專利名稱：一種金屬材料防護(hù)方法之二的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料科學(xué)，特別提供了一種在金屬基體表面上涂覆多層硬質(zhì)薄膜涂層的金屬材料防護(hù)方法。
背景技術(shù)：
航空發(fā)動機(jī)尾氣壓氣機(jī)葉片材料多采用不銹鋼，在通常的干燥空氣中，表面能形成致密的Cr2O3層，可阻止基體材料的進(jìn)一步氧化，從而具有較好的防腐蝕性能。但由于航空發(fā)動機(jī)尾氣壓氣機(jī)葉片工作在300-600℃之間，而且還常常受到水蒸氣、活性Cl-離子腐蝕以及動靜載荷等綜合作用，致使壓氣機(jī)葉片在短時(shí)間內(nèi)快速腐蝕，造成壓氣機(jī)葉片無法正常工作，給飛行安全帶來極大影響。因而通過有效的防護(hù)手段來提高飛機(jī)構(gòu)件的使用壽命便成為航空工業(yè)發(fā)展中重要的研究方向。
(Ti，Al)N涂層，具有高的抗高溫氧化和高溫耐磨性能，結(jié)構(gòu)致密，可對高溫零件進(jìn)行有效的防護(hù)。但是，三元(Ti，Al)N涂層與不銹鋼基體間存在著較大的晶格錯配度，使得薄膜與基體的結(jié)合力急劇下降，甚至在薄膜的制備過程中就會發(fā)生剝離現(xiàn)象。而且在相同工藝條件下，隨Al含量的增加，(Ti，Al)N涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度逐漸減小，膨脹系數(shù)的差異增大，嚴(yán)重影響涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度?？梢娨?Ti，Al)N涂層得到實(shí)際應(yīng)用，必須提高涂層與基體的結(jié)合力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種作為多層的硬質(zhì)薄膜涂層，用于防護(hù)金屬材料。尤其是針對航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片及刀具、模具防護(hù)涂層可以利用電弧離子鍍設(shè)備，采用不同成分TiAl合金靶、純Ti靶、純Al靶，通入反應(yīng)氣體，通過控制依次開啟和關(guān)閉不同靶材，在直流或脈沖偏壓作用下實(shí)現(xiàn)多層(Ti，Al)N復(fù)合涂層的沉積，以達(dá)到對所述金屬材料的防護(hù)目的。
本發(fā)明一種金屬材料防護(hù)方法，所述防護(hù)方法是在金屬基體表面上涂覆硬質(zhì)薄膜，其特征在于所述硬質(zhì)薄膜為多層氮化鈦鋁涂層；按距離金屬基體由近及遠(yuǎn)的方向，各層氮化鈦鋁涂層中的鋁元素含量越來越高，鈦元素含量越來越低。
本發(fā)明所述金屬材料防護(hù)方法，其特征在于所述多層氮化鈦鋁涂層的涂覆工藝是采用物理氣相沉積的方法，所用靶材為以下幾種情況之一鈦鋁靶；鈦靶和鈦鋁靶；鋁靶和鈦鋁靶；鈦靶和鋁靶；鈦靶、鋁靶和鈦鋁靶。所述鈦鋁靶鋁原子百分含量為10～100％。
本發(fā)明所述金屬材料防護(hù)方法，所述多層氮化鈦鋁涂層的涂覆工藝優(yōu)選是以下兩種之一其一，在涂層涂覆過程中通過換用不同靶材來實(shí)現(xiàn)不同的氮化鈦鋁涂層中鋁、鈦元素成分含量的變化；其二，在涂層涂覆過程中，通過調(diào)整電壓偏壓值來實(shí)現(xiàn)不同氮化鈦鋁涂層中鋁、鈦元素成分含量的變化。在涂層涂覆過程中，電壓偏壓值范圍是0～-900V。
本發(fā)明所述金屬材料防護(hù)方法，其特征在于所述梯度氮化鈦鋁涂層的涂覆工藝優(yōu)選可以是用電弧離子鍍法；所述涂層的涂覆過程中所用靶材為優(yōu)選為Ti靶、鈦鋁靶；所述鈦鋁靶中鋁原子百分含量為10-100％；所述涂層的涂覆過程是在進(jìn)行涂層涂覆操作之前，首先進(jìn)行基體預(yù)處理，按照時(shí)間順序，所述基體預(yù)處理過程為首先進(jìn)行基體預(yù)磨、拋光或噴沙處理，然后在丙酮或酒精或石油醚中超聲清洗，之后吹干。
然后將工件裝爐后本底抽成真空，通入防止氧化夾雜的保護(hù)性氣體(優(yōu)選為Ar或N2或Ar和N2的混合氣體)并達(dá)到一定要求(優(yōu)選至3.0×10-2Pa～2.5Pa)；在-600V～-1200V的直流偏壓下或負(fù)向峰值為-600V～-1500V、脈寬為1Hz～40,000Hz、占空比為5％～90％的單極脈沖偏壓或負(fù)向峰值為-600V～-1500V、脈寬為1Hz～40,000Hz、占空比為5％～90％且正向峰值為-0V～-100V、占空比為5％～90％的雙極脈沖偏轟擊清洗0～10min。轟擊過程中電弧電壓為12～50V、電弧電流為25～150A。
