[發明專利]一種高硬耐磨抗熱沖擊的厚鉭涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201710298701.1
• 申請日: 2017-04-27
• 公開（公告）號: CN107130212B
• 公開（公告）日: 2020-01-03
• 發明（設計）人: 陳明輝;王群昌;王福會
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C23C14/16
• 分類號: C23C14/16;C23C14/35
• 代理公司: 21234 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙)
• 代理人: 張志偉

本發明涉及耐磨涂層領域，特別提供一種高硬耐磨抗熱沖擊的厚鉭涂層及其制備方法。該鉭涂層成分為100％的α相鉭，具有較高的韌性。同時，在體心立方晶格的α相鉭中固溶微量的氮原子，提高鉭涂層的硬度及彈性模量，從而提高涂層的耐磨與抗熱沖擊性能。鉭涂層的最終厚度可以達到60μm以上。本發明提供的高硬耐磨抗熱沖擊厚鉭涂層的制備方法為氬氣+氮氣環境下的磁控濺射。以純鉭為靶材，在一定的真空度下，以氬氣(Ar)和氮氣(N₂)為濺射氣體，在基體材料表面直接沉積制備一層納米晶的厚鉭涂層，該涂層具有高硬度、高韌性、耐磨、抗熱沖擊等優異的綜合性能。

技術領域：

本發明涉及耐磨涂層領域，特別提供一種高硬耐磨抗熱沖擊的厚鉭涂層及其制備方法。

背景技術：

在火炮身管內壁、液壓活塞桿、柴油和航空器發動機氣缸內的孔和液壓軸等現役的軍工、民用關鍵部件中，為了提高使用壽命，增加耐磨性和耐腐蝕性能，表面通常采用電鍍鉻涂層。電鍍鉻涂層具有高硬度、優良的耐磨性和耐腐蝕性等諸多優點，但是也存在許多缺點，如：脆性高、剪切強度和抗拉強度低、且存在微裂紋缺陷，為燒蝕氣氛或者腐蝕性溶液的侵入提供短程通道等等。此外，電鍍鉻工藝(涉及六價鉻)的致命缺點是含鉻廢水和廢氣嚴重致癌，屬國家一類控制排放物，對環境和人類的危害極大。電鍍鉻的生產必須添置污水處理設備，增加生產成本。因此，電鍍鉻已經不能滿足現代科技發展的更高需求，發展綠色的涂層工藝技術已經成為當前技術發展的大勢所趨。

Ta以高熔點著稱，應用廣泛，其氧化物的高溫力學性能、耐腐蝕性能也符合實際工況對耐磨耐腐蝕涂層的要求。Ta存在兩種晶型，即體心立方結構α相和四方結構β相(亞穩相，高于750℃發生β-Ta→α-Ta相轉變)。α-Ta因其塑性好，在熱沖擊條件下能更好地阻止裂紋的形成；而β-Ta硬而脆，熱沖擊條件下形成的高壓應力易導致涂層的開裂剝落。

國外研究顯示，采用高功率脈沖磁控濺射、調制脈沖功率磁控濺射，深振蕩磁控濺射均可獲得1.8～50μm的Ta涂層，但涂層含有30～60％原子百分比的摻雜β相。尤其是在涂層/基體結合處，β相的比例高達100％。⁴⁰Ar^rn+的質量以及離子轟擊能量與¹⁸¹Taⁿ⁺濺射所需逸出功相差甚遠，⁴⁰Ar^rn+能量的分配、動量轉移有效率、離子密度及¹⁸¹Taⁿ⁺逸出功吸收率等多方面的因素使得一部分達到逸出臨界條件的Ta原子溫度僅夠轉化為β相，并且在基體溫升不足的情況下，單原子在整個沉積過程中不足以達到β→α相轉變條件。因此研究人員均反映利用磁控濺射技術，Ar氣作為濺射氣體時只能獲得β-Ta。為了獲得高純度的高韌α-Ta涂層，美國軍事研究人員曾選用¹³¹Xe和⁸⁴Kr兩種大原子惰性氣體作為濺射氣體，成功地獲得100～150μm的純α-Ta涂層，并應用于槍炮內壁防護涂層。但是，Xe和Kr兩種惰性氣體十分稀有，且價格昂貴。此方法獲得高純度高厚度α-Ta涂層的難度很高，且成本巨大，難以實現廣泛生產。同時，火炮身管、液壓桿等基體合金(大部分為不銹鋼)與α-Ta涂層之間硬度、彈性模量、熱擴散系數及晶格常數存在較大差異，大幅影響涂層與基材之間的結合強度，進而影響涂層的服役性能。故在國內，濺射鉭工藝的相關工作仍還處于實驗室階段，制備的涂層厚度、相結構及使用性能等都遠不能達到預期。

根據服役要求，人們迫切希望能夠獲得一種厚度超過30μm，α-Ta在涂層中比例近乎100％的涂層，使其具有優良的耐熱腐蝕、熱沖擊和耐磨等綜合性能。這是本領域亟待解決的一大技術難題。

發明內容：

本發明的目的是提供一種高硬耐磨抗熱沖擊的厚鉭涂層及其制備方法。

本發明的技術方案是：

一種高硬耐磨抗熱沖擊的厚鉭涂層，所述厚鉭涂層為純鉭涂層，純鉭涂層結構為體心立方晶格的α相，純鉭涂層的厚度為10～60μm。