真空離子鍍技術(shù)及在航空制造中的應(yīng)用

郝江華++周雁文++魏江濤

【摘 要】真空離子鍍膜是指基體在真空環(huán)境中氣相物理沉積獲得鍍層的表面處理技術(shù)，也是目前真空鍍膜技術(shù)中最新、最先進的表面工程技術(shù)之一。在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生廢水、廢氣、廢渣等環(huán)境污染物，是一種較為環(huán)保、綠色的表面處理工藝[1]。鍍層具有結(jié)合強度高，膜層致密，耐久性好，膜層硬度高，耐磨性高、耐蝕性好等良好性能，在航空制造中廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】真空離子鍍 氫脆 鎘脆

真空離子鍍是在真空環(huán)境下，蒸發(fā)物質(zhì)的分子被電子碰撞電離后以離子的形式沉積在固體零件表面，這種技術(shù)是D.麥托克斯于1963年提出的，我國自1985年開始先后引進美國產(chǎn)的多弧小功率和俄國產(chǎn)的單弧大功率鍍膜設(shè)備10多臺，用于生產(chǎn)和科研；主要由真空室、真空泵、加熱蒸發(fā)系統(tǒng)、送料系統(tǒng)、氣體供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、零件夾具、陽極及陰極等裝置組成。在航空制造中，已率先應(yīng)用于渦輪葉片鍍NiCrAlY涂層、壓氣機葉片鍍TiN涂層、關(guān)重要的連接件及緊固件鍍鋁等工藝。

1 真空離子鍍原理

真空離子鍍是在1.3×10-10～10-6Pa的真空度環(huán)境下，在工件加上偏電壓或脈沖偏壓電源，將零件及零件夾具作為陽極，蒸發(fā)物質(zhì)作為陰極，引燃蒸發(fā)源（陰極）與陽極之間形成自持弧光放電，從蒸發(fā)源蒸發(fā)的分子通過等離子區(qū)時發(fā)生電離，由于電流局部集中，產(chǎn)生的焦耳熱使陰極材料局部爆發(fā)性地等離子化，在工作偏壓的作用下與反應(yīng)氣體化合，而沉積在工件表面上形成被鍍的膜。

2 真空離子鍍的鍍層性能

2.1 技術(shù)簡介

該技術(shù)是在真空環(huán)境下使鍍層物質(zhì)在電場的作用下，形成原子或離子，并以原子或離子束是形式高速轟擊陽極工件表面，與此同時，向真空室內(nèi)通入冷卻或反應(yīng)氣體，即可在工件表面形成具有優(yōu)良性能的鍍層。目前該工藝的陰極靶材一般采用Ti、Cr、Zr、Al等金屬，常用反應(yīng)氣體為氮氣和碳氫化合物氣體，獲得的鍍層有Al、Cr、TiN、CrN、ZrN等金屬及復(fù)合鍍層，并且鍍層優(yōu)良。

2.2 該工藝及鍍層具有以下優(yōu)點及性能

（1）該工藝在生產(chǎn)過程中不使用酸、堿、重金屬鹽等化學(xué)物質(zhì)，不產(chǎn)生廢水、廢氣、廢渣等污染物，對環(huán)境無污染；

（2）該工藝鍍層無需進行電化學(xué)的氧化還原反應(yīng)，工藝過程也無需使用酸、堿等化學(xué)物質(zhì)，使得真空離子鍍過程不產(chǎn)生滲氫、析氫的現(xiàn)象，杜絕了零件表面處理過程中產(chǎn)生的氫脆斷裂現(xiàn)象；