然后調(diào)整通入Ar和N2的混合氣體至2×10-1Pa～2.5Pa，其中N2分壓在1×10-1Pa～2.2Pa。若采用直流偏壓，調(diào)整偏壓值在-30V～-700V之間；若采用單極脈沖偏壓，調(diào)整負(fù)向峰值為-50V～-1500V、脈寬為1Hz～40,000Hz、占空比為5％～90％；若采用雙極脈沖偏壓，調(diào)整負(fù)向峰值為-50V～1500V、脈寬為1Hz～40,000Hz、占空比為5％～90％，調(diào)整正向峰值為-0V～100V、占空比為5％～90％。
然后首先在基體表面制備TiN涂層或Al含量較低的第一層；然后依次沉積Al含量高于前一層的第二層、第三層、……第n層涂層；第一層的Al含量為0％～35％，最靠近涂層表面的那層涂層的Al含量為20％～100％。
上述涂層由若干亞層組成，首先在基體表面制備TiN涂層或Al含量較低的第一層；然后依次沉積Al含量高于前一層的第二層、第三層、……第n層。其中各亞層中成分均一，第一層的Al含量為0％～35％，第n層的Al含量為20％～100％。在同時(shí)滿足以上條件的前提下，各亞層Al含量根據(jù)實(shí)際需要確定。上述涂層中的各個亞層所用靶材為不同成分TiAl合金、純Ti或純Al，其中TiAl合金的含Al原子百分比為10％～100％。
上述涂層中各亞層厚度為0.1-5μm，涂層總厚度為1-50μm。附圖1為防護(hù)涂層結(jié)構(gòu)示意圖，圖中最下部為基體金屬，其上為依次沉積的涂層各亞層，最上部的最遠(yuǎn)離基體表面。
本發(fā)明所述涂層的涂覆過程可以利用電弧離子鍍設(shè)備，采用不同的靶材及靶材組合，控制保護(hù)性氣體的分壓，采用直流偏壓或脈沖偏壓，通過不同的靶材組合同時(shí)調(diào)整各靶的電弧電流以便實(shí)現(xiàn)多層涂層的分別依次序沉積。這種涂層靠近基體的涂層為為TiN或較低Al含量的的(Ti，Al)N涂層，遠(yuǎn)離基體的為較高Al含量的的(Ti，Al)N涂層，這種涂層和基體界面結(jié)合牢固；薄膜中的內(nèi)應(yīng)力較?。煌鈱痈讳X使涂層具有良好的抗氧化和抗腐蝕性能；而且其硬度高于TiN。該方法獲得的薄膜同時(shí)兼顧了薄膜的硬度、膜基結(jié)合強(qiáng)度、內(nèi)應(yīng)力控制和抗腐蝕沖蝕性能，同時(shí)，由于脈沖偏壓的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了低溫沉積，是適宜于沉積在各種刀具、模具及發(fā)動機(jī)葉片上的一種高性能防護(hù)涂層。
研究發(fā)現(xiàn)具有適當(dāng)?shù)讓拥亩鄬釉O(shè)計(jì)可以提高涂層和基體的熱匹配性能和化學(xué)匹配性能、降低界面的應(yīng)力集中、顯著提高涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度。
本發(fā)明的多層設(shè)計(jì)減少了涂層中的針孔、空洞等缺陷，使涂層具有優(yōu)異的抗腐蝕性能；同時(shí)，本發(fā)明的多層設(shè)計(jì)提高了涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度，降低了涂層中的應(yīng)力集中，涂層具有高的硬度、抗磨損性和抗高溫氧化性能。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
圖1為防護(hù)涂層結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為多層(Ti，Al)N涂層的表面形貌；圖3為多層涂層的截面形貌；圖4為單層與多層TiAlN的結(jié)合力比較圖；圖5為單層與多層(Ti，Al)N涂層的孔隙率比較圖；圖6為單層與多層(Ti，Al)N涂層的磨損面積比較圖；圖7為TiN-Ti50Al50N-AlN鍍層膜的表面形貌；圖8為用Ti0.7Al0.3靶沉積的涂層元素組成隨脈沖偏壓的變化；圖9通過調(diào)節(jié)偏壓制備的多層TiAlN涂層表面形貌。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1基材采用1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼，經(jīng)過表面預(yù)磨、拋光、去污、丙酮超聲清洗。裝爐后本底真空抽至6.0×10-3Pa，加熱至基體溫度至300℃，通入Ar氣體0.06Pa，在負(fù)向峰值為-1000V、脈寬為20,000 Hz、占空比為30％的單極脈沖偏壓下轟擊清洗樣品3min。轟擊過程中電弧電壓為16～19V、電弧電流為60A。
