本發(fā)明涉及航空渦槳發(fā)動機制造技術領域，具體涉及一種用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜及其制備方法。

背景技術：

航空渦輪螺旋槳發(fā)動機簡稱渦槳發(fā)動機，屬于渦輪噴氣發(fā)動機的一種，低速時的發(fā)動機效率要高于渦輪風扇發(fā)動機，因此，對中低速飛機或者低速飛機，如反潛機、巡邏機、滅火飛機等，尤其適用，并部分應用于支線客機和運輸機。渦槳發(fā)動機的螺旋槳部分位于發(fā)動機前部，暴露于外部，極易受到惡劣天氣的侵蝕，如執(zhí)行任務過程中，必然會遭遇風沙、砂石天氣情況，特別是干燥的沙漠、戈壁地區(qū)，這一危害會大量提升，會給螺旋槳槳葉的使用壽命帶來極大挑戰(zhàn)，嚴重影響其實用效果，這一危害集中在兩點：一是疲勞損傷，一是沖蝕損傷，疲勞損傷通過改性槳葉材料組成或其他辦法可以逐步解決。

本發(fā)明針對上述現(xiàn)象中較難處理的沖蝕損傷，通過提高耐摩擦能力，結合表面改性方法，在槳葉表面鍍制多層數微米厚的以提高耐摩擦性能、耐沖蝕性能為目的的多層膜系，旨在通過表面改性技術，大幅提升槳葉使用壽命，減少沖蝕現(xiàn)象發(fā)生。常規(guī)辦法采用通過簡單提高硬度來解決耐摩擦和耐沖蝕性能的辦法會因為氣象現(xiàn)象的多變，造成提高槳葉預期壽命的目的較難奏效。

一般用于渦輪螺旋槳發(fā)動機槳葉的高硬度膜在耐摩擦和耐沖蝕性能方面不能滿足實際需求，考慮到航空飛行器發(fā)動機壽命和安全嚴重影響到飛行安全問題，結合復雜環(huán)境使用情況，采用梯度變化的膜層結構、多種耐摩擦材料和工藝的有效結合，提升螺旋槳槳葉的使用壽命，使槳葉具備優(yōu)秀的耐摩擦能力、耐沖蝕能力和耐腐蝕能力。目前，缺乏一種具備優(yōu)秀耐摩擦耐沖蝕能力的航空渦槳發(fā)動機槳葉耐摩擦耐沖蝕膜及其制備方法。

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)秀耐摩擦耐沖蝕能力的航空渦槳發(fā)動機槳葉耐摩擦耐沖蝕膜及其制備方法。

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槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜，所述用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜由內向外依次為槳葉基底、過渡層、高硬度膜層和耐摩擦耐沖蝕膜層；所述用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜自葉片基底由內向外依次沉積。

進一步地，所述槳葉基底為鈦合金。

進一步地，所述槳葉基底為渦槳發(fā)動機槳葉；所述過渡層為金屬鈦層或金屬鉻層，所述高硬度膜層由內向外依次為氮化鈦層、氮化鋯鋁鈦層，所述耐摩擦耐沖蝕膜層由內向外依次為氮化硅鈦層、氮化硅層。

更進一步地，所述過渡層的金屬鈦或金屬鉻層的厚度為12～30nm，提高膜層附著力，所述氮化鈦層的厚度為1～1.3μm，所述氮化鋯鋁鈦層的厚度為1.2～1.8μm，所述氮化硅鈦層的厚度為1.5～2.0μm，所述氮化硅層的厚度為0.8～1.2μm。

進一步地，所述氮化鈦層由內向外氮含量逐漸增加；氮化鋯鋁鈦層由內向外氮含量和鈦含量逐漸減少，鋯含量、鋁含量逐漸增加；氮化硅鈦層由內向外氮含量、硅含量、鈦含量逐漸增加；氮化硅層由內向外氮含量、硅含量逐漸減少。

本發(fā)明所述的用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜的制備方法，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15～26℃，濕度小于50%；打開鍍膜設備，抽真空至滿足本底真空要求：鍍膜室真空度<6×10^-3Pa，對槳葉基底加熱至180℃～220℃；同時，對槳葉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，清洗時間15～30min；

（2）槳葉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1～3×10^-1Pa之間，進行氬離子清洗，偏壓電源-300V～-450V，時間8～15min；沉積過渡層：抽真空至1.5×10^-2Pa以下，充入氬氣，維持真空度1～5×10^-1Pa，開啟金屬鈦靶或金屬鉻靶電源，負偏壓-30～-80V，鍍膜時間5～15min；

（3）沉積氮化鈦層：充入氮氣，逐步提高流量，降低氬氣流量，同時開啟金屬鈦靶電源，偏壓-40V～-260V，偏壓電源逐漸增大，鍍膜時間15～20min；沉積氮化鋯鋁鈦層：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、鋁靶偏壓電源，偏壓在-40V～-260V，偏壓逐漸增大，鍍膜時間20～30min；

