TA7钛合金离子渗氮与PVD涂敷TiN涂层工艺对比研究

TA7钛合金离子渗氮与 PVD涂敷 TiN涂层工艺对比研究

江帆

海装广州局驻贵阳地区军事代表室，贵州，贵阳，550081

摘要：在某型发动机研制过程中，为了强化TA7钛合金表面耐磨性，及解决TA7钛合金离子氮化变形控制问题，我们进行了钛合金离子氮化及PVD涂敷TiN涂层工艺对比分析研究。通过在某型机不同零件及不同试验条件下的对比分析，证明了 PVD涂覆TiN涂层工艺能够满足航空发动机钛合金表面耐磨要求。

关键词：TA7钛合金；PVD涂敷TiN涂层；钛合金离子氮化

前言

在强化TA7钛合金表面耐磨性方面，某型发动机研制主要经历了PVD涂敷TiN涂层--钛合金离子氮化--PVD涂敷TiN涂层三个阶段。早期，由于国内钛合金离子氮化方面还处于空白，无法满足某型发动机的研制要求，因此我们采用在TA7钛合金表面PVD涂敷TiN涂层的方法来代替钛合金离子氮化工艺。

1 研究背景

在早期研究中，采用PVD涂敷的零件为某型发动机1号轴承座、1号轴承衬套、1号轴承支架三个件号。该型发动机中的两台就是采用的PVD涂敷TiN涂层方法制备零件。根据与采用此项涂层技术的其他型号发动机对照的结果，我们在其他5个件号的表面增加了真空渗氮的要求，此时离子氮化的零件号增加到8个件号，分别为2号轴承座、3号轴承座、1号支架、1号轴承衬套、2号轴承衬套、3号轴承衬套、4号轴承衬套、1号轴承支架。我们进行了钛合金真空离子氮化的技术攻关，并进行渗氮零件的生产。但是，到现在为止还未找到合适的方法解决零件的氮化变形控制问题，也没有相应的检验标准可以借鉴。

为了解决TA7钛合金离子氮化变形控制问题，我们针对离子氮化后尺寸变形最大的3号轴承座（最大变形0.158mm），开展了PVD涂覆TiN涂层工艺试验，及TA7合金离子渗氮与PVD涂敷TiN涂层工艺对比分析研究。为进一步验证用PVD涂覆TiN涂层代替发动机中央传动装置中2号轴承座和3号轴承座的真空渗氮处理的可行性，通过工艺对比分析，决定对其他几台同型号发动机的中央传动装置的2号轴承座和3号轴承座进行PVD涂敷TiN。

2 钛合金PVD涂敷TiN涂层及钛合金离子氮化工艺对比分析

2.1 钛合金PVD涂敷TiN涂层工艺

物理气相沉积（PVD涂敷）TiN涂层作为一种高硬度、高粘着强度、低摩擦系数、抗腐蚀性好的表面强化技术，已广泛应用于各个领域。目前在某型飞机摩擦片及波音客机发动机零件上均已使用。钛合金PVD涂敷TiN涂层是在专用的涂敷设备中进行，零件为阴极，Ti靶作为阳极，气体为纯N₂。钛合金PVD涂镀工艺为：温度：400-480℃，涂镀时间为：3.5-4h,设备为TiN专用涂镀设备。

前期我们已经开展了的PVD涂敷替代TA7钛合金氮化的工艺试验研究，结果表明：在设计图纸要求的TA7钛合金零件氮化面上涂镀TiN涂层，涂层硬度达到了渗氮层的硬度水平，在不同摩擦副和不同载荷下PVD涂镀TiN涂层的TA7钛合金试件经过200h的磨损试验后，TiN涂层保持完好，未产生裂纹、剥落现象，磨损量远低于返修要求，说明TiN涂层的结合力较好，能够满足设计图纸要求。

2.2 钛合金离子氮化工艺

离子渗氮是钛合金零件表面强化的一种重要手段，主要是利用辉光放电原理进行的。离子渗氮是在充以含氮气体的低真空炉体内把金属工件作为阴极，炉体为阳极进行的。通电后氮离子在电场的作用下以高速向工件表面轰击，加热零件表面至所需温度，同时经过吸附和扩散作用，氮离子渗入工件表面形成冶金结合。钛合金零件经离子氮化处理后，可显著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲劳强度、抗蚀能力及抗烧伤性等。

钛合金离子氮化工艺为：850℃～900℃，保温时间为17h，入炉到出炉总时长28h，设备为小型LD-20离子脉冲渗氮炉。

TA7钛合金进行离子氮化后，通过X射线衍射谱得到的物相分析结果表明：离子渗氮获得的渗氮层的相组成复杂，由ε相（Ti₂N）、ε′相（TiN）及大量的合金氮化物如Mo₂N等组成。并且在离子氮化时，表面首先形成的是硬度较低的Ti₂N,随着时间的延长和氮势的增加，才逐步形成金黄色的TiN。钛合金离子渗氮工艺在国内航空发动机上应用极少，前期也已经就钛合金离子渗氮工艺开展了技术研究，但是目前为止还没有找到合适的方法来解决离子渗氮后的变形控制问题。

