[發明專利]一種TC4合金表面耐磨CrZrN固溶陶瓷涂層及其制備方法

在審

• 申請號: 202211719323.7
• 申請日: 2022-12-30
• 公開（公告）號: CN116200701A
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 繆強;吳宇婷;梁文萍;趙慧;劉睿翔;臧愷;李靜麗;徐健晏;姚巍;張猛;閆榮學;董美靜
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學無錫研究院;南京航空航天大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/34;C23C14/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 周寧

本發明公開了一種TC4合金表面耐磨CrZrN固溶陶瓷涂層及其制備方法，屬于TC4合金表面處理領域，該涂層為TC4合金表面采用雙輝等離子表面冶金技術制備CrZrN陶瓷涂層，所述涂層包括沉積層與擴散層，擴散層中Cr、Zr、N、Ti含量呈梯度變化，緩解了成分突變及性質差異引起的涂層失效；本發明制得的CrZrN陶瓷涂層與CrN二元涂層相比，優勢在于實現了固溶強化，細化了晶粒且涂層與基體之間實現了冶金結合，能有效提高TC4合金基體的服役壽命，可應用于航空工業、船舶工業等領域的耐磨損零部件防護。

技術領域

本發明屬于TC4合金表面處理領域，具體涉及一種TC4合金表面耐磨CrZrN固溶陶瓷涂層及其制備方法。

背景技術

我國海洋戰略向新的深度和廣度推進，對開發海洋工程的關鍵海工裝備需求日益迫切。海工裝備多為金屬材料，承受載荷的運動部件在復雜的海洋環境中易發生磨損破壞失效。TC4合金因密度小、比強度高、耐蝕性好等優點廣泛應用于海洋工程，被譽為“海洋金屬”。但TC4表面硬度較低，摩擦系數高、在對磨過程中容易發生粘著磨損，進而嚴重制約了其使用范圍和服役壽命。在各類應對策略中，涂層技術作為改善合金表面硬度、耐磨損性能最直接有效且經濟可行的方式，已經被廣泛應用于鈦合金表面改性。過渡金屬氮化物具有高強度、高硬度以及良好的耐磨性，是常用的耐磨涂層材料，而具有優異耐腐蝕性的CrN涂層被認為是船舶長期使用的機械組件的潛在防護材料，但CrN涂層在沉積過程中存在針孔、氣孔和柱狀結構等，會加速溶液侵蝕，降低涂層的性能。

發明內容

本發明提供了一種TC4合金表面耐磨CrZrN固溶陶瓷涂層及其制備方法，解決了TC4合金在服役過程中出現的耐磨性能差的問題，即在TC4合金表面制備CrZrN滲鍍層，在大幅度提高基體耐磨性的同時也實現冶金結合，避免因涂層剝落導致的涂層失效問題，從而起到延長TC4合金基體服役壽命的效果。

為實現以上目的，本發明采取以下技術方案：

一種TC4合金表面耐磨CrZrN固溶陶瓷涂層，采用雙輝等離子表面冶金技術獲得沉積在基體TC4合金表面的CrZrN梯度涂層，所述CrZrN涂層包括靠近基體側的擴散層和最外層的CrZrN沉積層；所述擴散層厚度大約為1μm，所述沉積層厚度為6μm；沉積層中形成了CrN、ZrN、Zr₇Cr₃N₁₀、Zr₃Cr₇N₁₀?固溶體；所述擴散層中Cr、Zr、N元素自涂層向基體內部擴散，Ti元素自基體向涂層擴散。

上述TC4合金表面耐磨CrZrN固溶陶瓷涂層的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，基體及靶材材料預處理

準備基體TC4合金，依次使用180#、360#、600#、800#粗砂紙和1#、3#、5#金相砂紙逐級打磨，之后用絨布和金剛石拋光膏機械拋光至光滑鏡面，靶材依次使用800#、1500#砂紙打磨掉表面氧化膜后，置于無水乙醇中超聲清洗后烘干備用；

步驟2，真空室清洗與工件安放

依次使用800#、1500#砂紙打磨真空室內壁以及載物臺保護罩，除去表面氧化膜和雜質，隨后使用無塵布蘸取無水乙醇擦洗至無明顯污漬，清潔完成后放置靶材以及經預處理的TC4合金，以Cr、Zr柵極靶為源電極，TC4合金為工件極；

步驟3，抽真空

打開機械泵，抽取真空室內氣體，氣壓達到0.1Pa時持續通入氬氣，在20-100Pa的范圍內進行氣體清洗三到四次，確保排出爐內其他氣體，盡量避免氣體雜質對涂層制備過程的影響，氣體清洗完成后將氣壓調節至20Pa，保持涂層制備中過程中氬氣持續通入；

步驟4，起輝

啟動偏壓電源柜15分鐘待輝光穩定后，緩慢調節工件電壓至300V，對工件和靶材分別進行30分鐘和10分鐘的Ar離子轟擊，起到清洗和預熱作用；

步驟5，雙輝等離子表面冶金技術制備CrZrN固溶陶瓷涂層