（4）沉積氮化硅鈦層：氮氣流量逐漸增加，氬氣流量逐漸減小，開啟金屬硅靶電源，金屬鈦靶、硅靶偏壓逐漸增大，偏壓在-40V～-260V，鍍膜時間25～35min，其他靶電源停止；沉積氮化硅層：氮氣流量逐漸減小，氬氣流量逐漸增加，硅靶電源偏壓逐漸減小，偏壓電源在-40V～-260V，鍍膜時間15～20min，鍍膜過程結束；鍍膜結束后，充氬氣保壓至槳葉基底溫度降至室溫再出片，制得用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜。

進一步地，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；槳葉基底溫度維持在180℃～220℃之間；電源電流在20～60A，星輪式基片架公轉速度5～15r/min。

進一步地，在步驟（2）至步驟（4）中，鍍膜過程中，維持真空度為1～3×10^-1Pa。

有益效果：本發(fā)明具備優(yōu)秀耐摩擦耐沖蝕能力，表面硬度大于3300HV。本發(fā)明具備優(yōu)秀的耐摩擦性能和高硬度性能，并有較低的摩擦系數，通過合理調整各膜層工藝參數、膜層厚度及各元素之間匹配比例，可主動調整膜層性能參數，本發(fā)明的耐摩擦耐沖蝕膜層可滿足渦槳飛機在極端天氣下頻繁使用的需求，并有效提高渦槳發(fā)動機槳葉至原來3～5倍以上壽命。

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、金屬氮化物和非金屬氮化物組成，金屬層用于過渡同時提高膜層附著力，氮化鈦、氮化鋯鋁鈦、氮化硅鈦、氮化硅等氮化物有較高的耐摩擦和耐腐蝕性能，并具備較高的硬度。

（2）本發(fā)明為了進一步提高耐摩擦耐沖蝕性能，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，進一步提高膜層耐摩擦性能，特別是耐沖蝕能力。

（3）膜層最外層為氮化硅膜層，可提高整體膜層的耐摩擦性能、耐腐蝕性能，并可進一步提高膜層在風沙、砂石天氣情況下的耐沖蝕性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的示意圖；

其中，0槳葉基底，1過渡層，21氮化鈦層，22氮化鋯鋁鈦層，31氮化硅鈦層，32氮化硅層。

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槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜，所述用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜由內向外依次為槳葉基底0、過渡層1、高硬度膜層和耐摩擦耐沖蝕膜層；所述用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜自葉片基底由內向外依次沉積。

所述槳葉基底0為鈦合金。

所述槳葉基底0為渦槳發(fā)動機槳葉；所述過渡層1為金屬鈦層或金屬鉻層，所述高硬度膜層由內向外依次為氮化鈦層21、氮化鋯鋁鈦層22，所述耐摩擦耐沖蝕膜層由內向外依次為氮化硅鈦層31、氮化硅層32。

所述過渡層的金屬鈦或金屬鉻層的厚度為12nm，提高膜層附著力，所述氮化鈦層21的厚度為1.3μm，所述氮化鋯鋁鈦層22的厚度為1.2μm，所述氮化硅鈦層31的厚度為2.0μm，所述氮化硅層32的厚度為0.8μm。

所述氮化鈦層21由內向外氮含量逐漸增加；氮化鋯鋁鈦層22由內向外氮含量和鈦含量逐漸減少，鋯含量、鋁含量逐漸增加；氮化硅鈦層31由內向外氮含量、硅含量、鈦含量逐漸增加；氮化硅層32由內向外氮含量、硅含量逐漸減少。

本發(fā)明所述的用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜的制備方法，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50%；打開鍍膜設備，抽真空至滿足本底真空要求：鍍膜室真空度<6×10^-3Pa，對槳葉基底0加熱至220℃；同時，對槳葉基底0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，清洗時間15min；

（2）槳葉基底0固定于鍍膜機內部星輪式基片架上，通入氬氣至真空度在2×10^-1Pa之間，進行氬離子清洗，偏壓電源-300V，時間12min；沉積過渡層1：抽真空至1.5×10^-2Pa以下，充入氬氣，維持真空度1×10^-1Pa，開啟金屬鈦靶或金屬鉻靶電源，負偏壓-50V，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，同時開啟金屬鈦靶電源，偏壓-40V，偏壓電源逐漸增大，鍍膜時間15min；沉積氮化鋯鋁鈦層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、鋁靶偏壓電源，偏壓在-40V，偏壓逐漸增大，鍍膜時間20min；

（4）沉積氮化硅鈦層31：氮氣流量逐漸增加，氬氣流量逐漸減小，開啟金屬硅靶電源，金屬鈦靶、硅靶偏壓逐漸增大，偏壓在-260V，鍍膜時間25min，其他靶電源停止；沉積氮化硅層32：氮氣流量逐漸減小，氬氣流量逐漸增加，硅靶電源偏壓逐漸減小，偏壓電源在-40V，鍍膜時間18min，鍍膜過程結束；鍍膜結束后，充氬氣保壓至槳葉基底0溫度降至室溫再出片，制得用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜。

