一种抗冲蚀涂层的制备方法、涂层结构及构件与流程

1.本发明属于航空发动机涂层领域，具体涉及一种抗冲蚀涂层的制备方法、涂层结构及构件。


背景技术：

2.航空发动机在服役过程中，会面临复杂而恶劣的工况，如含有沙尘、火山灰、雾霾、雨雾等杂质的工作环境。这些工作环境下高速气流中夹杂的固体颗粒物会对风扇、压气机、导叶等轻质合金制成的转动和非转动部件造成冲蚀，引起表面损伤和严重的性能恶化，降低发动机的安全性、可靠性和可维修性，使得发动机服役寿命缩短。风洞试验表明，直径大于30μm的沙粒能对叶片造成明显的冲蚀磨损，影响叶盘的力学性质、整体结构和气动稳定性，甚至有导致疲劳失效的风险。冲蚀损伤使导致航空发动机性能和疲劳寿命显著下降的关键因素之一。
3.现有部分发动机采用了如tib2等硬质涂层涂覆在轻合金叶片表面以达到抗冲蚀的效果，而为了使基材与涂层牢固结合，往往还会设置梯度层进行过度。然而，发明人认识到，梯度层设置过程中仅考虑基材与硬质层的硬度不足以充分协调不同材料的力学性能，在受力和变形不匹配的情况下现有涂层容易萌生裂纹或剥落。因此，提出一种结合牢固、应力/变形协调性好的抗冲蚀涂层制备方法具有很高的应用价值。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种抗冲蚀涂层的制备方法，以提高涂层与基材的层间结合力和力学性能匹配程度，改善涂层的性能与使用寿命。本发明还提供一种抗冲蚀涂层结构和构件。
5.根据本发明实施例的一个方面，提供一种抗冲蚀涂层的制备方法，用于在基材表面制备包括梯度层和硬质层的涂层结构，该方法包括以下步骤：
6.在基材表面涂覆梯度层，调节所述梯度层的h/e值使其在厚度方向上成梯度分布。
7.对于仅考虑硬质层和基材硬度的复合涂层结构，当两者的弹性模量e相差较大时，界面处承受相同载荷时应变梯度相差很大，导致层间应变不匹配，诱发裂纹或剥落。将比硬度即h/e值作为控制变量来设计梯度层的力学性能参数，综合考虑了不同层的材料在服役工况下承受相同弹性变形状态下抵抗塑性变形的能力，确保界面处的应力应变处于小差异状态，能够预防应变梯度差异大导致的裂纹和剥落，改善涂层性能，提高涂层寿命。
8.进一步地，所述基材和所述梯度层为颗粒增强材料，其中调节所述h/e值的方法为控制增强颗粒的体积或质量百分比。通过控制增强颗粒的体积或质量百分比，能够准确的以量化方式调节梯度层中h/e的变化。
9.进一步地，在涂覆所述梯度层前，还包括以下步骤：在所述基材上制备多个测试样品，所述测试样品中的所述增强颗粒体积或质量分数逐渐增加；分别测量计算各个所述测试样品的h/e值，通过插值法计算出对应硬质层的增强颗粒的体积或质量分数。由此能够方
便地获得梯度涂层涂覆过程中参数变化的控制范围。
10.进一步地，所述涂层结构的涂覆方法包括离子镀、pvd或cvd。离子镀、pvd和cvd能够有效涂覆涂层，同时便于进行参数控制。
11.进一步地，硬度h和弹性模量e的数值通过纳米压痕测试获得。通过纳米压痕测试方便快捷，对样品的需求量小，适用于涂层力学性能检测。
12.根据本发明实施例的另一个方面，提供一种抗冲蚀涂层结构，包括基材、梯度层和硬质层，其中，所述梯度层的硬度h与弹性模量e的比值h/e在厚度方向上成梯度分布。h/e成梯度变化的复合涂层结构，使层间应力/应变相协调，改善涂层的性能和使用寿命。
13.进一步地，所述梯度层底层的h/e值与所述基材相同，所述梯度层表层的h/e值与所述硬质层相同。h/e值在界面处成连续分布能够更好地改善层间应力/应变协调。
14.进一步地，所述涂层中所述梯度层厚度为硬质层厚度的1/5至1/3。在不影响涂层功能的情况下控制厚度，降低制造成本。
15.进一步地，所述涂层中的所述硬质层为二元或多元涂层。二元或多元涂层能够提供更好的保护效果。
16.进一步地，所述涂层中的所述硬质层为多层。根据实际服役环境，可以设置不同的涂层层数。
17.进一步地，所述增强颗粒包括tib2、sic、al2o3或b4c。金属或陶瓷材质的硬质颗粒能够有效提高材料性能。
18.根据本发明实施例的又一个方面，提供一种抗冲蚀构件，表面包括涂层结构，其中，所述涂层结构为前述的任一涂层结构。抗冲蚀涂层结构能够有效提高构件的使用寿命和性能。
附图说明
19.图1为一实施例中的涂层结构示意图；
20.图2为一实施例中的涂层结构扫描电子显微镜照片；
21.图3为另一实施例中的涂层结示意图。
22.上述附图的目的在于对本发明作出详细描述，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。
具体实施方式
23.下面通过实施例结合附图对本发明作出进一步的详细说明。