综合分析来看，PVD涂敷及离子氮化均是通过冶金结合对钛合金表面进行强化的有效手段，但由于离子氮化的过程中会形成Ti₂N及其它合金氮化物，因此硬度低于PVD涂敷的TiN涂层。且PVD涂敷的温度更低，时间更短，对基体材料性能及材料变形的影响均小于钛合金离子氮化零件。

3 PVD涂敷TiN涂层及离子氮化层性能对比分析

钛合金PVD涂敷TiN涂层主要是以物理气相沉积的方法将TiN沉积在零件表面，在零件与涂层接触面发生扩散，进而形成冶金结合。因此涂敷后的零件表面组织为均匀的TiN涂层，零件表面硬度均匀，TiN涂层硬度HV0.3 =1500～2300，结合力Ⅰ级，涂层厚度为0.002～0.005mm。

渗氮层的形成则是氮原子由钛合金表面向内部扩散的结果，因此钛合金离子氮化渗层金相组织是以TiN（ε′相）和Ti₂N（ε相）为主的，钛合金离子氮化零件表面硬度均匀性低于PVD涂敷TiN涂层零件。渗氮层表面硬度HV0.3=1000～1050，有效渗氮层深度不小于0.05mm，渗氮层表面表面脆性为I级。

4 钛合金PVD涂敷TiN涂层工艺研究

4.1 试验方案

试验选取了2件加工到成品尺寸的1号支架进行PVD涂敷（随炉带试片及试验件以供检验），涂镀工艺为：温度：400～420℃，涂镀时间为：3.5～4h,设备为TiN专用涂镀设备。经过TiN涂镀的1号支架模拟件见图1。

图1 1号支架PVD涂敷TiN零件

4.2 1号支架PVD涂敷TiN涂层涂层性能测试

试验后对经过TiN涂镀的1号支架涂层的性能进行了测试，试验涂层检测报告见表1：

表1 试验涂层检测报告

由表1可以看出，PVD涂敷后的TiN涂层各项性能均符合要求。对于试验方提供的检测结果我们进行了复验，但是由于试验条件不足，涂层厚度及结合力无法测量，对随炉试样硬度复验结果见表2。

表2 涂层硬度检测报告

4.3 1号支架PVD涂敷TiN涂层前后零件尺寸对比

对２件1号支架按工艺流程进行加工，并对进行完PVD涂覆的两个零件尺寸及装配尺寸进行测量，测量结果见表3。

表3 1号支架涂敷前后尺寸对比

从表3可以看出，PVD涂覆后零件发生了轻微变形，2件支架的最大尺寸超差分别为0.038和0.018，最小尺寸均符合要求。

4.4 PVD涂敷TiN涂层及离子氮化对1号支架尺寸的影响

前期我们认为渗氮后会使产生零件变形，保证不了跳动技术条件要求。为此对1号支架的渗氮前毛坯做了几种预备方案，以便摸索有关变形情况，经离子氮化后的零件测量结果见表4。

表4 1号支架渗氮毛坯状态及内孔渗氮前后尺寸

从表中尺寸对比分析，无论哪一种状态零件内孔尺寸均有超差，说明都有不同情况的椭圆产生。从渗氮数据看，留余量的半成品变形偏大，而成品零件的变形反而小。通过分析我们认为这主要是4件成品是库存零件，2件半成品是不久前开工的半成品，库存零件在长时间的自然时效后尺寸比较稳定，而半成品由于受加工应力的影响而变形大。但是，从表4数据可以看出，经长时间时效的零件，渗氮后尺寸还是不能保证设计要求，最大变形0.158mm，远远大于PVD涂敷TiN涂层后的变形（最大变形0.038mm）。

将4件成品装配在某型发动机中央传动装置中进行尺寸及跳动技术条件检查，在机床上检查的结果见表5。

表5 1号支架离子氮化后装配尺寸

从表5可以看出，与该渗氮孔相关的尺寸都在局部发生了超差的情况，这主要是1号支架产生了变形所致。

综合以上数据可以看出，该钛合金零件采用渗氮方式进行生产，没有一件产品能满足设计要求。但是，经PVD涂敷后的尺寸变形相对较小，且经热处理消除应力之后，尺寸可得到进一步控制。

5 TA7钛合金渗氮与PVD涂敷TiN涂层零件长试考核情况对比分析

5.1 钛合金PVD涂敷TiN涂层零件不同使用时长情况对比分析

分解经过持久试车试验的2台某型发动机，其中，甲发动机持久试车475h，乙发动机持久试车672h,经核实确定甲发动机（见图2）及乙发动机（见图3）的1号轴承衬套均为PVD涂敷TiN涂层零件。

