[發明專利]一種金屬陶瓷涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201010580583.1
• 申請日: 2010-12-09
• 公開（公告）號: CN102560338A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 朱圣龍;王福會;朱麗娟;王文;辛麗
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;F01D5/28
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 樊南星

技術領域

本發明涉及高溫防護技術，特別提供了一種金屬陶瓷涂層及其制備方法。

背景技術

MCrAlY涂層是較為理想的包覆涂層。由于其具有良好的抗高溫氧化性能和抗熱腐蝕性能，以及很好的韌性和抗熱疲勞強度，被廣泛地應用于航空發動機、燃氣輪機等的渦輪葉片上。MCrAlY涂層的優點在于其成分選擇的多樣性，即可以根據不同的工作環境和不同基體材料選擇合適的涂層成分，不受基體化學成分和微觀結構限制。但是MCrAlY涂層硬度及耐磨性有待于提高。目前MCrAlY涂層的主要制備方法有物理氣相沉積和等離子噴涂。

與MCrAlY涂層相比，氮化物涂層硬度高，并且具有優異的耐磨性。但是氮化物涂層的熱穩定性不高，抗熱裂性能差，因此在高溫防護領域的應用研究較少。近年來，CrN,?CrAlN涂層由于具有很高的硬度和耐磨性，良好的抗高溫氧化性和抗腐蝕性而得到人們的廣泛關注。但是，氮化物涂層的韌性差，氧化后，涂層表面的氧化物在高溫下受到熱循環和機械作用易剝落，加速涂層的失效，因此氮化物涂層與基體的結合強度及其韌性也有待于提高。最近Lin?等利用脈沖非平衡磁控濺射的方法制備了不同Al含量的CrAlN涂層，其表現出較好的高溫性能，降低了AISI304不銹鋼在800^oC的氧化速率。同時研究發現隨著Al含量的增加，CrAlN涂層的抗氧化性逐漸提高，并且Al的加入有效地抑制了高溫環境下涂層中含氮量的減少，使涂層在800^oC經1h退火處理仍維持25Gpa的硬度值。但是，該涂層在高溫下伴隨氧化物的形成會發生分解，僅能提供短期的防護[參見文獻J.?Lin,?et?al.?A?study?of??the?oxidation?behavior?of?CrN?and?CrAlN?thin?films?in?air?using?DSC?and?TGA?analyses?[J].?Surface?&?Coatings?Technology,?202?(2008):?3272-3283.]。

目前，高溫合金的氮化物防護涂層，或因為其韌性差，與基體的結合強度低，結構不致密，或因為熱穩定性不高等問題而不能夠對高溫合金起到有效的腐蝕防護作用，遠達不到工業應用要求。因此，發展具有高抗氧化性、高抗腐蝕性、高熱穩定性、高耐磨性和高韌性的新型的高溫防護涂層，仍是高溫合金防護領域亟待解決的問題。

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發明內容

本發明的目的在于提供一種金屬陶瓷涂層及其制備方法。該金屬陶瓷涂層由金屬相母體和彌散分布納米晶氮化物相顆粒組成。該金屬陶瓷涂層的顯微硬度、耐磨性、抗1000℃高溫氧化性均比MCrAlY涂層(M=Ni,?Co,?或NiCo)提高一倍以上，適用于金屬工件。該制備方法為采用合金為靶材和氮氣為反應氣體的真空物理氣相沉積類型方法，包括但不限于多弧離子鍍、磁控濺射。可通過調整合金靶材成分及真空室溫度、通入的氣體壓力、基體偏壓等控制參數，以獲得滿足硬度、耐磨性、抗氧化性和抗熱腐蝕性等不同要求的涂層。涂層制備工藝簡單，制備后不需要經過真空退火等后續處理，具有較高的生產效率。

本發明一種金屬陶瓷涂層，其特征在于：該金屬陶瓷涂層由金屬相母體和彌散分布納米晶氮化物相顆粒組成；

所述金屬相(b)為含固溶強化合金組元的合金相或者純金屬，當為純金屬時其中包括但不限于Ni；

氮化物相(c)?彌散分布于金屬相(b)中，其中氮化物(c)的體積分數為5～60?%。

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所述金屬陶瓷涂層，其特征在于：氮化物相(c)含至少一種金屬元素；氮化物相(c)晶粒尺寸≤80nm。

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本發明還要求保護金屬陶瓷涂層制備方法，其特征在于：

制備后的成品由金屬相母體和彌散分布納米晶氮化物相顆粒組成；所述金屬相(b)為含固溶強化合金組元的合金相或者純金屬，當為純金屬時其中包括但不限于Ni；氮化物相(c)?彌散分布于金屬相(b)中，其中氮化物(c)的體積分數為5～60?%；

具體使用真空物理氣相沉積類型方法，包括但不限于多弧離子鍍、磁控濺射等；

制備過程包含三個步驟：（1)零件必須置于真空室(e)內，(2)在真空室(e)內通入反應氣體(f)，(3)使靶(g)表面的物質形成氣相(h)。

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所述金屬陶瓷涂層制備方法，其特征在于：

制備過程中，反應氣體(f)必須含氮氣，也可同時通氬氣等其他氣體，通入的反應氣體量應使真空室的氣壓≥0.2Pa；