專利名稱：一種葉片表面抗點蝕涂層及其制備方法
技術領域：
本發明涉及涂層材料技術領域，具體為一種葉片表面抗點蝕涂層及其制備方法。
背景技術：
渦輪葉片是燃氣渦輪發動機的關鍵部件，是把熱能轉換為機械能的最直接的部件。在發動機工作過程中，渦輪葉片的工作環境非常惡劣，不但要承受高溫、高壓、高速氣流的沖擊和巨大的離心載荷及振動載荷的復合作用，并且受到高溫燃氣的腐蝕。尤其是抗點蝕性能會迅速下降，使渦輪葉片的壽命大大降低，因此努力提高先進汽輪機葉片的抗點蝕性能至關重要。離子鍍TiN涂層由于具有較高的硬度，較好的耐磨性等，成為硬質合金最常用的涂層材料，主要用作刀具、模具表面的硬質涂層以提高刀具、模具的使用壽命。如《硬質合金》2006年23卷第1期公開的“TiN涂層的微觀組織結構及力學性能分析”，該文獻采用磁控濺射法在硬質合金基體上沉積TiN涂層，結果表明所得到的涂層硬度高達1800HV。又如 《航空工藝技術》1995年第1期公開的“TiN涂層的組織結構及性能研究”，該文獻中采用離子鍍技術獲得TiN涂層，結果表明TiN涂層能夠提高基體材料的硬度和耐磨性，但由于TiN 涂層表面存在較多的針孔、空洞等缺陷，使TiN涂層耐腐蝕性能較差。碳氮化鈦(TiCN)涂層是在二元TiN涂層的基礎上發展起來的一種新型三元復合涂層，是TiN和TiC的固溶體， 具有兩者的特點和優點。C的加入使離子鍍TiCN涂層具有耐點蝕，耐高溫，耐沖刷，與基體結合好以及摩擦系數低的良好力學性能，廣泛用于切削刀具，鉆頭和模具等，尤其是先進汽輪機葉片涂層的應用。TiCN比TiN有良好的抗粘著磨損和抗磨粒磨損性能，比TiN有低的摩擦系數，TiCN可提高進到速率和切削速度及切削力，從而提高切削刀具的生產效率和使用壽命；TiN與TiCN復合，以TiN作內層形成復合層，可比同樣厚度的TiN或者TiCN更有效提高其耐磨性，但TiCN的熱穩定性跟抗氧化性不如TiN和TiC。單層的TiCN涂層由于涂層與基體材料的熱物理性能和力學性能的不同，在涂層制備冷卻過程中造成涂層內應力過大，涂層與基體的結合強度差。作為先進汽輪機葉片表面的防護涂層，需要解決針孔、空洞以及涂層表面大液滴問題，以提高涂層抗點蝕性能。

發明內容
要解決的技術問題為解決現有技術存在的問題，本發明提出了一種葉片表面抗點蝕涂層及其制備方法，使該涂層具有較低的摩擦系數，較高的硬度，較好的耐磨性，良好的涂層和基體結合力， 優越的抗點蝕能力，從而對先進汽輪機葉片抗點蝕性能起到顯著的效果。技術方案本發明的技術方案為所述的一種葉片表面抗點蝕涂層，其特征在于所述涂層由里向外依次由粘結層、 阻擋層和表面層組成；其中以純金屬Ti作為粘結層，由里向外依次以TiN和TiC作為阻擋層，以TiCN作為表面層。所述的一種葉片表面抗點蝕涂層，其特征在于粘結層厚度為0. 5微米 0. 8微米，TiN阻擋層厚度為1微米 1. 5微米，TiC阻擋層厚度為1. 5微米 2微米，表面層厚度為5微米 6微米。所述制備葉片表面抗點蝕涂層的方法，其特征在于包括以下步驟步驟1 將葉片基體置于盛有丙酮溶液的超聲清洗機中進行超聲清洗，其中丙酮溶液濃度至少為99. 9%，清洗時間至少為20min ；將清洗后的葉片基體浸入無水乙醇溶液中脫水處理后干燥；步驟2 將經步驟1處理后的葉片基體固定在電弧離子鍍膜機爐體的工件桿上；對爐體進行粗抽真空，而后開啟加熱器，使爐體溫度升至250°C 450°C，加熱過程中同步對爐體進行細抽真空，使爐體真空度至少為6. 7 X KT3Pa ；步驟3 保持爐體溫度不變，向爐體通入純度至少為99. 