航空工程与维修
AVIATION ENGINEERING & MAINTENANCE
1999年　第2期　No.2　1999



　　应用真空离子镀技术镀制的膜层具有耐腐蚀与耐磨损的特点，可用于修复飞机上的高速陀螺马达轴承、卫星零件的表面处理、刀具耐磨膜层及发动机涡轮叶片热障涂层的镀制等。
多弧离子镀技术在航空航天制造维修业中的应用实例
Application of Multi－arc Ion Plating Technology in Aerospace
吴玉广　李荣雪
　　多弧真空离子镀技术作为一种新型的表面强化技术越来越受到人们的重视，尤其是在军工国防工业领域，此技术的应用大大改善了零件表面的性能，从而促进了尖端高科技产品质量的提高或产品技术性能的发展。
用于修复速率陀螺的马达轴承，进行轴承外圆表面的增厚处理
增厚处理工艺的确定
　　某进口飞机所使用的速率陀螺的马达轴承在使用了一段时间后外圆磨损数微米，需定期维护，更换新轴承或者对原轴承的外圆进行增厚处理以达到其尺寸规定的精度要求，否则其工作精度将降低甚至失灵，从而引起事故。
　　更换新轴承需要进口，成本高、周期长，若对原轴承进行外圆增厚处理，则对修复工艺提出较高要求：因为轴承的外圆精度要求很高，增厚处理后的增厚层厚度必须均匀一致，从而保证表面精度不降低，硬度不低于轴承本身的硬度值；增厚层与基体之间结合牢固，不易磨损，增厚层厚度要求只有1微米至数微米不等。常用的表面处理方法如电镀、喷漆、喷塑、热喷涂等均不能满足上述技术要求，如存在边界效应，膜厚不可控，膜层耐磨性差等缺点。经多次实验、检验和测试，用真空多弧离子镀膜技术进行轴承的外圆增厚处理可达到理想的效果，这是因为它所沉积的膜层具有膜厚均匀一致，无边界效应，膜层硬度高，与基体结合牢固，耐磨性及表面光洁度好，沉积厚度可严格控制等优点。
严格控制工艺参数，制定合理工艺
　　.清洗工艺清洗一般不选水溶性清洗剂，防止轴承在清洗过程或装炉前生锈，采用机械除锈提高其表面精度及有机溶剂去污、有机溶剂去油干燥的前处理工艺方法。
　　.严格控制真空室内的温度轴承在进行外圆增厚处理过程中，要求基体温度不超过120℃，而在进行离子镀膜过程中，我们只能监控真空室内的温度，因此首先要找出真空室内温度与基体温度的关系，确定轴承镀膜时真空室内温度的临界值，以保证在镀膜过程中轴承基体的金相组织不发生变化，保证轴承在外圆增厚处理后，轴承基体的机械性能不降低。在实际操作过程中，必须严格控制真空室内温度不超过上述的临界温度，图1所示为真空室内温度与镀膜时间的关系曲线。