24.除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本领域技术人员一般理解的含义相同；本文中所使用的术语目的仅在于描述具体的实施例，而非旨在限制本发明的保护范围；本文说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”及其同等表述意在覆盖不排他的包含关系。
25.本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。
26.本文的描述中，“上”、“下”、“表层”、“底层”等指示方位或位置关系的术语目的在于准确描述实施例和简化描述，而非限定所涉及的零件或结构必须具有特定的方位、以特定方位安装或操作，不能理解为对本文中实施例的限制。
27.根据本发明的一个实施例，提供一种抗冲蚀涂层的制备方法，所制备的涂层结构如图1所示，在基材1表面制备包括梯度层2和二元硬质层31、32的涂层结构。其中，基材1为含有5wt.％tib2增强颗粒的2024铝合金，目标的硬质层为tialn/ti叠层二元硬质涂层，涂层采用离子镀工艺涂覆。该方法包括如下步骤：
28.a-1)分别制备20mm
×
15mm
×
3mm基材本体和硬质涂层样品，其中涂层厚度10μm，总层数16层。通过纳米压痕测试获得基材硬度h＝0.918gpa，弹性模量e＝86.4gpa，则基材的h/e＝0.010625；硬质涂层硬度h＝11.85gpa，弹性模量e＝115.7gpa，则硬质涂层的h/e＝0.10242。由此，确定梯度层底层和表层的h/e范围。
29.a-2)利用离子镀工艺在2024合金上分别制备tib2含量不同的测试样品，不同样品中增强颗粒含量由5wt.％梯度增加，样品厚度控制在2-3μm。离子镀工艺参数控制为弧电流60a，占空比10％，沉积时间60min。利用线性插值计算得到比硬度h/e＝0.010625的样品对应的离子镀沉积工艺基体偏压为-34.5v，比硬度h/e＝0.10242的样品对应的离子镀沉积工艺基体偏压为-98.7v。
30.b)在基材表面涂覆梯度层，使梯度层底层即梯度层与基材的界面处的h/e值与基材相同，调节梯度层的h/e值使其在厚度方向上成梯度分布，优选地，在表层即梯度层与硬质层的界面处的h/e值与目标硬质层相同，可以理解，这里的相同指的是在显微硬度测试和计算的误差范围内或相差在10％范围内，而非指数值完全相等。具体地，基于a-2)步骤中的工艺参数，控制基体偏压由-34.5v成梯度变化到-98.7v，对tib2靶材进行沉积，获得厚度约2.121μm的梯度层，其底层比硬度h/e＝0.010625，表层比硬度h/e＝0.10242。
31.c)继续采用离子镀制备多层tialn/ti硬质涂层，涂层总厚度10μm，其中ti层31工艺参数为0.25μm/2.5min，弧电流70a，偏压-200v，占空比20％；tialn层32工艺参数为0.71μm/10min，弧电流60a，偏压0v，氮分压1.5pa，占空比10％；沉积时真空室温度在120℃-140℃。
32.上述方法得到的涂层在扫描式电子显微镜下的照片如图2所示。可见在tib2/al梯度层上，ti和tialn硬质层构成的硬质层附着状态良好，明亮的ti层与较暗的tib2/al梯度层之间结合紧密，没有缝隙或孔洞；而多层的ti/tialn重复层消除了底层的硬质层涂覆过程中偶发的凸起，其上表面基本平整。
33.根据本发明的另一个实施例，提供一种抗冲蚀涂层的制备方法，所制备的涂层结构如图3所示，在基材1表面制备包括梯度层2和硬质层3的涂层结构。其中，基材1为含有5wt.％tib2增强颗粒的2024铝合金，目标的硬质层为总层数为2的tialn/ti二元硬质涂层31、32，涂层采用离子镀工艺涂覆。该方法包括如下步骤：
34.a-1)分别制备20mm
×
15mm
×
3mm基材本体和硬质涂层样品，其中涂层厚度10μm。通过纳米压痕测试获得基材硬度h＝0.918gpa，弹性模量e＝86.4gpa，则基材的h/e＝0.010625；硬质涂层硬度h＝12.195gpa，弹性模量e＝123.6gpa，则硬质涂层的h/e＝0.095665。由此，确定梯度层底层和表层的h/e范围。
35.a-2)利用离子镀工艺在2024合金上分别制备tib2含量不同的测试样品，不同样品
中增强颗粒含量由5wt.％梯度增加，样品厚度控制在2-3μm。离子镀工艺参数控制为弧电流60a，占空比10％，沉积时间60min。利用kriging插值计算得到比硬度h/e＝0.010625的样品对应的离子镀沉积工艺基体偏压为-34.5v，比硬度h/e＝0.095665的样品对应的离子镀沉积工艺基体偏压为-93.7v。
