[发明专利]航空发动机压气机叶片抗沙尘冲蚀复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于航空发动机叶片制备与防护涂层技术领域，涉及一种航空发动机压气机叶片抗沙尘冲蚀复合涂层及其制备方法。

背景技术

直升机在起飞和降落的过程中或近地飞行时，产生的高速气流将尘土、砂粒等吸入发动机，这些砂尘会对压气机叶片进行冲击、磨损等作用，导致叶片产生变形、凹坑、缺口等损伤，破坏叶片表面完整性，甚至导致发动机故障；同时，叶片表面粗糙度增大、前缘弯曲、弦长变短、厚度减小等，使得压气机的增压比、效率、以及流通能力降低，引起发动机性能衰减，功率下降、耗油率增加、涡轮前燃气温度升高等，严重影响发动机的使用和维护。例如，某直升机在普通环境下飞行，发动机寿命可达2000h，但在砂尘环境下飞行，仅能持续100h。

为了提高叶片抗冲蚀损伤性能，可以采用粒子分离器、更换材料、优化叶片型面设计、防护涂层等方法。粒子分离器只能对一定尺寸、一定速度的砂粒进行分离，还有很多细小砂粒依然会进入压气机；更换材料和优化叶片型面设计需要较长的周期，短时间内无法实现。而防护涂层不会改变叶片的基体设计和材料、不影响叶片的气动性，同时可显著提高抗冲蚀性能，是一种成本较低、效果较好的方法。

航空发动机压气机叶片常用钛合金材料，由于钛合金硬度较低，抗冲蚀性能较差，因此，在钛合金叶片表面制备一层硬质涂层可提高叶片抗砂尘冲蚀性能，TiN、ZrN、TiC等涂层具有很高的硬度，可显著降低叶片在砂尘小角度冲击引起的磨蚀。当冲击角度较大时，叶片表面的涂层还需要承受大的冲击载荷，单一的TiN、ZrN、TiC等涂层韧性较差，在冲击载荷的作用下，容易产生脆性开裂，因此增加硬质涂层的韧性是提高涂层抗冲蚀性能的迫切需求。采用金属-陶瓷涂层可以充分利用陶瓷层的硬度和耐磨性，同时可通过韧性较好的金属层提高涂层抵抗大角度冲击时脆性裂纹和剥落，从而提高涂层的综合性能。

多层涂层的专利主要用于刀具、磨具等，例如，在授权号为CN 1256326 A、名称为“多层涂层”的发明专利中，所发明的多层涂层包括镍层、锡和镍合金层、钛或钛合金层，夹层为钛或钛合金层交替设置的钛化合物(TiN)或钛合金化合物(TiZrN)等，可保护基体材料的磨损和腐蚀，该涂层主要用于装饰及对日常用品的防护。但是该涂层结构复杂，韧性和硬度没有兼顾考虑，不适合砂尘环境下工作的叶片的防护。

在授权号为CN 102575345 A、名称为“多层涂层、制作多层涂层的方法及其应用”的发明专利中，采用的是二氧化钛和氧化铝涂层，用于保护基体材料不受环境的化学元素腐蚀的影响，不适用于砂尘冲蚀环境。

在授权号为CN 102092159 A、名称为“用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层及制备方法”的发明专利中，用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层由TiMo粘结层和TiAlN面层组成，粘结层TiMo的制备，采用磁控溅射制备工艺；ZrN面层的制备，采用多弧离子镀制备工艺。主要用于600℃高温下抗热循环能力、抗热盐腐蚀能力和抗冲刷磨损的能力。该涂层主用用于高温抗腐蚀，且制备方法涉及到两种设备，加工复杂，且韧性难以控制，不能用于沙尘环境下提高叶片的抗冲蚀能力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种航空发动机压气机叶片抗沙尘冲蚀复合涂层及其制备方法，该涂层与航空发动机压气机叶片的结合力强，硬度高，韧性好，并且制备方法简单。

为达到上述目的，本发明所述的航空发动机压气机叶片抗沙尘冲蚀复合涂层包括由下到上依次分布的涂覆有喷丸影响层、Ti结合层及若干TiN层，其中，相邻两个TiN层之间均设有Ti层。

所述喷丸影响层、Ti结合层、TiN层及Ti层的总层数为n，且4≤n≤20。

所述TiN层与Ti层的厚度比值为m，且1≤m≤35。

所述喷丸影响层的厚度小于0.2mm，喷丸影响层表面的粗造度小于Ra0.6微米。

所述待处理的航空发动机压气机叶片基体为不锈钢或钛合金材料。

所述喷丸影响层、Ti结合层、TiN层及Ti层的总厚度大于25微米，且Ti结合层的厚度、TiN层的厚度及Ti层的厚度均小于6微米。

所述TiN层内添加有Al元素及Zr元素。

本发明所述的航空发动机压气机叶片抗沙尘冲蚀复合涂层的制备方法包括以下步骤：

1)对待处理的航空发动机压气机叶片基体进行清洗；

2)对清洗后的待处理的航空发动机压气机叶片基体表面进行喷丸，形成喷丸影响层；

3)对步骤2)得到的喷丸影响层进行振动抛光；