漸減小，開啟金屬鉻靶電源，金屬鈦、鉻靶電源偏壓逐漸增大，金屬鋯靶電源偏壓逐漸減小，偏壓在-200V，鍍膜時間25min；沉積氮化鉻鋯鋁鈦層32：氮氣流量逐漸減小，氬氣流量逐漸增加，開啟金屬鋁靶電源，金屬鈦、鉻靶電源偏壓逐漸減小，金屬鋯、鋁靶電源偏壓逐漸增大，偏壓電源在-160V，鍍膜時間18min，鍍膜過程結束；鍍膜結束后，充氬氣保壓至葉片基底溫度降至室溫再出片，制得用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜。

在步驟(2)至步驟(4)中，鍍膜過程中，維持真空度基本不變，保持氮氣偏壓>1×10^-1Pa，真空度為3×10^-1Pa。葉片溫度維持在180℃；電源電流在40A，星輪式基片架公轉速度12r/min。

實施例3

實施例3與實施例1的區(qū)別在于：

本發(fā)明的一種用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜，所述用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜包括葉片基底0和防沖蝕膜層，所述防沖蝕膜層由內向外依次為過渡層1、高硬度梯度膜層和潤滑梯度膜層；所述用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜自葉片基底由內向外依次沉積。

所述過渡層的金屬鈦或金屬鉻層厚度為25nm，提高膜層附著力，所述氮化鈦層21的厚度為1.2μm，所述氮化鋯鈦層22的厚度1.8μm；所述氮化鉻鋯鈦層31的厚度為2.0μm，所述氮化鉻鋯鋁鈦層32的厚度為1.2μm。

本發(fā)明所述的用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜的制備方法，包括如下步驟：

(1)采用多弧離子鍍方法，鍍膜設備處于潔凈空間內，潔凈度十萬級以內，冷卻水溫度在20℃，濕度小于55％；打開鍍膜設備，抽真空至滿足本底真空要求：鍍膜室真空度<5×10^-3Pa，對葉片基底加熱至200℃；同時，對壓氣機葉片基底表面超聲波清洗處理，依次采用去離子水、丙酮、酒精、去離子水清洗壓氣機葉片基底，清洗時間30min。

(2)葉片基底固定于鍍膜機內部星輪式基片架上，通入氬氣至真空度在1～2×10^-1Pa之間，進行氬離子清洗，偏壓電源-450V，時間15min；沉積過渡層1：抽真空至1×10^-2Pa以下，充入氬氣，維持真空度5×10^-1Pa，開啟金屬鈦靶或鉻靶電源，負偏壓-60V，鍍膜時間8min；

(3)沉積氮化鈦層21：充入氮氣，逐步提高流量，降低氬氣流量，同時開啟金屬鈦靶或金屬鉻電源，偏壓-260V，偏壓電源逐漸增大，鍍膜時間22min；沉積氮化鋯鈦層22：氮氣流量逐步減小，氬氣流量逐步增大，金屬鈦靶電源偏壓逐漸減小，同時開啟金屬鋯靶偏壓電源，偏壓在-260V，偏壓逐漸增大，鍍膜時間35min；

(4)沉積氮化鉻鋯鈦層31：氮氣流量逐漸增加，氬氣流量逐漸減小，開啟金屬鉻靶電源，金屬鈦、鉻靶電源偏壓逐漸增大，金屬鋯靶電源偏壓逐漸減小，偏壓在-260V，鍍膜時間30min；沉積氮化鉻鋯鋁鈦層32：氮氣流量逐漸減小，氬氣流量逐漸增加，開啟金屬鋁靶電源，金屬鈦、鉻靶電源偏壓逐漸減小，金屬鋯、鋁靶電源偏壓逐漸增大，偏壓電源在-260V，鍍膜時間20min，鍍膜過程結束；鍍膜結束后，充氬氣保壓至葉片基底溫度降至室溫再出片，制得用于航空渦噴發(fā)動機壓氣機葉片的防沖蝕梯度膜。

在步驟(2)至步驟(4)中，鍍膜過程中，維持真空度基本不變，保持氮氣偏壓>1×10^-1Pa，真空度為2×10^-1Pa。葉片溫度維持在220℃；電源電流在60A，星輪式基片架公轉速度15r/min。

盡管本文較多地使用了葉片基底0，過渡層1，氮化鈦層21，氮化鋯鈦層22，氮化鉻鋯鈦層31，氮化鉻鋯鋁鈦層32等等術語，但并不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。