[發明專利]多弧離子鍍鋁+加弧輝光滲鈮+反沖離子注入制備Fe?Al?Nb合金層

有效

• 申請號: 201510475681.1
• 申請日: 2015-08-05
• 公開（公告）號: CN105177518B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 姚正軍;張澤磊;張平則;周克印;羅西希;陳煜;李中
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C23C14/48
• 分類號: C23C14/48;C23C14/32;C23C14/16
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司32252
• 代理人: 戴朝榮

技術領域

本發明屬于金屬表面改性領域。具體涉及采用多弧離子鍍技術鍍Al、加弧輝光滲Nb和反沖離子注入相結合，制備合金元素均勻分布的Fe-Al-Nb涂層。

背景技術

Fe-Al-Nb涂層具有優異抗高溫沖蝕和耐磨損性能，在高溫下形成的致密氧化膜對基體具有保護作用，故可用于石油化工、航空航天等領域，解決其關鍵零部件在使用過程中因高溫燃氣和飛灰而引起的沖蝕磨損問題。到目前為止，已采用高速電弧噴涂和超音速電弧噴涂等表面處理技術制備出Fe-Al-Nb涂層，但存在與基體的結合強度低、界面處熱應力較大、易夾雜氧化物且污染環境等問題。

目前已有發明專利CN201410342568.1采用雙輝等離子表面冶金和熱浸鍍復合技術制備Fe-Al-Nb合金涂層，但該方法存在表面Al貧化的問題，涂層中Fe、Al、Nb等合金元素呈梯度分布，而非均勻分布，故易造成Al集中于涂層中部，形成高Al脆性相而使得涂層的使用壽命降低。

發明內容

本發明解決的關鍵技術問題是避免涂層亞表面附近高Al脆性相的析出，保證Fe、Al、Nb三種合金元素沿截面方向均勻分布，提高涂層的使用壽命，尤其改善其抗高溫氧化性和耐摩擦磨損性能。

為解決以上技術問題，本發明提供了多弧離子鍍鋁+加弧輝光滲鈮+反沖離子注入制備Fe-Al-Nb合金層的方法，具體步驟如下：

步驟1：首先對鋼材表面進行預表面處理，經超聲清洗后烘干；

步驟2：采用多弧離子鍍技術進行鍍Al；

步驟3：采用加弧輝光技術滲Nb；

步驟4：采用反沖離子注入技術轟擊材料表面的薄膜。

其中步驟1中所述的拋光為對鋼材進行研磨和拋光處理，使其表面粗糙度Ra達到0.5～2μm，超聲時間為30min。

其中步驟2中采用多弧離子鍍技術在普通鋼材表面鍍Al，其中靶材為99.99％Al。具體選用的工藝參數是：Ar氣流量：25～35SCCM，工作氣壓：0.4～0.6Pa，靶源電流：50～60A，基體負偏壓：-25～45V，沉積溫度：100～150℃，沉積時間：20～40min，沉積速率：0.2～0.4μm/min。

其中步驟3中采用加弧輝光技術在步驟2中所得的多弧離子鍍Al層外表面再進行滲Nb處理，其中靶材為99.99％Nb。具體選用的工藝參數是：Ar氣氣壓：25～45Pa，電弧電流：60～80A，極間距：100～140mm，偏壓：500～700V，溫度：800～900℃，工作時間60～100min。

其中步驟4中采用反沖離子注入技術對上述制備所得的鍍Al和滲Nb合金層進行離子轟擊，具體選用的工藝參數是：離子能量：150～200keV，束流：1～5mA，注入時間20～40min。

采用以上方法制備所得的Fe-Al-Nb涂層，各合金元素沿截面方向均勻分布，形成Fe₂AlNb、Fe₃Al、FeAl、NbC等具有高硬度、高強度的化合物相。

本發明的突出優點在于充分發揮了多弧離子鍍技術、加弧輝光離子滲鍍技術和反沖離子注入該三項技術的各自特點，利用其協同作用原理，最終實現制備出不含高Al相、元素分布均勻、性能優異的Fe-Al-Nb涂層。

首先采用多弧等離子鍍技術在普通碳鋼表面形成鍍Al層，其原理是將純Al靶作為蒸發源(陰極)，通過與陽極殼體之間的弧光放電，使靶材蒸發并離化，形成空間等離子體，對工件進行沉積鍍覆。該技術的突出優勢是離化率高、沉積速率高，且工作溫度低，不易造成Al的反濺射現象，在基體表面形成Fe-Al金屬間化合物。故采用該技術在鋼材表面鍍Al，可大幅度降低采用雙輝技術滲Al而產生的表面Al貧化現象，以及采用離子注入技術注Al而產生的注入深度淺(〈1μm)的不足。再采用加弧輝光離子滲鍍技術在已有的鍍Al層外沉積Nb，充分利用輝光放電與弧光放電，依靠擴散和離子轟擊作用快速滲入已有材料的表面，形成Al-Nb化合物；最后采用反沖離子注入技術，即利用反沖離子(惰性離子)轟擊材料表面，使涂層中的合金原子(Al和Nb)在高能離子的轟擊作用下，進入基體表面，充分擴散形成最終所需的Fe-Al-Nb金屬間化合物，同時實現了合金元素的均勻分布。

附圖說明

圖1：本發明的步驟1表面預處理的示意圖。

圖2：本發明的步驟2多弧離子鍍鍍Al的示意圖。

圖3：本發明的步驟3加弧輝光滲Nb的示意圖。

圖4：本發明的步驟4反沖離子注入的示意圖。

圖5：本發明最后得到的合金層的示意圖。