图1　镀膜过程中温度与时间的关系
　　.精确控制镀膜时间在其他工艺参数不变的情况下，镀膜厚度与镀膜时间成正比，控制镀膜时间即可控制膜厚，轴承外圆所增厚度要求严格，因此要精确地控制镀膜总时间。同时须说明的是，多弧离子镀可在较低的温度下成膜，但随着镀膜时间的延长，基体温度和真空室内温度都随之升高，因此控制镀膜时间也可控制基体和真空室内的温度，防止超过临界温度而造成轴承报废。
　　.制定合理的操作工艺根据以上各项的要求，制定合理的镀膜工艺，镀出的轴承外圆增厚膜层经测试性能如下：膜层厚度按要求可控制在1～5μm，显微硬度（0.2kg）在742～793N/mm2之间，大体与基体硬度相吻合，外圆精度也完全能满足使用要求。
提高航天用球轴承表面的耐磨性
　　航天动压气浮陀螺马达球轴承所用材料为钛铝合金，轴承球在工作时悬浮而高速运转，要求轴承球及碗的摩擦系数小于0.15，且对球及碗表面耐磨性要求较高，这样它们在长期悬浮高速运转时，磨损才会小，产生的磨屑也较少，由磨屑造成磨合轨道划伤的可能性也就相应减少。动压气浮陀螺马达球轴承的球及碗的表面采用多弧离子镀工艺处理后，可增加球及碗表面的硬度，提高耐磨性。在其表面镀制了2～5μm的TiN膜层后，其表面显微硬度可达HV2700以上，经精研后表面光洁度≤Ra0.033时，表面显微硬度仍能达到HV2100以上。轴承球及碗经离子镀TiN膜后精研，表面不仅耐磨性提高，且摩擦系数降低，大大提高使用寿命。
用于定点通信卫星摄影系统钛合金零件的表面处理
　　我国离子镀黑色氮钛膜工艺在兵器工业上最初是用于轻武器的表面处理，代替传统的氧化或磷化处理工艺。离子镀黑色氮钛膜除具有常见的金黄色TiN膜耐磨损、抗腐蚀、可镀基材种类广泛等优点外，还具有膜层呈黑色、色泽柔和高雅、光吸收率高（可达90％以上）、热稳定性好（在500℃环境下试验，膜层不变色不剥落）、设备简单、工艺恢复性好、适于批量生产等特点，用做军用产品的表面处理工艺十分理想。此工艺已用于部分出口枪械的表面处理。将此工艺用于新一代轻武器的表面处理，简化了传统表面处理工艺，使多种基体材料（如铝、普碳钢、合金钢、电镀件）同一工艺同炉处理，一次完成，无色差，耐磨耐蚀，美观实用。
　　我国第一代特殊用途卫星测量照相机的镜片托架、镜筒、支撑框架、焦面框架等件采用的都是钛合金材料，其表面处理问题一直无法解决，若采用氧化发黑工艺处理，膜层发亮发灰，且容易脱落，也不符合光学系统消除杂散光的要求；若用无光黑漆处理，则系统真空干燥后漆层掉屑将影响系统使用。采用多弧离子镀黑色氮钛膜层工艺处理后，避免了上述的各种问题，满足了产品使用要求。我们对该航天产品返回地面后跟踪检查，未发现任何问题，黑色氮钛膜层无磨损或脱落现象。离子镀黑色氮钛膜在卫星照相机零件上的成功应用，为军用光学仪器特别是有特殊要求的高精度精密仪器和产品的研制和使用创造了良好基础。
机加工所用刀具的多弧离子镀硬质膜
　　刀具上应用离子镀涂层技术可提高刀具表面的耐磨性，延长刀具的使用寿命，提高其切削速度及加工精度，降低制造成本，在国外已普遍应用，我国也正在推广应用该项技术。目前我国的各种进出口刀具大多经过镀膜工艺处理，国产国用刀具经TiN镀膜处理的尚不多见，但已做了大量尝试性的工作，获得很多经验，解决了不少实际难题。
离子镀工艺镀制热障膜层
　　航空发动机涡轮叶片工作条件十分恶劣，长期受到高温、高速燃气流的冲刷，高温燃烧的气体对叶片的烧蚀十分严重。为了提高涡轮叶片的寿命，增强其抗高温烧蚀的能力，需在涡轮叶片表面镀制一层热障膜层。该膜层应具有耐高温、耐烧蚀、与叶片基体结合牢固、抗冷热气流冲击及结构致密、厚度均匀的特点。获得这一热障膜层的方法有很多种，如电镀、等离子喷涂、渗镀、真空镀膜等多种工艺方法，而真空多弧离子镀膜由于其沉积速率快、膜层附着力好、成膜温度范围宽、操作工艺简单、镀膜过程对零件表面精度影响小、对环境无污染等优点而成为优选工艺。用多弧离子镀膜工艺镀制NiCrAlY热障涂层已成功地应用于航空发动机涡轮叶片的表面处理上，经试验及实际应用，取得了满意效果，并逐步应用到多种型号发动机的涡轮叶片的表面处理上。国外用离子镀技术制备了性能更好的优质复合膜层，正研究用于喷气发动机的叶片制造上。
　　除上述几个应用实例外，多弧离子镀技术在航空测试用仪器的主轴、航空仪表、各种零件等方面也都有使用。
结论
　　多弧离子镀工艺是一项新的表面处理技术，由于离子镀膜层所具有的优点越来越受到人们的重视。通过几年的推广，已在航空航天工业的多类零部件如轴承、摄影器件、机加工刀具、涡轮叶片上应用，效果令人满意。

镀膜处理后的部分刀具
作者单位:吴玉广　中国兵器工业新技术推广研究所；李荣雪　北京市机械工业学校