（3）該工藝鍍層沉積速度較快，節(jié)約電、水等資源；

（4）可獲得高硬度的鍍層，鍍層摩擦系數(shù)小，耐磨性高；

（5）鍍層化學(xué)穩(wěn)定性好，抗高溫氧化，耐蝕性好；

（6）鍍層與基材結(jié)合力高，其結(jié)合力要高于傳統(tǒng)的磁控濺射、真空烝鍍等涂層，鍍層不易剝落。

3 真空離子鍍技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用

3.1 真空離子鍍技術(shù)在航空制造刀具上的應(yīng)用

航空制造刀具是航空制造中用于切削加工金屬及非金屬的工具，要求具有很高的高溫硬度和耐磨性，必要的抗彎強度、沖擊韌性和好的耐蝕性。利用離子鍍膜技術(shù)在齒輪刀具、鉆頭等大多數(shù)高速鋼刀具基體表面上沉積幾個微米的高硬度、高耐磨性的難熔金屬或非金屬化合物涂層，使刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦系數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性。而且，涂層材料作為化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學(xué)反應(yīng)，使刀具的壽命提高3～5倍以上，切削速度提高20%～70%，加工精度提高0.5～1級。最常用的涂層是采用真空離子鍍TiN，經(jīng)過鍍TiN以后的高速鋼刀具比沒有涂層的高速鋼刀具硬度提高了2～3倍，鍍TiN后的高速鋼刀具的摩擦系數(shù)大大降低，耐磨性大大提高，應(yīng)用溫度達到600℃，適于加工鋼材或切削易于粘在前刀面上的材料，目前國內(nèi)外的刀具公司廣泛應(yīng)用。

3.2 真空離子鍍技術(shù)在飛機起落架上的應(yīng)用

起落架是飛機起飛、著陸系統(tǒng)，是飛機上的關(guān)鍵受力部件，要承受很大的載荷和強烈的沖擊，直接關(guān)系到飛機和乘員的安全。目前國內(nèi)外主要采用低合金超高強鋼作為起落架用材料，飛機起落架傳統(tǒng)防護技術(shù)主要采用低氫脆鍍鎘工藝，但超高強度鋼的析氫能力較強，易產(chǎn)生氫脆；而且會有鎘脆產(chǎn)生；在上世紀(jì)90年代，麥道公司就采用真空離子鍍技術(shù)在飛機起落架零件上進行鍍鋁，不但耐蝕性較高，而且無氫脆、鎘脆等現(xiàn)象產(chǎn)生，并得到廣泛應(yīng)用。

3.3 真空離子鍍技術(shù)在飛機發(fā)動機上的應(yīng)用

真空離子鍍膜層具有沉積速率高、附著力好、膜層致密、易于控制、適應(yīng)性寬、無環(huán)境污染等特點。20世紀(jì)70年代已廣泛在發(fā)動機渦輪葉片、發(fā)動機轉(zhuǎn)軸等關(guān)重要件上沉積NiCrAIY、AISiY、TiN等涂層，用于發(fā)動機渦輪葉片的防護；解決了航空發(fā)動機、壓氣機鈦合金葉片材料在較高溫度下表面抗磨損、抗腐蝕、抗氧化、抗粘著性能，及解決復(fù)雜工件的防護等問題[2]。這種航空發(fā)動機渦輪葉片上的多金屬元素高溫防護涂層，工作環(huán)境溫度約900-1100℃，極大地提高了航空發(fā)動機渦輪葉片的抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能，提高了葉片的工作可靠性，延長了葉片的使用壽命[2、3]。

4 結(jié)語

本文通過對真空離子鍍技術(shù)及原理的論述及說明，該工藝主要工序脫離了水環(huán)境，杜絕了氫脆、鎘脆等現(xiàn)象，最大限度地利用原料，減少廢物的生成，減少環(huán)境的污染。并獲得附著牢固、組織結(jié)構(gòu)致密、抗高溫氧化和抗熱腐蝕性能良好的鍍層，不僅有效地起到提高發(fā)動機、壓氣機葉片、渦輪葉片的可靠性和使用壽命的作用，同時還可應(yīng)用于飛機起落架輪軸、拉桿等關(guān)鍵件的防護處理，以提高航空制造水平及飛機產(chǎn)品質(zhì)量和性能。

參考文獻：

[1]Lim S，Wang F H.Effects of nitrogen partial pressure and pulse bias voltage on（Ti、Al）N coatings by arc ion plating[J].surface and coatings technology，2003，167（2）：197-202.

[2]徐勁松.真空電弧等離子放電技術(shù)及其在航空材料領(lǐng)域的應(yīng)用[J].航空材料技術(shù)，2005，（1）：36-37.

[3]科洛梅采夫лт，馬志春.耐熱涂層[M].北京：國防工業(yè)出版社，1988.7（1）.