图2 甲发动机PVD涂敷TiN涂层零件图 图3 乙发动机 PVD涂敷TiN涂层零件图

由图2、图3可以看出：PVD涂敷TiN涂层后的1号轴承衬套经475h及672h长试考核后未见磨损及涂层脱落情况。对试车考核后零件尺寸进行测量并与设计要求的尺寸进行对比分析，结果见表6。

表6 1号轴承衬套零件尺寸分析

从上表可以看出，PVD涂覆后零件经过475h及672h长试后，尺寸仍然符合设计要求。

5.2 钛合金离子氮化零件与PVD涂敷TiN涂层零件长试情况对比分析

分解甲发动机及乙发动机的3号轴承座，经核实确定甲发动机上的3号轴承座为离子氮化零件（见图4），乙发动机上的3号轴承座为PVD涂敷TiN涂层零件（见图5）。

图4 甲发动机离子渗氮零件图 图5 乙发动机 PVD涂敷TiN涂层零件图

由图4和图5可以看出：离子渗氮零件表面仅保留极少量金黄色的TiN，而PVD涂敷TiN涂层零件表面TiN完整，未见脱落及磨损。对甲发动机及乙发动机上的3号轴承座尺寸进行测量，并与设计要求的尺寸进行对比分析，分析结果见表7。

表7 3号轴承座零件尺寸分析

从表7可以看出，PVD涂覆后零件经过672h长试后，尺寸仍然符合设计要求。离子氮化零件475h长试后除一个尺寸偏小，其余尺寸基本符合要求。

6 PVD涂敷TiN涂层在某型机上的使用

我们又对第三台某型发动机的1号支架及2号轴承座进行了PVD涂敷TiN，并进行了工厂试车（339分25秒），试车后的1号支架及2号轴承座见图6、图7。

图6 丙发动机的1号支架 图7 丙发动机的2号轴承座

试车前后零件尺寸见表8：

表8 1号支架及2号轴承座试车前后尺寸分析

从表8可以看出：PVD涂覆后的2号轴承座经过339分钟工厂试车之后尺寸仍然满足要求；1号支架除一个尺寸PVD涂敷后就存在微量变形外，其他尺寸经过工厂试车后仍然符合设计要求。

7 PVD涂敷TiN涂层磨损试验情况

按照1号支架及2号轴承座的实际负荷及工作状况，我们对有TiN涂层钛合金（TA7+TiN涂层）和无TiN涂层钛合金（TA7）的条形试样与ZGCr15材料进行了对比磨损试验，比较钛合金（TA7）及钛合金表面涂敷TiN涂层（TA7+ TiN涂层）材料的耐磨性能。磨损试验后的TA7及TA7+TiN涂层试样见图8。

图8 磨损试样图片（无涂层-左侧，有涂层右侧）

实验结果表明：

钛合金（TA7）在试验过程中摩擦系数比钛合金（TA7）表面涂敷TiN涂层大。

钛合金（TA7）在试验过程中磨损量明显大于钛合金（TA7）表面涂敷TiN涂层。

即：钛合金（TA7）表面涂敷TiN涂层耐磨性明显优于钛合金（TA7）。

八、结论

根据上述的试验研究及工艺对比分析可以得出：

1）通过工艺对比分析可以看出，TA7钛合金PVD涂镀TiN涂层，涂层厚度小于离子氮化深度，涂层硬度则高于离子氮化的硬度，涂敷温度更低、加工周期更短且能降低零件的摩擦系数，有效的提高零件的耐磨性，比离子氮化具有更高的效费比。

2）通过甲发动机和乙发动机的试车考核可以看出，TiN涂层保持完好，未产生裂纹、剥落现象，磨损量远低于返修要求，说明TiN涂层的结合力好，能够满足设计图纸要求。

3）通过1号支架的离子氮化及PVD涂敷TiN涂层工艺对比分析可以看出：不管是离子氮化还是PVD涂镀TiN涂层，均不能满足设计图纸要求的公差尺寸，但PVD涂镀TiN涂层后的尺寸变形要小的多，且可以通过工艺来加以控制。

4）通过1号支架及2号轴承座在丙发动机上的长试结果可以看出，在使用过程中，PVD涂敷TiN涂层能够保证设计的尺寸要求。

5）通过磨损试验结果可以看出，钛合金（TA7）在试验过程中摩擦系数比钛合金（TA7）表面涂敷TiN涂层大，磨损量明显大于钛合金（TA7）表面涂敷TiN涂层。钛合金（TA7）表面涂敷TiN涂层耐磨性明显优于钛合金（TA7）。

因此， PVD涂敷TiN涂层零件可代替钛合金离子氮化零件用于航空发动机零件的耐磨。

作者简介：江帆，男，高级工程师，1975年生，从事航空装备设计和制造行业20年。

邮箱：43019144@qq.com