用于汽轮机叶片的耐固体颗粒侵蚀的纳米晶多层硬质薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料表面防护领域，具体为一种用于汽轮机叶片的耐固体颗粒侵蚀的纳米晶多层硬质薄膜及其制备方法。
背景技术
汽轮机叶片易受固体颗粒侵蚀，故有效开展汽轮机叶片防固体颗粒侵蚀尤为重要。为提高汽轮机叶片的耐固体颗粒侵蚀能力，硬质薄膜（或涂层）是行之有效的表面防护方法之一。国外硬质涂层在防固体颗粒侵蚀领域的研究已广泛开展，美国GE 汽轮机为代表的叶片防固体颗粒侵蚀涂层，已成功运用于汽轮机叶片的长期高温耐磨防护。德国MTU航空通过与PVT公司技术合作，在航空发动机叶片上也成功运用了TiN、TiAlN硬质涂层技术，大幅提高了叶片使用寿命。
因此研发一种用于汽轮机机叶片表面的耐纳米复合结构多层硬质薄膜材料以及镀膜方法，以提高其使用寿命具有重大意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于汽轮机叶片的耐固体颗粒侵蚀的纳米晶多层硬质薄膜及其制备方法，制备方法简单，操作方便，成本低，并且绿色环保、无任何污染废水废气产生。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种用于汽轮机叶片的耐固体颗粒侵蚀的纳米晶多层硬质薄膜，其特征是，包括依次沉积于汽轮机叶片表面的Cr底层、TiAl过渡层、TiAlN过渡层及TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层；所述TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层为面心立方结构的纳米晶(Ti,Al)(C,N)和Cr2N的两相复合结构，其中纳米晶(Ti,Al)(C,N)为主要相。
进一步的，所述TiAl过渡层由Ti元素及Al元素组成。
进一步的，所述TiAlN过渡层由Ti元素、Al元素及N元素组成。
进一步的，所述TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层由Ti元素、Al元素、Cr元素、C元素及N元素组成。
优选的，金属Cr底层的厚度为0.3μm，TiAl过渡层的厚度为0.1μm，TiAlN过渡层的厚度为2μm，TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层的厚度为10μm。
本发明所述用于汽轮机叶片的耐固体颗粒侵蚀的纳米晶多层硬质薄膜的制备方法过程如下：
清洗汽轮机叶片的表面，再将汽轮机叶片放置到真空腔室内的旋转装置上进行旋转，并进行等离子体清洗，然后再在汽轮机叶片表面采用多弧离子镀物理气相沉积法，依次沉积Cr底层、TiAl过渡层、TiAlN过渡层及TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层，完成汽轮机叶片耐固体颗粒侵蚀纳米晶多层硬质薄膜的制备。
优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积Cr底层的过程中，向真空腔室内通入流量为250sccm、气压为1.4Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以Cr作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为16V。
优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiAl过渡层的过程中，向真空腔室内通入流量为300sccm、气压为1.6Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiAl作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为18V。
优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积耐氧化TiAlN过渡层的过程中，向真空腔室内通入N2气和Ar气的混合气体，其中，N2气的流量为380sccm，Ar气的流量为200sccm，混合气体的气压为1.6Pa，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiAl合金作为沉积靶材，弧电流为62A，偏置电压19V。
优选的，采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积耐磨减摩TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层的过程中，向真空腔室内通入N2气、Ar气和CH4气的混合气体，其中，N2气的流量、Ar气的流量和CH4气的流量分别为500sccm、150sccm及150sccm，混合气体的气压为1.3Pa，沉积过程中以TiAl合金作为沉积靶材，沉积温度为300℃，弧电流为66A，偏置电压为20V；Cr作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为16V。
本发明采用工业化大型多弧离子镀物理气相沉积技术（PVD）多元多层和梯度化设计的薄膜，各层的成分及性能是逐渐变化的，不仅可以增强薄膜与叶片的相互匹配，而且可以大大提高薄膜与叶片之间的结合力，使薄膜具有良好的冲击韧性；尤其Cr金属底层有效提高了多层薄膜层的多次冲击韧性。TiAlN是固溶强化型膜层，TiCrAlCN 薄膜层具有良好的力学性能和耐冲蚀性能，其中C 元素起到细化薄膜晶粒的作用，Al是固溶强化元素提高了强度和硬度，强碳化物元素的 Cr 可令薄膜中的碳化物增多，显著提高薄膜硬度和耐固体颗粒侵蚀性能。
