汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽銑刀表面TiCN多層復(fù)合涂層制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬加工刀具涂層，具體涉及一種用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽加工用的樅樹(shù)型銑刀表面TiCN多層復(fù)合涂層制備工藝，該多層復(fù)合涂層采用的是TiN和TiCN的交替涂層形式。
【背景技術(shù)】
[0002]轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)生產(chǎn)中難度最高、周期最長(zhǎng)、價(jià)格最貴的核心部件之一，其樅樹(shù)型輪槽形狀復(fù)雜、尺寸精度高，而且轉(zhuǎn)子目前常用新型材料26NiCrMovl45，該材料韌性好，但導(dǎo)熱性差，加工硬化較嚴(yán)重，所以加工轉(zhuǎn)子樅樹(shù)型輪槽時(shí)切削熱大，排肩差，切削溫度高，輪槽刀具磨損嚴(yán)重，刀具壽命低，影響轉(zhuǎn)子加工效率和質(zhì)量。對(duì)于輪槽銑刀，老舊刀具涂層工藝制備方法已不能滿足新型轉(zhuǎn)子材料的加工要求。解決轉(zhuǎn)子加工刀具的有效方法是采用先進(jìn)的納米多層復(fù)合涂層技術(shù)，新型涂層應(yīng)具有更高的硬度、耐磨性、高溫穩(wěn)定性、高的結(jié)合強(qiáng)度與抗粘附性，提高加工26NiCrMovl45材料的涂層刀具的綜合性能和使用壽命。
[0003]元素?fù)诫s成為當(dāng)前涂層技術(shù)研究熱點(diǎn)，通過(guò)摻雜第三元素可以顯著提高刀具涂層性能。TiN屬于間隙相，可對(duì)其添加金屬或者非金屬元素形成三元涂層，TiCN涂層相比較于TiN涂層具有更高的強(qiáng)度、硬度。單一的涂層雖然也具有高的硬度和良好的抗腐蝕性，但是在較高溫度下還是容易被氧化而失去原有性能。采用多層復(fù)合涂層技術(shù)，不僅可以獲得單一涂層所具有的性能，而且使涂層的綜合性能得到很大程度的提高。多層結(jié)構(gòu)緩和涂層的本征應(yīng)力，且與刀具基體的結(jié)合力也顯著提高。采用先進(jìn)的TiCN納米多層復(fù)合涂層技術(shù)可以有效解決26NiCrMovl45材料轉(zhuǎn)子加工難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了提高刀具的使用壽命，保證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子加工精度，本發(fā)明提供一種汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽銑刀表面TiCN多層復(fù)合涂層制備工藝。該工藝提供一套嚴(yán)格的涂層刀具前處理與后處理方案，前處理有效提高涂層與刀具基體的結(jié)合力，解決涂層易剝落等技術(shù)問(wèn)題，后處理通過(guò)對(duì)涂層表面去液滴等工藝可有效提高加工精度與表面加工質(zhì)量，使輪槽銑刀表面有更高的硬度、耐磨性和高溫穩(wěn)定性。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽銑刀表面TiCN多層復(fù)合涂層制備工藝，包括以下步驟:
(O刀具基體表面預(yù)處理:用無(wú)水酒精及噴砂對(duì)刀具基體表面進(jìn)行除油、去毛刺、清除氧化物處理，粗化基體表面，提高膜基結(jié)合力；
(2)清洗:將預(yù)處理后的刀具再用無(wú)水酒精進(jìn)行清洗并吹干，并將清洗后的刀具基體裝夾送入超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行超聲波清洗；
(3)裝夾及載入刀具基體:將超聲波清洗后并烘干的刀具裝夾在噴涂架上，并載入噴涂爐腔內(nèi)；
(4)多層復(fù)合涂層制備: a.將預(yù)處理后的刀具基體均勻地固定在帶有自傳和公轉(zhuǎn)功能的旋轉(zhuǎn)噴膜架錐形套內(nèi)，噴膜架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為3轉(zhuǎn)/分鐘；將噴涂爐腔抽成真空，加熱至450°C，加熱時(shí)間為100分鐘，通入氬氣，當(dāng)真空度達(dá)到5.0X 10 3HiBar時(shí)，設(shè)置偏壓為800V，清潔刀具基體，清潔時(shí)間為12分鐘；
