製備耐高溫磨損塗層的方法
2023-06-18 20:06:56 1
專利名稱：製備耐高溫磨損塗層的方法
技術領域：
本發明屬於改善金屬材料表面耐高溫磨損性能的一種方法，主要用於合金鋼，如高溫熱強鋼、熱作模具鋼、以及鎳基合金、鈷基合金的基材表面塗層製備。
背景技術：
一般高溫合金鋼的使用溫度通常在800℃以下，為了在更高溫度，且服役環境更為惡劣的情況下使用，必須進行表面處理以提高材料的耐高溫性能。現有的改善金屬材料表面抗高溫磨損性能的塗層製備的方法有1.表面化學鍍、電鍍等傳統工藝以及後來發展的電刷鍍、化學鍍等，儘管塗層與基體結合有了極大的改善，但作為擠壓下的磨損仍感不足。此外，塗層內含有害雜質較多，在高溫條件下易發生氧化腐蝕而導致塗層的脫落損壞。它不易製備陶瓷塗層。
2.採用堆焊方式將耐高溫磨損材料通過堆熔方式焊於基材表面，這種方式可以形成較厚的塗層，但無法堆焊陶瓷塗層。由於堆焊過程中溫升高，此後的退火工藝要求嚴格，而且工件尺寸精度需重新加工調整，採用堆焊處理常因工藝可控性問題造成工件報廢。
3.採用噴塗方式如熱噴塗、等離子噴塗等在金屬材料表面進行耐高溫磨損材料的塗覆，這種方式可形成較厚的塗層。近年來採用低壓等離子噴塗使塗層質量有了很大提高，但對高溫擠壓條件下的塗層仍有以下幾點不足噴塗的塗層緻密度低，塗層中缺陷包括空洞、裂紋等較多，噴塗過程中因氧的入侵在塗層中形成氧化物夾雜，這樣易在使用中發生斑點式剝蝕。塗層與基材的結合強度亦較低，在使用的過程中易發生塗層的剝落。
4.七十年代發展起來的各種薄膜製備技術也可用於這類塗層的製備。如物理氣相沉積(PVD)，以及以此為基礎發展起來的種種PVD技術，形成塗層緻密性較好，但與基材結合強度較差；化學氣相沉積(CVD)以及以此為基礎發展起來的各類CVD技術，製備的塗層緻密性好，與基材結合強度雖有改善，但仍感不足，特別用於擠壓磨損工況下，常會使塗層撕落。此外塗層中滯留的有害雜質會使塗層使用中發生腐蝕而損壞。
5.七十年代發展起來的如雷射、電子束、離子束技術在材料表面改性上起到了極大的推動作用。根據不同要求，雷射、電子束這類高功率密度的熱能束可進行不同規範的表面熱處理，如表面相變硬化處理，表面熔融上釉處理以及表面衝擊強化處理。不足的是雷射、電子束技術進行表面合金化塗覆還需要其他方式引入外來材料。離子束雖可自行進行物質和能量的傳遞，但成本極高，塗層厚度十分有限。
綜上所述，以上已有技術有的存在塗層與基體結合差，特別在高溫擠壓磨損工況下發生塗層撕落；有的無法製備陶瓷塗層；有的可以改善同質材料的結合，例如合金塗層與合金基體的結合，但無法改善異質材料的結合，如陶瓷塗層與合金塗層或基材的結合；有的形成塗層厚度有限，處理成本很高。並且以上已有技術一般都單獨使用。
發明內容
本發明的目的是為了克服已有技術的不足，提出了一種多種技術結合製備多層結構耐高溫磨損塗層的方法，並可在同一真空室內完成塗層製備，得到塗層與基體、塗層之間結合優良、並能在1200℃高溫以上擠壓條件下工作的塗層。
本發明的目的是通過以下的技術方案實現的。
本發明用原子束沉積技術製備塗層；用離子束技術進行強化塗層之間的結合形成過渡層的處理；用電子束或雷射束技術進行塗層顯微結構的控制處理，使塗層形成需要的金相結構及微觀形貌特徵相結合的方法進行塗層製備。
本發明製備塗層，是在基材上製備耐高溫的合金鋼材料的合金層；在其上製備陶瓷材料的陶瓷層；製作處理兩塗層之間過渡層；然後進行強化塗層結合處理和(或)塗層結構控制處理。