36.b)在基材表面涂覆梯度层，使梯度层底层的h/e值与基材相同，调节梯度层的h/e值使其在厚度方向上成梯度分布，在表层的h/e值与目标硬质层相同，可以理解，这里的相同指的是在显微硬度测试和计算的误差范围内或相差在10％范围内，而非指数值完全相等。具体地，基于a-2)步骤中的工艺参数，控制基体偏压由-34.5v成梯度变化到-93.7v，对tib2靶材进行沉积，获得厚度约2.121μm的梯度层，其底层比硬度h/e＝0.010625，表层比硬度h/e＝0.095665。
37.c)继续采用离子镀制备多层tialn/ti硬质涂层，涂层总厚度10μm，其中ti层31工艺参数为1.69μm/14min，弧电流70a，偏压-200v，占空比20％；tialn层32工艺参数为4.44μm/55min，弧电流60a，偏压0v，氮分压1.5pa，占空比10％；沉积时真空室温度在120℃-140℃。
38.在一些其它实施例中，梯度层h/e值的调整还可以通过调节合金组元或相的成分来实现；涂层的涂覆还可以通过物理气相沉积(pvd)或化学气相沉积(cvd)来实现；部分基材与涂层的硬度与弹性模量可以通过查阅工业手册或其它测试方法获得。
39.在一些其它实施例中，梯度层的厚度为硬质层厚度1/5-1/3；硬质层可以采用如tib2或其他硬质陶瓷材料的一元、二元或多元涂层，可以采用单层结构也可以采用多层结构；基材和梯度层中的增强颗粒还可以选用sic、al2o3或b4c等。
40.根据本发明的又一实施例，提供一种抗冲蚀构件，构件表面具有涂层结构，该涂层结构为上述任一实施例中的涂层结构。该构件可以包括航空发动机中的转动件如压气机或风扇叶片，也可以包括航空发动机中的非转动件，如静子叶片。具有该抗冲蚀涂层的构件对环境中的固体颗粒的冲蚀作用有良好的耐受能力，涂层牢固、寿命长、不易发生开裂和剥落，使构件能够在恶劣工况下长时间保持性能稳定，提高发动机的安全性、可靠性和可维修性。
41.需要理解，上述实施例的目的在于结合附图对本发明的技术方案作出详细描述，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。在权利要求的范围内，对各实施例中所涉及的零件、结构或方法步骤进行优化或等效替换，以及在不发生结构和远离冲突的条件下对不同实施例进行结合，均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种抗冲蚀涂层的制备方法，用于在基材表面制备包括梯度层和硬质层的涂层，其特征在于，包括以下步骤：在基材表面涂覆梯度层，调节所述梯度层的h/e值使其在厚度方向上成梯度分布。2.根据权利要求1所述的抗冲蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述基材和所述梯度层为颗粒增强材料，调节所述h/e值的方法为控制增强颗粒的体积或质量百分比。3.根据权利要求2所述的抗冲蚀涂层的制备方法，其特征在于，在涂覆所述梯度层前，还包括以下步骤：在所述基材上制备多个测试样品，所述测试样品中的所述增强颗粒体积或质量分数逐渐增加；分别测量计算各个所述测试样品的h/e值，通过插值法计算出对应硬质层的增强颗粒的体积或质量分数。4.根据权利要求1或2或3所述的抗冲蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述涂层的涂覆方法包括离子镀、pvd或cvd。5.根据权利要求3所述的抗冲蚀涂层的制备方法，其特征在于，硬度h和弹性模量e的数值通过纳米压痕测试获得。6.一种抗冲蚀涂层结构，包括基材、梯度层和硬质层，其特征在于，所述梯度层的硬度h与弹性模量e的比值h/e在厚度方向上成梯度分布。7.根据权利要求6所述的抗冲蚀涂层结构，其特征在于，所述梯度层底层的h/e值与所述基材相同，所述梯度层表层的h/e值与所述硬质层相同。8.根据权利要求6所述的抗冲蚀涂层结构，其特征在于，所述梯度层厚度为硬质层厚度的1/5至1/3。9.根据权利要求6所述的抗冲蚀涂层结构，其特征在于，所述硬质层为二元或多元涂层。10.根据权利要求6所述的抗冲蚀涂层结构，其特征在于，所述硬质层为多层。11.根据权利要求6所述的抗冲蚀涂层结构，其特征在于，所述增强颗粒包括tib2、sic、al2o3或b4c。12.一种抗冲蚀构件，表面包括涂层结构，其特征在于，所述涂层结构为权利要求6至10其中任一所述的涂层结构。

技术总结
一种抗冲蚀涂层的制备方法，用于在基材表面制备包括梯度层和硬质层的涂层，该方法在基材表面涂覆梯度层，调节梯度层的H/E值使其在厚度方向上成梯度分布。该方法能够提高抗冲蚀涂层与基材的层间结合力和力学性能的匹配程度，改善涂层的性能与使用寿命。本发明还提供一种抗冲蚀涂层结构和构件。一种抗冲蚀涂层结构和构件。一种抗冲蚀涂层结构和构件。


技术研发人员：张成成 邵照宇 张英
受保护的技术使用者：中国航发商用航空发动机有限责任公司
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2023/9/22