本发明采用Cr/TiAl/TiAlN/TiCrAlCN多元多层梯度化设计令薄膜的力学性能和耐磨性能也呈梯度变化，可实现TiAl/TiAlN/TiCrAlCN膜层的硬度与 Cr 层的韧性兼容。其中TiAlN为面心立方结构的固溶强化型硬质膜层，TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层为面心立方结构的纳米晶(Ti,Al)(C,N)和Cr2N的两相复合结构，(Ti,Al)(C,N)为主要相。因此，TiAlN、TiCrAlCN体系中的晶粒难通过晶粒之间的元素扩散过程长大，这种纳米晶复合结构的多层薄膜可兼顾硬度和韧性，有助于耐耐固体颗粒侵蚀性能提高。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
本发明耐固体颗粒侵蚀的纳米晶多层硬质薄膜包括金属Cr底层、TiAl过渡层、TiAlN过渡层及TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层，其中，通过金属Cr底层提高薄膜与汽轮机机叶片的结合强度；通过TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层起到耐磨作用，从而有效提高汽轮机叶片的使用寿命。
本发明耐固体颗粒侵蚀的纳米晶多层硬质薄膜在制备时，先对汽轮机叶片的表面进行清洗，然后采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积金属Cr底层、TiAl过渡层、TiAlN过渡层及TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层，操作方便，成本低，并且绿色环保、无任何污染废水废气产生。
附图说明
图1为本发明实例中用于汽轮机叶片的耐固体颗粒侵蚀的纳米晶多层硬质薄膜的结构示意图。
图2为本发明实例中耐固体颗粒侵蚀的TiAlCrCN纳米晶复合薄膜层的XRD谱图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参考图1，本发明中用于汽轮机叶片的耐固体颗粒侵蚀的纳米晶多层硬质薄膜包括依次沉积于汽轮机叶片1表面的Cr底层2、TiAl过渡层3、TiAlN过渡层4及TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层5。
需要说明的是，Cr底层2的厚度为0.3μm，TiAl过渡层3的厚度为0.1μm，TiAlN过渡层4的厚度为2μm，TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层5的厚度为10μm。
本发明所述的用于汽轮机叶片的耐固体颗粒侵蚀的纳米晶多层硬质薄膜的制备方法过程如下：
清洗汽轮机叶片1的表面，再将汽轮机叶片1放置到真空腔室内的旋转装置上进行旋转，并进行等离子体清洗，然后再在汽轮机叶片1表面采用多弧离子镀物理气相沉积法，依次沉积Cr底层2、TiAl过渡层3、TiAlN过渡层4及TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层5，完成汽轮机叶片1耐固体颗粒侵蚀纳米晶多层硬质薄膜的制备。
其中，采用多弧离子镀物理气相沉积方法Cr底层2底层的过程中，向真空腔室内通入流量为250sccm、气压为1.4Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以Cr作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为16V。
采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积TiAl过渡层3的过程中，向真空腔室内通入流量为300sccm、气压为1.6Pa的Ar气，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiAl作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为18V。
采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积耐氧化TiAlN过渡层4的过程中，向真空腔室内通入N2气和Ar气的混合气体，其中，N2气的流量为380sccm，Ar气的流量为200sccm，混合气体的气压为1.6Pa，沉积温度为300℃，沉积过程中以TiAl合金作为沉积靶材，弧电流为62A，偏置电压19V。
采用多弧离子镀物理气相沉积方法沉积耐磨减摩TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层5的过程中，向真空腔室内通入N2气、Ar气和CH4气的混合气体，其中，N2气的流量、Ar气的流量和CH4气的流量分别为500sccm、150sccm及150sccm，混合气体的气压为1.3Pa，沉积过程中以TiAl合金作为沉积靶材，沉积温度为300℃，弧电流为66A，偏置电压为20V；Cr作为沉积靶材，弧电流为60A，偏置电压为16V。
所述旋转装置包括转架、支撑盘、支撑杆及电机，其中，电机的输出轴与转架相连接，支撑盘通过支撑杆固定于转架上，汽轮机机叶片放置于支撑盘上。
从图2可知，TiAlCrCN耐固体颗粒侵蚀薄膜层5为面心立方结构的纳米晶(Ti,Al)(C,N)和纳米晶Cr2N的两相复合结构，前者为主要相。
本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。
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