真空離子鍍技術及在航空制造中的應用

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境中氣相物理沉積獲得鍍層的表面處理技術，也是目前真空鍍膜技術中最新、最先進的表面工程技術之一。在生產過程中不產生廢水、廢氣、廢渣等環境污染物，是一種較為環保、綠色的表面處理工藝[1]。鍍層具有結合強度高，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用。

【關鍵詞】真空離子鍍 氫脆 鎘脆

真空離子鍍是在真空環境下，蒸發物質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的多弧小功率和俄國產的單弧大功率鍍膜設備10多臺，用于生產和科研；主要由真空室、真空泵、加熱蒸發系統、送料系統、氣體供應系統、冷卻系統、控制系統、零件夾具、陽極及陰極等裝置組成。在航空制造中，已率先應用于渦輪葉片鍍NiCrAlY涂層、壓氣機葉片鍍TiN涂層、關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，蒸發物質作為陰極，引燃蒸發源（陰極）與陽極之間形成自持弧光放電，從蒸發源蒸發的分子通過等離子區時發生電離，由于電流局部集中，產生的焦耳熱使陰極材料局部爆發性地等離子化，在工作偏壓的作用下與反應氣體化合，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 技術簡介

該技術是在真空環境下使鍍層物質在電場的作用下，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，向真空室內通入冷卻或反應氣體，即可在工件表面形成具有優良性能的鍍層。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等金屬及復合鍍層，并且鍍層優良。

2.2 該工藝及鍍層具有以下優點及性能

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

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

（3）該工藝鍍層沉積速度較快，節約電、水等資源；

（4）可獲得高硬度的鍍層，鍍層摩擦系數小，耐磨性高；

（5）鍍層化學穩定性好，抗高溫氧化，耐蝕性好；

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

3 真空離子鍍技術在航空制造中的應用

3.1 真空離子鍍技術在航空制造刀具上的應用

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。利用離子鍍膜技術在齒輪刀具、鉆頭等大多數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、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦系數小和熱導率低等特性。而且，涂層材料作為化學屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，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大大降低，耐磨性大大提高，應用溫度達到600℃，適于加工鋼材或切削易于粘在前刀面上的材料，目前國內外的刀具公司廣泛應用。

3.2 真空離子鍍技術在飛機起落架上的應用

起落架是飛機起飛、著陸系統，是飛機上的關鍵受力部件，要承受很大的載荷和強烈的沖擊，直接關系到飛機和乘員的安全。目前國內外主要采用低合金超高強鋼作為起落架用材料，飛機起落架傳統防護技術主要采用低氫脆鍍鎘工藝，但超高強度鋼的析氫能力較強，易產生氫脆；而且會有鎘脆產生；在上世紀90年代，麥道公司就采用真空離子鍍技術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、鎘脆等現象產生，并得到廣泛應用。

3.3 真空離子鍍技術在飛機發動機上的應用

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、適應性寬、無環境污染等特點。20世紀70年代已廣泛在發動機渦輪葉片、發動機轉軸等關重要件上沉積NiCrAIY、AISiY、TiN等涂層，用于發動機渦輪葉片的防護；解決了航空發動機、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，及解決復雜工件的防護等問題[2]。這種航空發動機渦輪葉片上的多金屬元素高溫防護涂層，工作環境溫度約900-1100℃，極大地提高了航空發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 結語

本文通過對真空離子鍍技術及原理的論述及說明，該工藝主要工序脫離了水環境，杜絕了氫脆、鎘脆等現象，最大限度地利用原料，減少廢物的生成，減少環境的污染。并獲得附著牢固、組織結構致密、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，同時還可應用于飛機起落架輪軸、拉桿等關鍵件的防護處理，以提高航空制造水平及飛機產品質量和性能。

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及其在航空材料領域的應用[J].航空材料技術，2005，（1）：36-37.

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