本發(fā)明屬于表面處理，具體涉及一種抗中溫沖蝕防護(hù)涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、飛機(jī)在起降、低空飛行，或在沙漠等惡劣環(huán)境中服役，砂粒、灰塵等空氣中的固體顆粒在高速氣流作用下對葉片表面產(chǎn)生高速沖擊和摩擦，造成葉片沖蝕損傷及損耗，影響發(fā)動機(jī)性能，降低壽命，甚至導(dǎo)致飛機(jī)失事。例如，美軍發(fā)布的一份研究報(bào)告中指出“沙漠風(fēng)暴”行動中裝配ch-6e直升機(jī)渦軸發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片的初始設(shè)計(jì)壽命為3000h，在沙漠環(huán)境下使用壽命降低至100h。因此，減緩和避免發(fā)動機(jī)葉片的沖蝕磨損，已成為保障發(fā)動機(jī)正常工作和安全飛行的迫切需求。

2、沖蝕磨損是流體或固體顆粒流體束以一定的速度和角度對材料表面沖擊造成的磨損，因此，材料表面是控制沖蝕動力學(xué)的關(guān)鍵。表面涂層技術(shù)，可在不損傷基體材料力學(xué)性能，有效降低沖蝕磨損對葉片的損害，提高發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性、延長使用壽命。沖蝕損傷模式包括磨損、沖擊、疲勞及其綜合作用，影響涂層沖蝕性能的主要因素取決于涂層的硬度和韌性，實(shí)際工況中同時存在溫度，因此提高涂層中溫抗沖蝕性能是關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種抗中溫沖蝕防護(hù)涂層及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明設(shè)計(jì)不同界面取向的之字結(jié)構(gòu)涂層，一方面可以協(xié)調(diào)變形，改變裂紋擴(kuò)展方向，另一方面連續(xù)不斷的生長可以提高層間結(jié)合力，同時降低涂層的內(nèi)應(yīng)力。

2、本發(fā)明提供一種抗中溫沖蝕防護(hù)涂層，包括基體以及依次設(shè)置在所述基體上的氬離子刻蝕注入層、結(jié)合協(xié)調(diào)金屬ti層、結(jié)合強(qiáng)化tin層、第一垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層、之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層和第二垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層，所述me為ti或cr。

3、沖蝕損傷模式包括磨損、沖擊、疲勞及其綜合作用，影響涂層沖蝕性能的主要因素取決于涂層的硬度和韌性。研究表明，低沖擊角度(<30°)下，硬度是影響涂層抗沖蝕性能的重要因素；高沖擊角度(>60°)下，涂層硬度越高，越容易發(fā)生沖蝕損耗，因此提高涂層全角度抗沖蝕性能關(guān)鍵在于高硬度和強(qiáng)韌性的匹配設(shè)計(jì)。本發(fā)明設(shè)計(jì)不同界面取向的之字結(jié)構(gòu)涂層，一方面可以協(xié)調(diào)變形，改變裂紋擴(kuò)展方向，另一方面連續(xù)不斷的生長可以提高層間結(jié)合力，同時降低涂層的內(nèi)應(yīng)力。

4、在一些實(shí)施方式中，所述第一垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層、之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層和第二垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層中，按照100％計(jì)，原子百分含量如下：n：40～50％，al：20～25％，me：30～50％，si：6～10％。

5、在一些實(shí)施方式中，所述第一垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層、之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層和第二垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層均具有面心立方體fcc結(jié)構(gòu)、具有(200)擇優(yōu)取向，且晶粒尺寸的平均值為30-74μm。

6、在一些實(shí)施方式中，所述抗中溫沖蝕防護(hù)涂層的厚度為3-10μm，其中之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層的厚度為500-800nm。

7、本發(fā)明的第二個目的在于提供一種抗中溫沖蝕防護(hù)涂層的制備方法，所述制備方法具體包括如下步驟：

8、s1、將基體放置于真空腔體中，抽真空至本底真空小于2.0×10-5torr，腔體溫度為150～450℃；

9、s2、使用離子束對基體進(jìn)行刻蝕處理得到氬離子刻蝕注入層；

10、s3、使用磁控濺射技術(shù)，在步驟s2的氬離子刻蝕注入層的表面依次沉積結(jié)合協(xié)調(diào)金屬ti層和結(jié)合強(qiáng)化tin層；

11、s4、使用磁控濺射技術(shù)，在步驟s3的結(jié)合強(qiáng)化tin層的表面依次沉積第一垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層、之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層和第二垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層。

12、在一些實(shí)施方式中，所述步驟s1中，所述基體選自不銹鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、鈦合金中的一種。

13、在一些實(shí)施方式中，所述步驟s2中，刻蝕處理的參數(shù)如下：刻蝕時間為20min，氬氣流量為35sccm，離子束電流為0.2a，離子束功率為120w。

14、在一些實(shí)施方式中，所述步驟s3中，沉積結(jié)合協(xié)調(diào)金屬ti層的參數(shù)如下：采用高純ti靶，腔體里通入流量為30sccm的ar氣，磁控濺射ti靶電流為3a，基體負(fù)偏壓為300v，沉積時間為10min；

15、沉積結(jié)合強(qiáng)化tin層的參數(shù)如下：采用高純ti靶，腔體里通入流量為30sccm的ar氣，流量為20sccm的氮?dú)?，磁控濺射ti靶電流為3a，基體負(fù)偏壓為300v，沉積時間為10min。

