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        真空離子鍍技術(shù)及在航空制造中的應(yīng)用

        2017-05-27 16:25:14郝江華周雁文魏江濤
        中國科技縱橫 2016年22期
        關(guān)鍵詞:氫脆

        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).

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