9%的氬氣，并且開啟電弧離子鍍膜機的偏壓電源和靶材，對葉片基體表面進行清洗，在清洗過程中偏壓電源的脈沖偏壓幅值由700V按照均勻間隔升高至1000V，占空比為60% 70%，靶材為Ti靶，靶材電流為60A 120A，本步驟的清洗時間為IOmin 20min，工件桿轉架轉速為3轉/min 8 轉/min ；本步驟的清洗過程中保持爐體真空度為8 X KT1Pa IOX KT1Pa ；步驟4 保持爐體溫度不變，調節Ti靶電流為60A 120A，偏壓電源的脈沖偏壓幅值為200V 400V，占空比為60% 70% ；調節氬氣流量使爐體內真空度為3 X KT1Pa 5 X KT1Pa,在葉片基體表面沉積純金屬Ti粘結層，沉積時間為20min 30min ；步驟5:保持爐體溫度不變，保持步驟4中氬氣流量、Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，向爐體中通入純度至少為99. 9%的N2氣，使爐體內真空度降低2 X IO^1Pa 3 X KT1Pa,在粘結層上沉積TiN阻擋層，沉積時間為25min 35min ；步驟6 保持爐體溫度不變，保持步驟5中Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，關閉氬氣和N2氣輸入，對爐體抽真空，使爐體真空度至少為6. 7 X 10_3Pa，而后向爐體內通入純度至少為99. 9%的氬氣，使爐體真空度為3X KT1Pa 5X KT1Pa,再向爐體內通入純度至少為99. 9%的CH4，使爐體真空度降低2 X KT1Pa 3 X KT1Pa,在TiN阻擋層上沉積 TiC阻擋層，沉積時間為25min 45min ；步驟7 保持爐體溫度不變，保持步驟6中Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，保持氬氣和CH4流量不變，向爐體中通入純度至少為99. 9%的N2氣，使爐體真空度降低2 X KT1Pa 3 X KT1Pa,在TiC阻擋層上沉積表面層，沉積時間為30min 70min ；步驟8 依次關閉靶電源，加熱器、偏壓電源，關閉CH4和N2氣，將爐體冷卻至100 V 后，關閉氬氣，葉片基體隨爐冷卻至室溫后出爐。有益效果本發明提出的多層抗點蝕涂層結構，具有較低的摩擦系數，較高的硬度，較好的耐磨性，良好的涂層和基體結合力，優越的抗點蝕能力。在制備過程中，要求沉積過程前，爐體真空度至少為6. 7 X 10_3Pa，確保爐體不含其它雜質氣體，爐體溫度為250°C 450°C，以減少沉積過程中對葉片基體材料組織的顯著影響；采用特定的弧電流減少了在沉積過程中涂層表面的大顆粒，液滴以及空洞，使涂層表面光滑致密，均勻，抗腐蝕性能提高。
具體實施例方式下面結合具體實施例描述本發明實施例1 本實施例為在X12CrMoWVNbN10-l-l耐熱鋼葉片表面沉積抗點蝕涂層，具體制備方法如下步驟1 將X12CrMoffVNbN10-l-l耐熱鋼葉片基體置于盛有丙酮溶液的超聲清洗機中進行超聲清洗，其中丙酮溶液濃度為99. 99%，清洗時間為20min ；將清洗后的葉片基體浸入無水乙醇溶液中脫水處理后干燥；步驟2 將經步驟1處理后的X12CrMoWVNbN10-l_l耐熱鋼葉片基體固定在電弧離子鍍膜機爐體的圓柱形工件桿上；對爐體進行粗抽真空，而后開啟加熱器，使爐體溫度升至 350°C，加熱過程中同步對爐體進行細抽真空，使爐體真空度為6. 7X 10 ；步驟3 保持爐體溫度不變，向爐體通入純度為99. 9%的氬氣，并且開啟電弧離子鍍膜機的偏壓電源和靶材，對葉片基體表面進行清洗，在清洗過程中偏壓電源的脈沖偏壓幅值由700V按照均勻時間間隔升高至1000V，占空比為60%，靶材為Ti靶，靶材電流為 60A，本步驟的清洗時間為20min，工件桿轉架轉速為3轉/min ；本步驟的清洗過程中保持爐體真空度為SXlO-1Pa;步驟4 保持爐體溫度不變，調節Ti靶電流為90A，偏壓電源的脈沖偏壓幅值為 350V，占空比為60 % ；調節氬氣流量使爐體內真空度降低至3 X KT1Pa,在葉片基體表面沉積純金屬Ti粘結層，沉積時間為20min ；步驟5 保持爐體溫度不變，保持步驟4中氬氣流量、Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，向爐體中通入純度為99. 