本發明製備高溫合金層的材料採用MCrAlR，其中M＝Ni、Cr，R＝Y、Yb、La。該層的作用主要是抗高溫磨損；製備陶瓷層採用的材料是A12O3，該層的作用主要是抗高溫氧化。在基材與高溫合金層之間，高溫合金層與陶瓷層之間形成過渡層的材料成份是由界面兩邊的材料決定的，其材料成份的過渡為梯度變化。為了增加界面結合強度，過渡層中還可以摻雜少量的稀土元素如Y或Yb。
製備塗層的原子束沉積技術，可以採用物理氣相(PVD)定向沉積，包括電子束蒸發，磁控濺射，離子鍍或離子濺射沉積。例如採用直流磁控濺射可以進行金屬和合金塗層的沉積，採用射頻磁控濺射則可沉積非金屬塗層，如陶瓷塗層。常用的磁控濺射沉積方法參數如下濺射電壓300-800V，電流密度4-50mA/cm2，氬氣壓力10-1-2.0Pa，工件與靶的距離4-10cm，射頻頻率13.6MHz--27.2MHz，沉積速率取決於不同沉積元素，一般為10-103nm/KW·min。
對強化各塗層界面之間形成過渡層的處理，可以採用離子束技術，如對陶瓷層與高溫合金層界面的處理，可以通過離子束混合技術形成過渡層，所用工藝參數為離子束劑量5×1015--5×1016ions/cm2，可採用以下幾種離子Ar+、Y+或Yb+。該技術是將離子打入界面附近並進入下一層的範圍內，通過離子碰撞及其後的級聯碰撞、熱町效應、增強擴散等作用，使兩層之間原子發生混合，形成組分上的梯度分布，或在微觀結構上形成晶格常數的漸變或其它參數如熱脹係數等的漸變化分布，這些均有利於兩層之間結合強度的提高。
用電子束或雷射束進行塗層的顯微結構的控制處理，可得到塗層要求的金相結構、塗層微觀形貌等。根據工件的工況要求，可以通過對塗層進行表面相變硬化處理改變塗層的金相結構，從而有效提高塗層抗磨損性能；通過對塗層進行表面熔融處理可提高塗層的緻密度；通過合金化處理可使不同合金層進行熔合以提高各層之間的結合力；此外，通過快速熔凝技術消除各類雜質、夾雜以淨化塗層外，還可以使晶粒細化改善塗層的微觀結構。採用電子束或雷射束的工藝參數如下用於表面相變硬化的束功率密度一般在1×103--5×104W/cm2。用於上釉處理的束功率密度可高達107W/cm2，但其冷凝速率也要大於105K/S。對於同質材料的過渡層，如基材與高溫合金層材料界面也可以用電子束或雷射束技術進行強化塗層界面結合的處理。
本發明在製備過程可以在真空室中連續進行並一次完成。
本發明將多種技術結合形成了獨特有效的方法，不僅能製備金屬材料，也能製備非金屬陶瓷材料塗層；不僅能使同質材料塗層結合緊密，而且能使金屬和陶瓷之間結合得緊密。本發明的製備過程由於在真空室中一次完成，可以提高工作效率，保證工件質量。採用本發明製備的耐高溫磨損塗層具有塗層厚，耐高溫磨損，結合力強不會撕裂、脫落的優良性能。特別是在1200℃高溫擠壓工況下能夠持續工作。
四
圖1為耐高溫磨損塗層結構示意圖。
圖2為製備耐高溫磨損塗層工作原理圖。
圖3為耐高溫磨損塗層顯微剖面圖。
五具體實施例方式本發明製備耐高溫磨損塗層的方法採用的幾種技術的製備過程，根據不同工件的要求，可以依次進行或交叉選擇進行，也可重複進行一至多次。
以下結合附圖詳述本發明本發明是將高溫合金鋼工件[4]安裝在有磁控濺射靶[1]、電子槍或雷射器[2]及離子槍[3]的真空室中進行耐高溫磨損塗層的製備(見圖1和圖2)。製作過程是將工件表面的基材[A]作常規清洗後放入真空室中，待真空室中的真空度達到10-3pa後，對工進行離子束表面濺射清洗，以除去表面殘留的自然氧化層，同時也起到活化表面的作用。
濺射清洗的離子槍工作參數為Ar+氣；能量1-3KeV；束流密度10-100mA/cm2。用原子束沉積技術製作高溫合金層[C]材料MCrAlR，其中M＝Ni、Co，R＝Y、Yb、La。