b.Ti靶通電，通電電流為180A，向噴涂爐腔中通入氮?dú)馀c乙炔氣體，保持真空度為9.0X10 3mBar，設(shè)置偏壓為150V，通過(guò)調(diào)節(jié)氮?dú)夂鸵胰驳牧髁?，濺射Ti靶，制備TiN和TiCN交替涂層，TiN為打底層，最外層為T(mén)iCN，沉積時(shí)間為85分鐘，制備50層的多層結(jié)構(gòu)；結(jié)束涂層后，待爐溫冷卻至150-200°C后取出刀具，冷卻至常溫；
(5)后處理:將冷卻至室溫的涂層刀具再進(jìn)行噴砂處理，用于去除涂層過(guò)程中產(chǎn)生的液滴，并起到表面強(qiáng)化作用。
[0006]所述步驟(I)包括以下步驟:
a.將刀具基體完全浸入無(wú)水酒精中，利用人工對(duì)表面進(jìn)行除油除雜清洗；
b.將酒精清洗后并蒸發(fā)干燥的刀具基體放入噴砂設(shè)備中，使得噴嘴與刀具基體的距離為100?200mm，噴射方向與刀具基體表面法線方向間夾角為20°?30° ;
所述步驟(2)包括以下步驟:
a.將刀具基體完全浸入無(wú)水酒精中，利用人工對(duì)表面進(jìn)行除油除雜清洗；
b.將超聲波清洗機(jī)的各個(gè)裝有清洗液的水腔預(yù)加熱至60°C，并將酒精清洗后的刀具基體裝夾，送入超聲波清洗機(jī)的爐腔內(nèi)清洗，清洗時(shí)間為35分鐘；
c.清洗完成后，隨爐烘干、冷卻，取出刀具基體。
[0007]所述步驟(5)中將冷卻至室溫的涂層刀具再進(jìn)行噴砂處理具體方法是:將涂層后的刀具基體裝夾于噴砂機(jī)的旋轉(zhuǎn)架上，設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度為3轉(zhuǎn)/分鐘，噴砂時(shí)間為10分鐘，啟動(dòng)程序進(jìn)行噴砂。
[0008]本發(fā)明得到的涂層刀具的有益效果是:本發(fā)明得到的TiCN多層復(fù)合涂層厚度為單面4-5微米，刀具涂層表面的摩擦系數(shù)不大于0.25，涂層的耐熱及抗高溫氧化溫度大于6000C，涂層的表面硬度為HV3500，與以往涂層相比，刀具的綜合性能得到提高，壽命大大延長(zhǎng)。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽半精加工輪槽表面形狀示意圖；
圖2是本發(fā)明的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽銑刀復(fù)合多層刀具涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本發(fā)明所采用的涂層制備工藝技術(shù)方案是:依據(jù)轉(zhuǎn)子材料、刀具材料、切削加工方式、刀具幾何形狀(圖1)、切削加工要求等進(jìn)行涂層設(shè)計(jì)，包括涂層成份、涂層結(jié)構(gòu)、涂層工藝。該涂層采用多層結(jié)構(gòu)，以TiN和TiCN做為交替涂層，在輪槽銑刀表面制備層數(shù)為50的TiN涂層I和TiCN涂層2的交替涂層(圖2)，TiN為打底層，最外層是TiCN。采用陰極電弧技術(shù)沉積TiN/TiCN多層復(fù)合涂層，沉積溫度低，對(duì)刀具基體3沒(méi)有損傷，制備的涂層熱應(yīng)力小，表面均勻致密，光潔度好。采用TiN作為打底層和中間過(guò)渡層，緩和涂層生長(zhǎng)的本征應(yīng)力，使涂層與刀具基體結(jié)合程度提高，避免涂層脫落。
[0011]本發(fā)明所采用的涂層工藝技術(shù)方案對(duì)刀具基體進(jìn)行嚴(yán)格的涂層前處理，并對(duì)涂層后的刀具進(jìn)行了相應(yīng)的后處理。采用先進(jìn)的噴砂設(shè)備，可徹底清除刀具表面的油脂、污垢、氧化皮、銹、腐蝕物、氧化物和其他雜質(zhì)，可有效提高涂層與刀具基體表面的附著力。對(duì)涂層后的刀具進(jìn)行噴砂處理，可去除刀具涂層后表面產(chǎn)生的液滴現(xiàn)象，還可對(duì)刀具表面起到強(qiáng)化作用。
[0012]本發(fā)明所采用的涂層制備工藝方案主要步驟有:
(O刀具基體表面的預(yù)處理:利用無(wú)水酒精及噴砂對(duì)刀具基體表面進(jìn)行除油、去毛刺、清除氧化物處理，粗化基體表面，提高膜基結(jié)合力；
(2)清洗:將預(yù)處理后的刀具再次利用無(wú)水酒精進(jìn)行清洗并吹干，并將清洗后的刀具基體進(jìn)行裝夾送入超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行超聲波清洗；
(3)裝夾及載入刀具基體:將超聲波清洗后并已烘干的刀具裝夾在噴涂架上，并載入噴涂爐腔內(nèi)；
(4)多層復(fù)合涂層的制備:關(guān)閉爐腔門(mén)，啟動(dòng)程序，開(kāi)始制備復(fù)合多層涂層。
[0013](5)冷卻出爐:涂層程序完成后，基體在真空下隨爐冷卻至120°C，然后出爐空冷至室溫；
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