9%的N2氣，使爐體內真空度降低2 X KT1Pa,至 5 X KT1Pa,在粘結層上沉積TiN阻擋層，沉積時間為25min ；步驟6 保持爐體溫度不變，保持步驟5中Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，關閉氬氣和N2氣輸入，對爐體抽真空，使爐體真空度升高至6. 7X 10 ,而后向爐體內通入純度為99. 9%的氬氣，使爐體真空度降低為3X10^3，再向爐體內通入純度為 99. 9 %的CH4,使爐體真空度降低3 X KT1Pa,至6 X KT1Pa,在TiN阻擋層上沉積TiC阻擋層， 沉積時間為25min ；步驟7 保持爐體溫度不變，保持步驟6中Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，保持氬氣和CH4流量不變，向爐體中通入純度為99. 9%的N2氣，使爐體真空度降低 2X KT1Pa,至8X KT1Pa,在TiC阻擋層上沉積表面層，沉積時間為50min ； 步驟8 依次關閉靶電源，加熱器、偏壓電源，關閉CH4和N2氣，將爐體冷卻至100 V 后，關閉氬氣，葉片基體隨爐冷卻至室溫后出爐。所得多層抗點蝕涂層呈深黃色，涂層總厚度為8. 3微米，通過顯微觀察，粘結層厚度為0. 6微米，TiN阻擋層厚度為1. 1微米，TiC阻擋層厚度為1. 6微米，表面層厚度為5微米，涂層顯微硬度為MOOHVtl. 耐蝕性良好。實施例2 本實施例為在ICr-O. 5Mo鋼材料葉片表面沉積抗點蝕涂層，具體制備方法如下步驟1 將葉片基體置于盛有丙酮溶液的超聲清洗機中進行超聲清洗，其中丙酮溶液濃度為99. 9%，清洗時間為30min ；將清洗后的葉片基體浸入無水乙醇溶液中脫水處理后干燥；步驟2 將經步驟1處理后的葉片基體固定在電弧離子鍍膜機爐體的圓柱形工件桿上；對爐體進行粗抽真空，而后開啟加熱器，使爐體溫度升至250°C，加熱過程中同步對爐體進行細抽真空，使爐體真空度為5 X KT3Pa ；步驟3 保持爐體溫度不變，向爐體通入純度為99. 99%的氬氣，并且開啟電弧離子鍍膜機的偏壓電源和靶材，對葉片基體表面進行清洗，在清洗過程中偏壓電源的脈沖偏壓幅值由700V按照均勻時間間隔升高至1000V，占空比為65%，靶材為Ti靶，靶材電流為 80A,本步驟的清洗時間為15min，工件桿轉架轉速為5轉/min ；本步驟的清洗過程中保持爐體真空度為9 XlO-1I^a ；步驟4 保持爐體溫度不變，調節Ti靶電流為60A，偏壓電源的脈沖偏壓幅值為 200V，占空比為65%;調節氬氣流量使爐體內真空度降低至AXKT1Pa,在葉片基體表面沉積純金屬Ti粘結層，沉積時間為25min ；步驟5:保持爐體溫度不變，保持步驟4中氬氣流量、Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，向爐體中通入純度為99. 99%的N2氣，使爐體內真空度降低2. 5X KT1Pa,至 6. 5 X KT1Pa,在粘結層上沉積TiN阻擋層，沉積時間為30min ；步驟6 保持爐體溫度不變，保持步驟5中Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，關閉氬氣和N2氣輸入，對爐體抽真空，使爐體真空度升高至5X 10_3Pa，而后向爐體內通入純度為99. 99%的氬氣，使爐體真空度降低為AXKT1Pa,再向爐體內通入純度為 99. 99 %的CH4,使爐體真空度降低2. 5 X KT1Pa,至6. 5 X KT1Pa,在TiN阻擋層上沉積TiC阻擋層，沉積時間為30min;步驟7 保持爐體溫度不變，保持步驟6中Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，保持氬氣和CH4流量不變，向爐體中通入純度為99. 