16、在一些實(shí)施方式中，所述步驟s4中，沉積第一垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層和第二垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層的參數(shù)如下：采用高純tialsi靶，氬氣流量和氮?dú)饬髁烤鶠?0sccm，腔體氣壓為0.5-5pa，設(shè)置直流磁控濺射靶電流為2-6a，基體偏壓為-200至-500v，靶材與基體夾角為0°，沉積時間為30min。

17、在一些實(shí)施方式中，所述步驟s4中，沉積之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層的參數(shù)如下：采用高純tialsi靶，氬氣流量和氮?dú)饬髁烤鶠?0sccm，腔體氣壓為0.5-5pa，設(shè)置直流磁控濺射靶電流為2-6a，基體偏壓為-200至-500v。

18、在一些實(shí)施方式中，沉積之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層的步驟如下：保持參數(shù)，先旋轉(zhuǎn)靶材與基體夾角為60-75°，沉積30-90min；然后旋轉(zhuǎn)靶材與基體夾角為150-165°，沉積30-90min；最后旋轉(zhuǎn)靶材與基體夾角為60-75°，沉積30-90min。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過調(diào)控沉積的工藝參數(shù)，如電流，基體偏壓、腔體氣壓、等離子體角度等，能夠改變涂層柱狀結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控涂層的強(qiáng)韌性。

20、綜上，采用本發(fā)明技術(shù)方案制得的抗中溫沖蝕防護(hù)涂層在固體氯化鈉水蒸氣650°氧化50小時具有良好強(qiáng)韌抗中溫沖蝕防護(hù)性能。

技術(shù)特征：

1.一種抗中溫沖蝕防護(hù)涂層，其特征在于，包括基體以及依次設(shè)置在所述基體上的氬離子刻蝕注入層、結(jié)合協(xié)調(diào)金屬ti層、結(jié)合強(qiáng)化tin層、第一垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層、之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層和第二垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層，所述me為ti或cr。

2.如權(quán)利要求1所述的抗中溫沖蝕防護(hù)涂層，其特征在于，所述第一垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層、之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層和第二垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層中，按照100％計(jì)，原子百分含量如下：n：40～50％，al：20～25％，me：30～50％，si：6～10％。

3.如權(quán)利要求1所述的抗中溫沖蝕防護(hù)涂層，其特征在于，所述第一垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層、之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層和第二垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層均具有面心立方體fcc結(jié)構(gòu)、具有(200)擇優(yōu)取向，且晶粒尺寸的平均值為30-74μm。

4.如權(quán)利要求1所述的抗中溫沖蝕防護(hù)涂層，其特征在于，所述抗中溫沖蝕防護(hù)涂層的厚度為3-10μm，其中之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層的厚度為500-800nm。

5.一種如權(quán)利要求1-4任一所述的抗中溫沖蝕防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于，所述制備方法具體包括如下步驟：

6.如權(quán)利要求5所述的抗中溫沖蝕防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟s1中，所述基體選自不銹鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、鈦合金中的一種。

7.如權(quán)利要求5所述的抗中溫沖蝕防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟s2中，刻蝕處理的參數(shù)如下：刻蝕時間為20min，氬氣流量為35sccm，離子束電流為0.2a，離子束功率為120w。

8.如權(quán)利要求5所述的抗中溫沖蝕防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟s3中，沉積結(jié)合協(xié)調(diào)金屬ti層的參數(shù)如下：采用高純ti靶，腔體里通入流量為30sccm的ar氣，磁控濺射ti靶電流為3a，基體負(fù)偏壓為300v，沉積時間為10min；

9.如權(quán)利要求5所述的抗中溫沖蝕防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟s4中，沉積第一垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層和第二垂直柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層的參數(shù)如下：采用高純tialsi靶，氬氣流量和氮?dú)饬髁烤鶠?0sccm，腔體氣壓為0.5-5pa，設(shè)置直流磁控濺射靶電流為2-6a，基體偏壓為-200至-500v，靶材與基體夾角為0°，沉積時間為30min。

10.如權(quán)利要求5所述的抗中溫沖蝕防護(hù)涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟s4中，沉積之字形柱狀結(jié)構(gòu)mealsin層的參數(shù)如下：采用高純tialsi靶，氬氣流量和氮?dú)饬髁烤鶠?0sccm，腔體氣壓為0.5-5pa，設(shè)置直流磁控濺射靶電流為2-6a，基體偏壓為-200至-500v；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種抗中溫沖蝕防護(hù)涂層及其制備方法，屬于表面處理技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明提供的一種抗中溫沖蝕防護(hù)涂層，包括基體以及依次設(shè)置在所述基體上的氬離子刻蝕注入層、結(jié)合協(xié)調(diào)金屬Ti層、結(jié)合強(qiáng)化TiN層、第一垂直柱狀結(jié)構(gòu)MeAlSiN層、之字形柱狀結(jié)構(gòu)MeAlSiN層和第二垂直柱狀結(jié)構(gòu)MeAlSiN層，所述Me為Ti或Cr。本發(fā)明設(shè)計(jì)不同界面取向的之字結(jié)構(gòu)涂層，一方面可以協(xié)調(diào)變形，改變裂紋擴(kuò)展方向，另一方面連續(xù)不斷的生長可以提高層間結(jié)合力，同時降低涂層的內(nèi)應(yīng)力。

技術(shù)研發(fā)人員：王麗,汪愛英,王振玉,陳仁德,馬冠水,顏景軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30