[發明專利]一種汽輪機葉片的TiSi基納米復合多層耐水蝕薄膜及其應用

在審

• 申請號: 202011534588.0
• 申請日: 2020-12-23
• 公開（公告）號: CN112853280A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 郭巖;宋玉;楊文濤;徐勃;沈城;聶海軍;田樹高;祖平文
• 申請（專利權）人: 華電電力科學研究院有限公司
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/02;C23C14/06;C23C14/16;C23C14/50;C23C14/54
• 代理公司: 杭州天欣專利事務所(普通合伙) 33209
• 代理人: 張狄峰

本發明公開了一種汽輪機葉片的TiSi基納米復合多層耐水蝕薄膜及其應用，包括依次沉積于汽輪機葉片表面的金屬Cr底層、TiSi過渡層、TiSiN耐氧化過渡層及TiCrSiCN耐水蝕薄膜層；TiCrSiCN耐水蝕薄膜層為Ti(CN)和CrN納米晶與Si₃N₄和C非晶相的納米復合結構。清洗汽輪機葉片的表面，再將汽輪機葉片放置到真空腔室內的旋轉裝置上進行旋轉，并進行等離子體清洗，然后再在汽輪機葉片表面采用多弧離子鍍物理氣相沉積法，依次沉積金屬Cr底層、TiSi過渡層、TiSiN耐氧化過渡層及TiCrSiCN耐水蝕薄膜層，完成汽輪機葉片的TiSi基納米復合多層耐水蝕薄膜制備，操作簡單、成本低、綠色環保。

技術領域

本發明涉及材料表面強化、防腐防磨領域，具體為一種汽輪機葉片的TiSi基納米復合多層耐水蝕薄膜及其應用。

背景技術

作為汽輪機關鍵部件的葉片在服役工況下經受苛刻的腐蝕和磨損。葉片易發生水蝕、沖蝕磨損，進而誘發裂紋，發生疲勞破壞。常用的汽輪機部件表面防護（或改性）技術主要有擴散處理和表面涂覆層技術。擴散處理是通過改變部件表面的化學成分、滲入或注入某些元素，也可同時附加熱處理手段，使表面得以改性，實現耐水蝕、汽蝕、沖蝕磨損，如滲碳、滲氮、滲硼等。表面涂覆層技術是在材料表面鍍、涂或用各種物理、化學方法覆蓋一層強化層，通常使用的有鍍層、堆焊、噴涂、熔覆等。汽輪機尤其是超臨界以上汽輪機葉片經常會受到水蝕、汽蝕、固體顆粒沖蝕損傷。國內外大多采用較高硬度的表面滲硼層、離子復合鍍膜和熱噴涂層等有效抵抗水蝕和固體顆粒沖蝕。滲硼層太薄是其主要缺陷，滲硼工藝需進一步提高。電弧噴涂、超音速火焰噴涂和等離子噴涂層的噴涂過程涉及的步驟多、控制環節多，尤其防腐領域，還需要噴涂封孔劑，顯著增加施工量；尤其等離子噴涂的設備較昂貴，靈活性較差，而且高合金粉末材料成本也高，使其工藝的應用受到一定限制。

PVD離子鍍膜具備如下優點：鍍膜中入射粒子能量高、硬質薄膜的致密度高，可采用多個電弧的蒸發源，提高沉積速率，基材與硬質薄膜界面產生原子擴散構成的過渡層可改善界面性能，降低內應力，膜/基結合強度高，鍍膜過程無環境污染。借助大型工業化PVD離子鍍設備，采用多元多層和元素梯度化設計，薄膜中各層的成分及性能是逐漸變化的，可增強薄膜與基材的相互匹配，可大大提高薄膜與基體之間的結合強度。多個膜層的界面有效限制柱狀晶的生長，而且阻礙位錯的運動，改變裂紋的發展方向，提高薄膜的硬度和韌性。相比于單層薄膜，多元多層硬質膜具有更優異的綜合性能。

因此研發一種汽輪機葉片表面的納米復合結構多層耐水蝕薄膜材料及其應用，以提高汽輪機葉片的使用壽命具有重大意義。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的上述不足，而提供一種汽輪機葉片的TiSi基納米復合多層耐水蝕薄膜及其應用，操作簡單，成本低，并且綠色環保、無污染廢水廢氣產生。

本發明解決上述問題所采用的技術方案是：一種汽輪機葉片的TiSi基納米復合多層耐水蝕薄膜，其特征在于，包括依次沉積于汽輪機葉片表面的金屬Cr底層、TiSi過渡層、TiSiN耐氧化過渡層及TiCrSiCN耐水蝕薄膜層；所述TiCrSiCN耐水蝕薄膜層為Ti(CN)和CrN納米晶與Si₃N₄和C非晶相的納米復合結構。

進一步的，所述TiSi過渡層由Ti元素及Si元素組成。

進一步的，所述TiSiN耐氧化過渡層由Ti元素、Si元素及N元素組成。

進一步的，所述TiCrSiCN耐水蝕薄膜層由Ti元素、Si元素、Cr元素、C元素及N元素組成。

進一步的，金屬Cr底層的厚度為0.3μm，TiSi過渡層的厚度為0.5μm，TiSiN耐氧化過渡層的厚度為2μm，TiCrSiCN耐水蝕薄膜層的厚度為10μm。