99%的隊氣，使爐體真空度降低 3 X KT1Pa,至9. 5 X KT1Pa,在TiC阻擋層上沉積表面層，沉積時間為30min ；步驟8 依次關閉靶電源，加熱器、偏壓電源，關閉CH4和隊氣，將爐體冷卻至100 V 后，關閉氬氣，葉片基體隨爐冷卻至室溫后出爐。所得多層抗點蝕涂層呈深黃色，涂層總厚度為8微米，通過顯微觀察，粘結層厚度為0. 5微米，TiN阻擋層厚度為1微米，TiC阻擋層厚度為1. 5微米，表面層厚度為5微米， 涂層顯微硬度為ISOOHVci. 耐蝕性良好。實施例3 本實施例為在lCr-lMo-0. 25V鋼材料葉片表面沉積抗點蝕涂層，具體制備方法如下步驟1 將葉片基體置于盛有丙酮溶液的超聲清洗機中進行超聲清洗，其中丙酮溶液濃度為99. 99%，清洗時間為20min ；將清洗后的葉片基體浸入無水乙醇溶液中脫水處理后干燥；步驟2 將經步驟1處理后的葉片基體固定在電弧離子鍍膜機爐體的圓柱形工件桿上；對爐體進行粗抽真空，而后開啟加熱器，使爐體溫度升至450°C，加熱過程中同步對爐體進行細抽真空，使爐體真空度為6 X KT3Pa ；步驟3 保持爐體溫度不變，向爐體通入純度為99. 99%的氬氣，并且開啟電弧離子鍍膜機的偏壓電源和靶材，對葉片基體表面進行清洗，在清洗過程中偏壓電源的脈沖偏壓幅值由700V按照均勻間隔升高至1000V，占空比為70%，靶材為Ti靶，靶材電流為120A， 本步驟的清洗時間為lOmin，工件桿轉架轉速為8轉/min ；本步驟的清洗過程中保持爐體真空度為 IOXlO-1Pa ；步驟4 保持爐體溫度不變，調節Ti靶電流為120A，偏壓電源的脈沖偏壓幅值為 400V，占空比為70%;調節氬氣流量使爐體內真空度降低至SXKT1Pa,在葉片基體表面沉積純金屬Ti粘結層，沉積時間為30min ；步驟5 保持爐體溫度不變，保持步驟4中氬氣流量、Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，向爐體中通入純度為99. 99%的N2氣，使爐體內真空度降低3X KT1Pa,至 8 X KT1Pa,在粘結層上沉積TiN阻擋層，沉積時間為35min ；步驟6 保持爐體溫度不變，保持步驟5中Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，關閉氬氣和N2氣輸入，對爐體抽真空，使爐體真空度升高至6X 10_3Pa，而后向爐體內通入純度為99. 99%的氬氣，使爐體真空度降低為SXKT1Pa,再向爐體內通入純度為 99. 99%的CH4,使爐體真空度降低3X KT1Pa,至8X KT1Pa,在TiN阻擋層上沉積TiC阻擋層，沉積時間為45min ；步驟7 保持爐體溫度不變，保持步驟6中Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，保持氬氣和CH4流量不變，向爐體中通入純度為99. 99%的隊氣，使爐體真空度降低 2 X KT1Pa,至IOX KT1Pa,在TiC阻擋層上沉積表面層，沉積時間為70min ；步驟8 依次關閉靶電源，加熱器、偏壓電源，關閉CH4和隊氣，將爐體冷卻至100 V 后，關閉氬氣，葉片基體隨爐冷卻至室溫后出爐。所得多層抗點蝕涂層呈深黃色，涂層總厚度為10. 3微米，通過顯微觀察，粘結層厚度為0. 8微米，TiN阻擋層厚度為1. 5微米，TiC阻擋層厚度為2微米，表面層厚度為6微米，涂層顯微硬度為2200HVai，耐蝕性良好。
權利要求
1.一種葉片表面抗點蝕涂層，其特征在于所述涂層由里向外依次由粘結層、阻擋層和表面層組成；其中以純金屬Ti作為粘結層，由里向外依次以TiN和TiC作為阻擋層，以 TiCN作為表面層。
2.根據權利要求1所述的一種葉片表面抗點蝕涂層，其特征在于粘結層厚度為0.5 微米 0. 8微米，TiN阻擋層厚度為1微米 1. 5微米，TiC阻擋層厚度為1. 5微米 2微米，表面層厚度為5微米 6微米。
