[发明专利]一种水轮机导叶纳米晶与非晶复合结构多层硬质薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种水轮机导叶纳米晶与非晶复合结构多层硬质薄膜的制备方法，硬质薄膜包括依次沉积于水轮机导叶表面的Cr底层、TiSi过渡层、TiSiN纳米晶与非晶复合结构过渡层、以及耐泥沙冲刷磨损TiSiCN纳米晶与非晶复合结构薄膜层；制备方法如下：清洗水轮机导叶的表面，将水轮机导叶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，在水轮机导叶表面采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积Cr底层、TiSi过渡层、TiSiN纳米晶与非晶复合结构过渡层以及耐泥沙冲刷磨损TiSiCN纳米晶与非晶复合结构薄膜层，得到水轮机导叶的纳米复合多层硬质薄膜。本发明能有效提高水轮机导叶的使用寿命，制备方法简单。

技术领域

本发明涉及材料科学及表面耐磨涂层防护技术领域，特别涉及一种强化水轮机导叶表面的纳米晶与非晶复合结构多层硬质薄膜的制备方法。

背景技术

水轮机过流部件的泥沙冲刷磨损严重导致水力发电设备需要经常更换，浪费大量的人力、物力，同时影响水电站的经济效益。因此，解决水轮机过流部件尤其是水轮机导叶耐泥沙冲刷磨损问题十分紧迫。水轮机作为动力机械在水利发电中具有重要作用，但江河水中环境复杂，存在大量的泥沙，易对水轮机导叶产生冲刷磨损现象。导叶长期浸没在高速旋转的水流中，受到水流中夹杂的泥沙等介质的摩擦切削作用，对水轮机导叶造成严重威胁。冲刷磨损是水轮机导叶的主要损伤形式之一。

在本发明提出之前，我国在水轮机导叶表面防护方面采取的有效方法有电镀、激光表面淬火、氧乙炔火焰喷涂结合重熔工艺、电火花沉积结合焊接增强、等离子熔覆技术等。但这些方法往往存在一些不足，如污染环境、工艺复杂、设备昂贵、生产周期长、成本高等，因此急需开发一种生产效率高且简单可行的方法来增强水轮机导叶的耐泥沙冲刷磨损性能，延长其使用寿命。

PVD离子镀膜具备如下优点：镀膜中入射粒子能量高、硬质薄膜的致密度高，可采用多个电弧的蒸发源，提高沉积速率，基材与硬质薄膜界面产生原子扩散构成的过渡层可改善界面性能，降低内应力，膜/基结合强度高，镀膜过程无环境污染，属于绿色再制造工程技术。借助大型工业化PVD离子镀设备，采用多元多层和成分梯度化设计，薄膜中各层的成分及性能是逐渐变化的，不仅起到增强薄膜与基材的相互匹配，而且还大大提高薄膜与基体之间的结合强度，使薄膜具有良好的冲击韧性，进而提高其耐泥沙冲刷磨损性能。多个膜层的界面不仅有效限制柱状晶的生长，而且阻碍位错的运动，改变裂纹的发展方向，提高薄膜的硬度和韧性。相比于单层薄膜，多元多层硬质膜具有更优异的综合性能。

因此研发一种水轮机导叶表面的纳米晶与非晶复合结构多层硬质薄膜材料以提高其使用寿命具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种水轮机导叶纳米晶与非晶复合结构多层硬质薄膜的制备方法，该纳米晶与非晶复合结构多层硬质薄膜能够有效的提高水轮机导叶的使用寿命，并且制备方法简单。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种水轮机导叶纳米晶与非晶复合结构多层硬质薄膜的制备方法，其特征是，所述水轮机导叶纳米晶与非晶复合结构多层硬质薄膜包括依次沉积于水轮机导叶表面的Cr底层、TiSi过渡层、TiSiN纳米晶与非晶复合结构过渡层、以及耐泥沙冲刷磨损TiSiCN纳米晶与非晶复合结构薄膜层。

Cr底层的厚度为0.5μm，TiSi过渡层的厚度为0.5μm，TiSiN纳米晶与非晶复合结构过渡层的厚度为3μm，耐泥沙冲刷磨损TiSiCN纳米晶与非晶复合结构膜层的厚度为10μm。

本发明所述的水轮机导叶纳米晶与非晶复合结构多层硬质薄膜的制备方法包括以下步骤：

清洗水轮机导叶的表面，再将水轮机导叶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，然后再在水轮机导叶表面采用多弧离子镀物理气相沉积法依次沉积Cr底层、TiSi过渡层、TiSiN纳米晶与非晶复合结构过渡层以及耐泥沙冲刷磨损TiSiCN纳米晶与非晶复合结构薄膜层，得到水轮机导叶的纳米复合多层硬质薄膜。