[發明專利]一種碳鋼表面耐磨蝕高溫防護涂層及其制備方法

在審

• 申請號: 201910758226.0
• 申請日: 2019-08-16
• 公開（公告）號: CN110592535A
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發明（設計）人: 戴景杰;李守英;張年龍;王阿敏;張紅霞;孫彩霞;張海龍
• 申請（專利權）人: 青島濱海學院
• 主分類號: C23C14/16
• 分類號: C23C14/16;C23C14/32;C23C14/58
• 代理公司: 37221 濟南圣達知識產權代理有限公司
• 代理人: 鄭平

本發明涉及一種碳鋼表面耐磨蝕高溫防護涂層及其制備方法，以碳鋼為基體材料，以TiCr、TiAl、TiAlCr合金靶為離化弧源，以氬氣和氮氣為工作氣體，采用加弧輝光滲鍍技術制備TiCrN/TiCrFe、TiAlN/TiAlFe和TiAlCrN/TiAlCrFe梯度涂層。首先利用合金靶材離化源，以氬氣為工作氣體，在碳鋼表面制備TiCrFe、TiAlFe和TiAlCrFe梯度層；然后以氬氣和氮氣混合氣體為工作氣體，在所述梯度層的基礎上離子滲氮，制備TiCrN、TiAlN和TiAlCrN表層。本發明制備的梯度涂層與基體呈典型的冶金結合，具有優異抗海水磨蝕性、良好的抗熱腐蝕性。

技術領域

本發明屬于金屬材料表面處理領域，涉及一種碳鋼表面耐磨蝕高溫防護涂層及其制備方法。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

碳鋼是含碳量在0.0218％～2.11％的鐵碳合金。也叫碳素鋼。一般還含有少量的硅、錳、硫、磷。其塑韌性優良、焊接性能好、易切削加工、被廣泛用于機械建筑領域，但碳鋼材料硬度低、耐蝕性差、抗高溫氧化性差，在復雜海洋環境下易遭受嚴重的腐蝕、磨損及高溫氧化等多種形式的損傷，導致海洋工程裝備中碳鋼部件壽命的大幅縮短。

加弧輝光滲鍍技術是在雙層輝光離子滲鍍裝置中引入離化弧源，把輝光放電和弧光放電有機結合起來的表面處理技術。利用輝光放電空心陰極效應使工件升溫，利用電弧放電引燃離化弧源并發射的欲滲離子流，在工件負偏壓的作用下離子流加速達到工件表面。依靠擴散和轟擊作用，離子快速滲入工件表面形成滲層、鍍層或者滲鍍結合層。

李守英等的論文《Q235鋼脈沖加弧輝光滲鍍鉻鎳后的電化學性能》為了改善Q235鋼的抗腐蝕性能，采用脈沖加弧輝光離子鍍技術對其滲鍍鉻鎳。利用X射線衍射、掃描電鏡(SEM)對Q235鋼表面鉻鎳合金滲鍍層進行了分析。同時探討了其電化學性能。結果表明:Q235鋼滲鍍鉻鎳后表面形成了Cr0.19Fe0.70Ni0.11合金層，明顯提高了其抗腐蝕性能。

但發明人發現：該Cr0.19Fe0.70Ni0.11合金層的Cr、Ni含量不足、抗高溫氧化性差，表面硬度不夠、耐磨損性能仍有待提高。

發明內容

為了克服上述問題，本發明提供了一種碳鋼表面耐磨蝕高溫防護涂層及其制備方法，利用碳鋼作為基體材料，以TiCr、TiAl、TiAlCr合金為靶材，采用加弧輝光滲鍍技術在碳鋼表面制備耐磨蝕高溫防護涂層。

為實現上述技術目的，本發明采用的技術方案如下：

一種碳鋼表面耐磨蝕高溫防護涂層，所述涂層為梯度雙層結構，表層為梯度功能陶瓷表層，在功能表層與碳鋼表面之間為梯度金屬過渡層；

其中，梯度功能陶瓷表層為TiCrN、TiAlN或TiAlCrN氮化物表層；

所述梯度金屬過渡層為TiAlFe、TiCrFe或TiAlCrFe金屬梯度層。

本申請研究發現：在含氮氣氛中采用TiAl靶、TiCr靶或TiAlCr靶合成的TiCrN/TiCrFe、TiAlN/TiAlFe和TiAlCrN/TiAlCrFe梯度涂層具有優異的耐蝕性能和抗高溫氧化性能，其結構、成分和熱物理性能均梯度漸變，有效地降低了界面應力梯度和裂紋的產生，其可靠性更好，可以有效避免了剝落失效的問題，是在保證設計壽命前提下提高防護效果的最佳結構方案。

研究發現：隨著厚度的增加，涂層的抗高溫氧化性、表面硬度和耐磨損性能都有所提高，但當厚度達到347μm，繼續增加厚度，對涂層性能的提升有限，同時會減弱涂層與基體的結合力，因此，在一些實施例中，所述涂層總厚度為154～347μm，具備了優異的抗高溫氧化性、表面硬度和耐磨損性能。