在步驟（2）至步驟（4）中，鍍膜過程中，維持真空度基本不變，所述真空度為1×10^-1Pa，保持氮氣偏壓>1×10^-1Pa；槳葉基底0溫度維持在180℃；電源電流在20A，星輪式基片架公轉速度10r/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槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜，所述過渡層的金屬鈦或金屬鉻層的厚度為30nm，提高膜層附著力，所述氮化鈦層21的厚度為1μm，所述氮化鋯鋁鈦層22的厚度為1.8μm，所述氮化硅鈦層31的厚度為1.5μm，所述氮化硅層32的厚度為1.2μm。

本發(fā)明所述的用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜的制備方法，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26℃，濕度小于50%；打開鍍膜設備，抽真空至滿足本底真空要求：鍍膜室真空度<6×10^-3Pa，對槳葉基底0加熱至180℃；同時，對槳葉基底0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，清洗時間20min；

（2）槳葉基底0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-450V，時間8min；沉積過渡層1：抽真空至1.5×10^-2Pa以下，充入氬氣，維持真空度5×10^-1Pa，開啟金屬鈦靶或金屬鉻靶電源，負偏壓-30V，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，同時開啟金屬鈦靶電源，偏壓-160V，偏壓電源逐漸增大，鍍膜時間18min；沉積氮化鋯鋁鈦層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、鋁靶偏壓電源，偏壓在-100V，偏壓逐漸增大，鍍膜時間25min；

（4）沉積氮化硅鈦層31：氮氣流量逐漸增加，氬氣流量逐漸減小，開啟金屬硅靶電源，金屬鈦靶、硅靶偏壓逐漸增大，偏壓在-40V，鍍膜時間30min，其他靶電源停止；沉積氮化硅層32：氮氣流量逐漸減小，氬氣流量逐漸增加，硅靶電源偏壓逐漸減小，偏壓電源在-260V，鍍膜時間15min，鍍膜過程結束；鍍膜結束后，充氬氣保壓至槳葉基底0溫度降至室溫再出片，制得用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜。

在步驟（2）至步驟（4）中，鍍膜過程中，維持真空度基本不變，所述真空度為3×10^-1Pa，保持氮氣偏壓>1×10^-1Pa；槳葉基底0溫度維持在220℃；電源電流在40A，星輪式基片架公轉速度15r/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槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜，所述過渡層的金屬鈦或金屬鉻層的厚度為20nm，提高膜層附著力，所述氮化鈦層21的厚度為1.1μm，所述氮化鋯鋁鈦層22的厚度為1.6μm，所述氮化硅鈦層31的厚度為1.8μm，所述氮化硅層32的厚度為1.0μm。

本發(fā)明所述的用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜的制備方法，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50%；打開鍍膜設備，抽真空至滿足本底真空要求：鍍膜室真空度<6×10^-3Pa，對槳葉基底0加熱至200℃；同時，對槳葉基底0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，清洗時間30min；

（2）槳葉基底0固定于鍍膜機內部星輪式基片架上，通入氬氣至真空度在3×10^-1Pa之間，進行氬離子清洗，偏壓電源-350V，時間8～15min；沉積過渡層1：抽真空至1.5×10^-2Pa以下，充入氬氣，維持真空度4×10^-1Pa，開啟金屬鈦靶或金屬鉻靶電源，負偏壓-80V，鍍膜時間15min；

（3）沉積氮化鈦層21：充入氮氣，逐步提高流量，降低氬氣流量，同時開啟金屬鈦靶電源，偏壓-260V，偏壓電源逐漸增大，鍍膜時間20min；沉積氮化鋯鋁鈦層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、鋁靶偏壓電源，偏壓在-260V，偏壓逐漸增大，鍍膜時間30min；

（4）沉積氮化硅鈦層31：氮氣流量逐漸增加，氬氣流量逐漸減小，開啟金屬硅靶電源，金屬鈦靶、硅靶偏壓逐漸增大，偏壓在-260V，鍍膜時間35min，其他靶電源停止；沉積氮化硅層32：氮氣流量逐漸減小，氬氣流量逐漸增加，硅靶電源偏壓逐漸減小，偏壓電源在-260V，鍍膜時間20min，鍍膜過程結束；鍍膜結束后，充氬氣保壓至槳葉基底0溫度降至室溫再出片，制得用于航空渦槳發(fā)動機槳葉的耐摩擦耐沖蝕膜

在步驟（2）至步驟（4）中，鍍膜過程中，維持真空度基本不變，所述真空度為2×10^-1Pa，保持氮氣偏壓>1×10^-1Pa；槳葉基底0溫度維持在200℃；電源電流在60A，星輪式基片架公轉速度5r/min；。

盡管本文較多地使用了槳葉基底0，過渡層1，氮化鈦層21，氮化鋯鋁鈦層22，氮化硅鈦層31，氮化硅層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。