[發明專利]一種鈦合金表面陶瓷/金屬梯度高溫復合涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201610209640.2
• 申請日: 2016-03-30
• 公開（公告）號: CN105714244B
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 戴景杰;翟明戈;侯順強;朱季云;李守英;莊蕾;張豐云;王阿敏
• 申請（專利權）人: 青島濱海學院
• 主分類號: C23C10/52
• 分類號: C23C10/52;C23C8/36;C23C12/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種鈦合金表面陶瓷/金屬梯度高溫復合涂層及其制備方法，屬于復合材料技術領域。

背景技術

加弧輝光離子滲鍍技術原理是在雙層輝光離子滲金屬裝置中引入冷陰極電弧源，在被處理工件周圍設置輔助源極，利用輝光放電空心陰極效應使工件迅速升溫，它既是加熱源又是欲滲元素的輔助供給源。同時在真空容器壁上設置一個或多個金屬陰極電弧靶源，利用真空電弧放電引燃電弧源，不斷地發射出高能量、高電流密度、高離化率的欲滲金屬離子流，在工件負偏壓的作用下加速到達工件表面，使工件進一步升溫到滲金屬的溫度。依靠擴散和離子轟擊作用快速滲入工件表面層，在工件表面可以形成滲層、鍍層、滲鍍結合層，也可以合成各種化合物薄膜。加弧輝光離子滲鍍技術具有下列優點：

(1)滲速極快，平均值為(300～700)μm/h。

(2)工件的形狀不受限制，可以在爐內任意排放。

(3)工件可以轉動，能實現均勻滲鍍。

(4)不僅可以滲鍍高熔點的金屬和合金(Mo、Ti、Cr、Ni、Cr-Ni、W-Mo等)，而且也可以滲鍍低熔點的金屬和合金(Al、Zn、Pb、Al合金等)。

(5)在金屬零件表面可以合成特殊用途的薄膜(TiN、TIC、Al₂O₃、TiO₂、TaN等)。

(6)滲鍍層成分呈梯度分布、硬度也呈梯度分布。由于是滲鍍層，所以不存在“膜基結合力”問題，而這一點對表面處理是非常重要的。

(7)合金滲鍍層成分基本可控，成分變動范圍大，這是許多傳統滲金屬方法所難以做到的，合金滲層表面的合金元素總量可在百分之幾到百分之九十以上的范圍內變動。

(8)無污染，工作條件好，節約能源。

近年來，采用雙層輝光離子滲鍍技術和加弧輝光離子滲金屬技術在鈦合金表面制備富鋁、富鉻、富鈮等合金化層，合金化層均具有良好的抗高溫氧化性能。但該類合金化層主要集中在抗高溫氧化性能方面，未能同時兼顧室溫和高溫的摩擦磨損性能。此外，單一合金化涂層在改善鈦合金抗高溫氧化性能方面的作用有限，并且對上述涂層抗高溫氧化性的研究時間多數集中在0-100h，無法反映出涂層的長期穩定性信息。

發明內容

本發明的目的是提供一種鈦合金表面陶瓷/金屬梯度高溫復合涂層及其制備方法。

本發明采取的技術方案為：

一種鈦合金表面陶瓷/金屬梯度高溫復合涂層，它以鈦合金為基體材料，以Al-Nb-Si合金為靶材，采用弧輝等離子體技術制備得到，靶材成分質量配比為10∶2∶1、10∶3∶1或10∶2∶2。

上述鈦合金表面陶瓷/金屬梯度高溫復合涂層的制備方法，包括步驟如下：

1)鈦合金基體材料作為陰極，氬氣壓強20～30Pa，鈦合金與靶材距離為20-25mm，陰極電壓為850-900V，弧靶電流50-60A，滲金屬時間60-70min，鈦合金溫度控制在900-1000℃。

2)關閉弧靶電流，充入氮氣，氮氣與氬氣體積比為1∶1，混合氣體壓強300Pa，陰極電壓為850V，氮化時間2.5-3h，氮化溫度控制在800-850℃。

本發明的有益效果：

本發明的鈦合金表面陶瓷/金屬梯度高溫復合涂層，宏觀質量完好，厚度均勻，與基體呈良好的冶金結合，合金元素沿厚度方向呈梯度分布。高溫復合涂層表層主要由鈦鋁氮化物組成，此物相有利于涂層硬度、室溫及高溫抗摩擦磨損性能的提高。高溫復合涂層內層主要由Ti-Al、Al-Nb和Ti-Si化合物等物相組成，此物相使涂層具有優異的抗高溫氧化性能。高溫復合涂層表面具有高的硬度和低的室溫、高溫摩擦系數，磨損機制主要為磨粒磨損，表現出良好的抗干滑動摩擦磨損性能。高溫復合涂層由于高鋁含量，具有優異的抗高溫氧化性能，其氧化增重遠低于基體的氧化增重，氧化層未出現剝落現象。

本發明方法制備的高溫復合涂層，表面硬度可達1000-1200HV0.2，室溫摩擦系數為0.25-0.35，為基體的1/2-1/3，800℃時的摩擦系數為0.3-0.4，僅為基體的1/3-1/4，磨損機制以磨粒磨損為主，具有高的表面硬度和優異的抗摩擦磨損性能。800℃保溫1000h氧化增重僅為鈦合金基體的1/35-1/40，氧化產物主要為Al₂O₃，氧化膜層未出現剝落現象，具有優異的抗高溫氧化性能。

具體實施方式

實施例1