直流磁控濺射參數濺射電壓300-800V；電流密度4-50mA/cm2；Ar+氣壓力10-1-2.0Pa，塗層厚度50-100μm，沉積速率102-103nm/KW·min。用離子束技術處理基材與高溫合金層之間過渡層[B]離子束劑量5×1015；離子種類Ar+，Y，Yb等。離子能量30-300KeV；或用電子束或雷射束技術處理基材與高溫合金層之間過渡層[B]。
功率密度1×103--5×104W/cm2；冷凝速率大於105K/S。用電子束或雷射束處理高溫合金層[C]形成需要的金相結構。
表面相變硬化處理功率密度1×103--5×104W/cm2；表面合金化處理功率密度1×104--5×105W/cm2；表面上釉處理功率密度1×106--5×107W/cm2；用原子束技術沉積陶瓷層[E]射頻磁控濺射參數射頻電壓500V；電流密度5-30mA/cm2；射頻頻率3.6-27.2MHz；沉積速率10--102nm/KW·min，材料Al2O3；塗層厚度5-10μm。用離子束技術處理陶瓷過渡層[D]離子束採用Y+；離子束劑量5×1015--5×1016ions/cm2離子束能量10-200KeV。電子束或雷射束處理陶瓷過渡層[D]，形成所需的金相結構功率密度5×105--5×106W/cm2圖4表示了本發明方法製備的塗層的顯微結構剖面，可以清楚的看出塗層的層次結構。
採用了本發明方法製備的熱加工工具如無縫鋼管生產用頂頭、軋輥等的塗層，在1200℃高溫，特別是在冷熱交替情況下使用，可提高工件使用壽命1-2倍。
權利要求
1.一種製備耐高溫磨損塗層的方法，其特徵是用原子束沉積技術製備塗層，用離子束技術進行強化塗層之間的結合形成過渡層的處理，用電子束或雷射束技術進行塗層顯微結構的控制處理相結合。
2.如權利要求1的方法，其特徵是用所說的原子束沉積技術為物理氣相沉積技術；離子束技術為離子束混合技術。
3.如權利要求2的方法，其特徵是在基材上製備耐高溫的合金層；在其上製備陶瓷層；製作處理兩層之間的過渡層；進行強化塗層結合處理和(或)塗層結構控制處理。
4.如權利要求3所述方法，其特徵是用電子束或雷射束技術對同質材料的過渡層進行強化塗層界面結合的處理。
5.如權利要求1或2或3或4所述方法，其特徵是製備過程在真空室中連續進行並一次性完成。
6.如權利要求1或2或3或4所述方法，其特徵是製備塗層的過程可以依次進行或者交叉選擇進行。
7.如權利要求1或2或3所述方法，其特徵是所述的用離子束技術進行強化塗層之間的結合形成過渡層的處理時摻雜Y或Yb離子。
8.如權利要求1或2或3所述方法，其特徵是製作的過渡層是成梯度變化的。
9.如權利要求3所述方法，其特徵是所說的合金層材料為MCrAlR，陶瓷層材料為A12O3。
全文摘要
製備耐高溫磨損塗層的方法，屬於一種改善金屬材料表面耐高溫磨損性能的方法。本方法通過原子束沉積進行塗層的製備；通過電子束或雷射束處理控制塗層體部份的微觀結構；通過離子束等技術強化塗層與基體之間，不同塗層之間的結合。採用荷能束技術進行耐高溫磨損塗層製備可以在真空工作室內連續進行並一次完成，耐高溫磨損塗層中各層的厚度也可通過三束技術進行調節。該工藝可充分有效發揮耐高溫磨損材料的高溫抗磨損性能。採用本工藝可在熱加工工具如無縫鋼管生產用頂頭、軋輥等表面塗覆耐高溫磨損塗層。
文檔編號C23C14/06GK1459514SQ0211376
公開日2003年12月3日 申請日期2002年5月21日 優先權日2002年5月21日
發明者黃寧康, 汪德志, 程劍瑄 申請人:四川大學