真空离子镀技术及在航空制造中的应用

【摘 要】真空离子镀膜是指基体在真空环境中气相物理沉积获得镀层的表面处理技术，也是目前真空镀膜技术中最新、最先进的表面工程技术之一。在生产过程中不产生废水、废气、废渣等环境污染物，是一种较为环保、绿色的表面处理工艺[1]。镀层具有结合强度高，膜层致密，耐久性好，膜层硬度高，耐磨性高、耐蚀性好等良好性能，在航空制造中广泛应用。

【关键词】真空离子镀 氢脆 镉脆

真空离子镀是在真空环境下，蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子的形式沉积在固体零件表面，这种技术是D.麦托克斯于1963年提出的，我国自1985年开始先后引进美国产的多弧小功率和俄国产的单弧大功率镀膜设备10多台，用于生产和科研；主要由真空室、真空泵、加热蒸发系统、送料系统、气体供应系统、冷却系统、控制系统、零件夹具、阳极及阴极等装置组成。在航空制造中，已率先应用于涡轮叶片镀NiCrAlY涂层、压气机叶片镀TiN涂层、关重要的连接件及紧固件镀铝等工艺。

1 真空离子镀原理

真空离子镀是在1.3×10-10～10-6Pa的真空度环境下，在工件加上偏电压或脉冲偏压电源，将零件及零件夹具作为阳极，蒸发物质作为阴极，引燃蒸发源（阴极）与阳极之间形成自持弧光放电，从蒸发源蒸发的分子通过等离子区时发生电离，由于电流局部集中，产生的焦耳热使阴极材料局部爆发性地等离子化，在工作偏压的作用下与反应气体化合，而沉积在工件表面上形成被镀的膜。

2 真空离子镀的镀层性能

2.1 技术简介

该技术是在真空环境下使镀层物质在电场的作用下，形成原子或离子，并以原子或离子束是形式高速轰击阳极工件表面，与此同时，向真空室内通入冷却或反应气体，即可在工件表面形成具有优良性能的镀层。目前该工艺的阴极靶材一般采用Ti、Cr、Zr、Al等金属，常用反应气体为氮气和碳氢化合物气体，获得的镀层有Al、Cr、TiN、CrN、ZrN等金属及复合镀层，并且镀层优良。

2.2 该工艺及镀层具有以下优点及性能

（1）该工艺在生产过程中不使用酸、碱、重金属盐等化学物质，不产生废水、废气、废渣等污染物，对环境无污染；

（2）该工艺镀层无需进行电化学的氧化还原反应，工艺过程也无需使用酸、碱等化学物质，使得真空离子镀过程不产生渗氢、析氢的现象，杜绝了零件表面处理过程中产生的氢脆断裂现象；

（3）该工艺镀层沉积速度较快，节约电、水等资源；

（4）可获得高硬度的镀层，镀层摩擦系数小，耐磨性高；

（5）镀层化学稳定性好，抗高温氧化，耐蚀性好；

（6）镀层与基材结合力高，其结合力要高于传统的磁控溅射、真空A镀等涂层，镀层不易剥落。

3 真空离子镀技术在航空制造中的应用

3.1 真空离子镀技术在航空制造刀具上的应用

航空制造刀具是航空制造中用于切削加工金属及非金属的工具，要求具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和好的耐蚀性。利用离子镀膜技术在齿轮刀具、钻头等大多数高速钢刀具基体表面上沉积几个微米的高硬度、高耐磨性的难熔金属或非金属化合物涂层，使刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性。而且，涂层材料作为化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，使刀具的寿命提高3～5倍以上，切削速度提高20%～70%，加工精度提高0.5～1级。最常用的涂层是采用真空离子镀TiN，经过镀TiN以后的高速钢刀具比没有涂层的高速钢刀具硬度提高了2～3倍，镀TiN后的高速钢刀具的摩擦系数大大降低，耐磨性大大提高，应用温度达到600℃，适于加工钢材或切削易于粘在前刀面上的材料，目前国内外的刀具公司广泛应用。

3.2 真空离子镀技术在飞机起落架上的应用

起落架是飞机起飞、着陆系统，是飞机上的关键受力部件，要承受很大的载荷和强烈的冲击，直接关系到飞机和乘员的安全。目前国内外主要采用低合金超高强钢作为起落架用材料，飞机起落架传统防护技术主要采用低氢脆镀镉工艺，但超高强度钢的析氢能力较强，易产生氢脆；而且有镉脆产生；在上世纪90年代，麦道公司就采用真空离子镀技术在飞机起落架零件上进行镀铝，不但耐蚀性较高，而且无氢脆、镉脆等现象产生，并得到广泛应用。

3.3 真空离子镀技术在飞机发动机上的应用

真空离子镀膜层具有沉积速率高、附着力好、膜层致密、易于控制、适应性宽、无环境污染等特点。20世纪70年代已广泛在发动机涡轮叶片、发动机转轴等关重要件上沉积NiCrAIY、AISiY、TiN等涂层，用于发动机涡轮叶片的防护；解决了航空发动机、压气机钛合金叶片材料在较高温度下表面抗磨损、抗腐蚀、抗氧化、抗粘着性能，及解决复杂工件的防护等问题[2]。这种航空发动机涡轮叶片上的多金属元素高温防护涂层，工作环境温度约900-1100℃，极大地提高了航空发动机涡轮叶片的抗高温氧化、抗热腐蚀性能，提高了叶片的工作可靠性，延长了叶片的使用寿命[2、3]。

4 结语

本文通过对真空离子镀技术及原理的论述及说明，该工艺主要工序脱离了水环境，杜绝了氢脆、镉脆等现象，最大限度地利用原料，减少废物的生成，减少环境的污染。并获得附着牢固、组织结构致密、抗高温氧化和抗热腐蚀性能良好的镀层，不仅有效地起到提高发动机、压气机叶片、涡轮叶片的可靠性和使用寿命的作用，同时还可应用机起落架轮轴、拉杆等关键件的防护处理，以提高航空制造水平及飞机产品质量和性能。

参考文献：

[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]徐劲松.真空电弧等离子放电技术及其在航空材料领域的应用[J].航空材料技术，2005，（1）：36-37.

[3]科洛梅采夫лт，马志春.耐热涂层[M].北京：国防工业出版社，1988.7（1）.