3.一種制備如權利要求1或2所述的葉片表面抗點蝕涂層的方法，其特征在于包括以下步驟步驟1 將葉片基體置于盛有丙酮溶液的超聲清洗機中進行超聲清洗，其中丙酮溶液濃度至少為99. 9%，清洗時間至少為20min ；將清洗后的葉片基體浸入無水乙醇溶液中脫水處理后干燥；步驟2 將經步驟1處理后的葉片基體固定在電弧離子鍍膜機爐體的工件桿上；對爐體進行粗抽真空，而后開啟加熱器，使爐體溫度升至250°C 450°C，加熱過程中同步對爐體進行細抽真空，使爐體真空度至少為6. 7 X KT3Pa ；步驟3 保持爐體溫度不變，向爐體通入純度至少為99. 9%的氬氣，并且開啟電弧離子鍍膜機的偏壓電源和靶材，對葉片基體表面進行清洗，在清洗過程中偏壓電源的脈沖偏壓幅值由700V按照均勻間隔升高至1000V，占空比為60% 70%，靶材為Ti靶，靶材電流為 60A 120A，本步驟的清洗時間為IOmin 20min，工件桿轉架轉速為3轉/min 8轉/ min ；本步驟的清洗過程中保持爐體真空度為8 X KT1Pa IOX KT1Pa ；步驟4 保持爐體溫度不變，調節Ti靶電流為60A 120A，偏壓電源的脈沖偏壓幅值為200V 400V，占空比為60% 70% ；調節氬氣流量使爐體內真空度為3X KT1Pa 5 X KT1Pa,在葉片基體表面沉積純金屬Ti粘結層，沉積時間為20min 30min ；步驟5 保持爐體溫度不變，保持步驟4中氬氣流量、Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，向爐體中通入純度至少為99. 9%的N2氣，使爐體內真空度降低2 X KT1I^a 3 X KT1Pa,在粘結層上沉積TiN阻擋層，沉積時間為25min 35min ；步驟6 保持爐體溫度不變，保持步驟5中Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，關閉氬氣和N2氣輸入，對爐體抽真空，使爐體真空度至少為6. 7X 10_3Pa，而后向爐體內通入純度至少為99. 9%的氬氣，使爐體真空度為SXlO-1Pa δΧΚΓΡει，再向爐體內通入純度至少為99. 9%的CH4，使爐體真空度降低2 X KT1Pa 3 X KT1Pa,在TiN阻擋層上沉積 TiC阻擋層，沉積時間為25min 45min ；步驟7 保持爐體溫度不變，保持步驟6中Ti靶電流、脈沖偏壓幅值及占空比的值不變，保持氬氣和CH4流量不變，向爐體中通入純度至少為99. 9%的N2氣，使爐體真空度降低 2 X KT1Pa 3 X KT1Pa,在TiC阻擋層上沉積表面層，沉積時間為30min 70min ；步驟8 依次關閉靶電源，加熱器、偏壓電源，關閉CH4和隊氣，將爐體冷卻至100°C后， 關閉氬氣，葉片基體隨爐冷卻至室溫后出爐。
全文摘要
本發明提出了一種葉片表面抗點蝕涂層及其制備方法，所述涂層由里向外依次由粘結層、阻擋層和表面層組成；其中以純金屬Ti作為粘結層，由里向外依次以TiN和TiC作為阻擋層，以TiCN作為表面層；所述制備方法采用電弧離子鍍膜機在葉片基體上依次沉積粘結層、阻擋層和表面層。本發明提出的多層抗點蝕涂層結構，具有較低的摩擦系數，較高的硬度，較好的耐磨性，良好的涂層和基體結合力，優越的抗點蝕能力；在制備過程中，要求沉積過程前，爐體真空度至少為6.7×10-3Pa，爐體溫度為250℃～450℃，以減少沉積過程中對葉片基體材料組織的顯著影響；采用特定的弧電流減少了在沉積過程中涂層表面的大顆粒，液滴以及空洞，使涂層表面光滑致密，均勻，抗腐蝕性能提高。
文檔編號C23C14/06GK102392217SQ20111037644
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月23日 優先權日2011年11月23日
發明者喬生儒, 張程煜, 折潔, 李玫, 韓棟 申請人:西北工業大學