維持基體溫度為300℃，調(diào)整通入Ar和N2的混合氣體至2×10-1Pa，其中N2分壓在1.8Pa。在負(fù)向峰值為-600V、脈寬為20,000Hz、占空比為30％，首先開啟純Ti靶在基體表面制備TiN涂層(1)，弧流為60A，時(shí)間為20min，然后順次開啟含Al10％，20％，30％的TiAl合金靶，分別在工件表面依次沉積(Ti0.9Al0.1)N層(2)、(Ti0.8Al0.2)N(3)及(Ti0.7Al0.3)N(4)，弧流為均為60A，各亞層厚度0.1um，共10層，涂層總厚度約1μm。
圖2為多層(Ti，Al)N涂層的表面形貌，由圖2可見多層涂層表面平整致密，由少量的熔滴存在；由圖3可見多層涂層致密，在近鄰的兩層之間均有一個界面，層與層之間結(jié)合緊密。
圖4為單層與多層TiAlN的結(jié)合力對比涂層結(jié)合力采用劃痕法在UTM-2m多功能磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，線性加載；劃頭為尖角為60度的類金剛石，尖角半徑0.2mm，劃頭移動速度0.028m/s，劃痕長度5mm。由圖4可以看出，施加多層(Ti，Al)N涂層比單一TiAlN涂層的結(jié)合力明顯更好。
圖5為單層與多層(Ti，Al)N涂層的孔隙率?？紫堵视呻娀瘜W(xué)方法測得?？梢?，施加多層的(Ti，Al)N涂層能明顯的消除涂層孔隙。這是由于多層的涂層能夠消除柱狀晶結(jié)構(gòu)，多界面阻止了缺陷的生成。
圖6為單層與多層(Ti，Al)N涂層的磨損面積。磨損試驗(yàn)在Amsler摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，摩擦副為淬火45#鋼環(huán)，載荷0.47Kg，線速度0.52m/s，時(shí)間15min，干摩擦。由圖6可以看出，多層(Ti，Al)N涂層具有與單層Ti50Al50N涂層相媲美的耐磨性能。
實(shí)施例2基材采用1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼，經(jīng)過表面預(yù)磨、拋光、去污、丙酮超聲清洗。裝爐后本底真空抽至6.0×10-3Pa，加熱至基體溫度至300℃，通入Ar氣體0.06Pa，在負(fù)向峰值為-1000V、脈寬為20,000 Hz、占空比為30％的單極脈沖偏壓下轟擊清洗樣品3min。轟擊過程中電弧電壓為16～19V、電弧電流為60A。
維持基體溫度為300℃，調(diào)整通入Ar和N2的混合氣體至2×10-1Pa，其中N2分壓在1.8Pa。在負(fù)向峰值為-600V、脈寬為20,000Hz、占空比為30％，首先開啟純Ti靶在基體表面制備TiN涂層(1)，弧流為60A，時(shí)間為20min，然后順次開啟含Al10％，30％，50％的TiAl合金靶，分別在工件表面依次沉積(Ti0.9Al0.1)N層、(Ti0.7Al0.3)N及(Ti0.5Al0.5)N，弧流均為60A，各亞層厚度5um，共4層，涂層總厚度約20μm。
實(shí)施例3基材采用1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼，經(jīng)過表面預(yù)磨、拋光、去污、丙酮超聲清洗。裝爐后本底真空抽至6.0×10-3Pa，加熱至基體溫度至300℃，通入Ar氣體0.06Pa，在負(fù)向峰值為-1000V、脈寬為20,000Hz、占空比為30％的單極脈沖偏壓下轟擊清洗樣品3min。轟擊過程中電弧電壓為16～19V、電弧電流為60A。
維持基體溫度為300℃，調(diào)整通入Ar和N2的混合氣體至2×10-1Pa，其中N2分壓在1.8Pa。在負(fù)向峰值為-600V、脈寬為20,000Hz、占空比為30％，首先開啟純Ti靶在基體表面制備TiN涂層(1)，弧流為60A，時(shí)間為20min，然后順次開啟含Ti70Al30，Ti50Al50，純Al靶，分別在工件表面依次沉積Ti70Al30N，Ti50Al50N，和AlN，電流為均為60A，各亞層厚度2um，共25層，涂層總厚度約50μm。所得涂層Al含量為0-100％。
實(shí)施例4.通過調(diào)節(jié)偏壓實(shí)現(xiàn)多層涂層.
基材采用316不銹鋼，經(jīng)過表面預(yù)磨、拋光、去污、丙酮超聲清洗。裝爐后本底真空抽至6.0×10-3Pa，加熱至基體溫度至300℃，通入Ar氣體0.06Pa，在負(fù)向峰值為-1000V、脈寬為20,000Hz、占空比為30％的單極脈沖偏壓下轟擊清洗樣品3min。轟擊過程中電弧電壓為16～19V、電弧電流為60A。采用Ti70Al30靶，負(fù)偏壓變化為900-750-600-450-300-150-0V，每一階段沉積時(shí)間為30分鐘.涂層厚度為35um.所得涂層Al含量變化為14.6-29.4％.(參見圖8、9)
權(quán)利要求
1.一種金屬材料防護(hù)方法，所述防護(hù)方法是在金屬基體表面上涂覆硬質(zhì)薄膜，其特征在于所述硬質(zhì)薄膜為多層氮化鈦鋁涂層；按距離金屬基體由近及遠(yuǎn)的方向，各層氮化鈦鋁涂層中的鋁元素含量越來越高，鈦元素含量越來越低。
2.按照權(quán)利要求1所述金屬材料防護(hù)方法，其特征在于所述多層氮化鈦鋁涂層的涂覆工藝是采用物理氣相沉積的方法，所用靶材為以下幾種情況之一鈦鋁靶；鈦靶和鈦鋁靶；鋁靶和鈦鋁靶；鈦靶和鋁靶；鈦靶、鋁靶和鈦鋁靶。
3.按照權(quán)利要求2所述金屬材料防護(hù)方法，其特征在于所述鈦鋁靶鋁原子百分含量為10～100％。
4.按照權(quán)利要求3所述金屬材料防護(hù)方法，所述多層氮化鈦鋁涂層的涂覆工藝是在涂層涂覆過程中通過換用不同靶材來實(shí)現(xiàn)不同的氮化鈦鋁涂層中鋁、鈦元素成分含量的變化。
5.按照權(quán)利要求3所述金屬材料防護(hù)方法，其特征在于所述多層氮化鈦鋁涂層的涂覆工藝是在涂層涂覆過程中通過調(diào)整電壓偏壓值來實(shí)現(xiàn)不同氮化鈦鋁涂層中鋁、鈦元素成分含量的變化。
6.按照權(quán)利要求5所述金屬材料防護(hù)方法，其特征在于在涂層涂覆過程中電壓偏壓值范圍是0～-900V。
7.按照權(quán)利要求4或5所述金屬材料防護(hù)方法，其特征在于所述多層鈦鋁涂層的涂覆工藝是用電弧離子鍍法；所述涂層的涂覆過程中所用靶材為Ti靶、鈦鋁靶；所述鈦鋁靶中鋁原子百分含量為10～100％；
所述涂層的涂覆過程如下工件裝爐后本底抽成真空，通入防止氧化夾雜的保護(hù)性氣體；然后首先在基體表面制備TiN涂層或Al含量較低的第一層；然后依次沉積Al含量高于前一層的涂層；第一層的Al含量為0％～35％，最靠近涂層表面的那層涂層的Al含量為20％～100％。
8.按照權(quán)利要求7所述金屬材料防護(hù)方法，其特征在于涂層各亞層厚度為0.1-5μm，涂層總厚度為1-50μm。
9.按照權(quán)利要求7所述金屬材料防護(hù)方法，其特征在于在進(jìn)行涂層涂覆操作之前，首先進(jìn)行基體預(yù)處理，按照時(shí)間順序，所述基體預(yù)處理過程為首先進(jìn)行基體預(yù)磨、然后拋光或噴沙處理，然后在丙酮或酒精或石油醚中超聲清洗，之后吹干。
全文摘要
一種金屬材料防護(hù)方法，所述防護(hù)方法是在金屬基體表面上涂覆硬質(zhì)薄膜，其特征在于所述硬質(zhì)薄膜為多層氮化鈦鋁涂層；按距離金屬基體由近及遠(yuǎn)的方向，各層氮化鈦鋁涂層中的鋁元素含量越來越高，鈦元素含量越來越低。本發(fā)明具有適當(dāng)?shù)讓拥亩鄬釉O(shè)計(jì)可以提高涂層和基體的熱匹配性能和化學(xué)匹配性能、降低界面的應(yīng)力集中、顯著提高涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度。本發(fā)明減少了涂層中的針孔、空洞等缺陷，提高了涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度，降低了涂層中的應(yīng)力集中，涂層具有高的硬度、抗磨損性和抗高溫氧化性能；尤其適用于航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片及刀具、模具的涂層防護(hù)。
文檔編號C23C14/34GK1962926SQ200510047659
公開日2007年5月16日 申請日期2005年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月8日
發(fā)明者王福會, 朱圣龍, 謝冬柏, 辛麗, 王世臣 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所