金屬表面形成ZrO₂陶瓷複合材料的方法

2023-06-05 22:39:26

專利名稱：金屬表面形成ZrO2陶瓷複合材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種等離子表面冶金的方法，尤其是一種在金屬表面形成Zr02陶瓷與鋯合金 複合層的方法。
技術背景氧化鋯由於高硬度、高強度、耐磨損、耐高溫及電絕緣等優良性能，是一種具有很大發 展潛力的熱障塗層材料。目前Zr02熱障塗層常用的製備方法有等離子噴塗法、火焰噴塗法、 低壓等離子噴塗法、超音速等離子噴塗、雷射束重熔等離子噴塗、爆炸噴塗等。其中，等離子 噴塗是最常用的方法之一。熱噴塗Zr02塗層具有多種優異性能，但仍然存在著孔隙率較高、 易剝落、塗層不耐磨、耐腐蝕性差等缺點。利用離子滲鋯及氧化複合處理在金屬表面製備的 Zr02陶瓷複合材料層不僅具有優良的抗氧化及耐磨損性能，而且由於複合層是在高溫擴散相 變形成，滲層組織均勻緻密，與基體冶金結合，使用中不會出現剝落現象。本發明金屬表面形成Zr02陶瓷複合材料的方法中的離子滲鋯採用"雙層輝光放電離子滲 金屬技術"(美國專利，專利號4731539)。該發明專利是在離子氮化的基礎上，利用稀薄氣 體(Ar)中的輝光放電及濺射現象，將欲滲的合金元素組成的固態合金源極中的合金元素濺 射出來，並吸附、擴散滲入到被輝光放電加熱到高溫的由導電物質組成的工件表面，從而在 其表面形成具有特殊性能的表面合金層。本發明專利與"雙層輝光放電離子滲金屬技術"發明專利不同之處是"雙層輝光放電離 子滲金屬技術"是在鋼鐵表面形成合金層，而本發明可以在不同金屬材料表面形成氧化鋯陶 瓷和鋯合金複合層。 發明內容本發明的目的在於提供一種在金屬表面形成Zr02陶瓷複合材料的方法。本發明的目的是通過等離子滲鋯和氧化複合處理工藝或方法實現在金屬表面形成Zr02陶 瓷複合材料。其技術特徵在於將雙層輝光離子滲鋯方法與氧化處理方法相結合，在金屬材料 表面形成Zr02陶瓷與鋯合金複合層。本發明的基本原理為首先在真空容器中通入氬氣，進行離子滲鋯，然後通入氧氣進行 氧化處理，在金屬表面形成氧化鋯與鋯合金複合層。本發明的具體方法步驟如下 l.工藝設備要求
在可真空的容器中分別設置源極、陰極和陽極。源極由欲滲合金元素組成，陰極放置金 屬基材，陽極為爐殼。在陽極與陰極，陽極與源極之間各設置有0 1500V的可調直流電源。2. 源極製作源極材料為冶金製作的99.999%的鋯材，源極形狀可根據需求加工成板狀、柱狀、狀筒 或絲狀。3. 基材選擇與鋯有一定固溶度的金屬固體材料均可通過離子滲鋯處理得到含鋯合金層。通常基材選 用碳鋼、合金鋼或複合金屬材料。4. 雙層輝光離子滲鋯滲鋯前，抽真空並使真空度達1X10—卞a後，通入氬氣，接通陰極電源，加入直流電壓， 在陰極與陽極之間產生輝光放電，加熱基材到50(TC 100(TC，並在該溫度下對其表面進行 預轟擊。然後接通源極電源，加入直流電壓，使陰極與陽極之間的電壓在-300V -700V範圍， 源極與陽極的電壓在-700V -1400V範圍，利用陰極與源極之間產生空心陰極效應進行離子 滲鋯。離子滲鋯過程中，源極中的鋯由於氬離子的轟擊被濺射出來，這些逸出源極表面的鋯 原子高速飛向金屬表面，被金屬表面所吸附，並在高溫下擴散進入金屬表層，形成含鋯梯度 合金層。合金層表面成分為純鋯，內部為鋯合金層。保溫時間l-5小時。5. 氧化處理在金屬表面形成鋯梯度合金層後，斷開源極電源。加入氧氣，達到100 Pa 30(K) Pa之 間的工作氣壓，加入直流電壓，陰極與陽極之間產生輝光放電，其電壓在-300V -1000V範 圍之間，進行低於120(TC氧化處理。氧化處理後，滲金屬形成的合金層中的純鋯層轉變為Zr02 陶瓷材料，滲層內部的鋯及基材組成元素與氧結合形成混合氧化物，在基材附近是鋯與基材 組成元素的擴散層。本發明的工藝過程除用以上方法，即在同一真空容器中進行離子滲鋯和氧化複合處理工 藝過程外，也可以在離子滲鋯工藝完成後將工件取出並將其放倒空氣爐中進行氧化處理。 本發明的用途及優點1. Zr02陶瓷層具有高硬度、高強度、耐磨損、耐高溫及電絕緣等優良性能，可在航空航 天、軍工、核反應、原子能以及化工等領域應用。2. 表面Zr02陶瓷和鋯合金複合材料既具有金屬良好的物理、力學性能，又具有Zr02陶瓷 材料的優點與用途。3. 可一次性形成鋯沉積層及鋯合金滲層，滲層組織緻密，成分可控，與金屬基體結合牢 固，使用時不易剝落。4.本發明金屬表面形成Zr02陶瓷複合材料的方法，工藝過程簡單，節省能源，成本低廉， 無環境汙染。
具體實施方式
下面用實施例能夠進一步詳細說明本發明的技術特徵。 實施例1在TiSi30表面形成Zr02陶瓷和鋯合金複合層(工藝過程分為兩步) 第一步將鋯板固定在源極上，TiSi30工件放置在陰極上，陽極接在爐殼上並接地。首 先，抽真空達真空度1X10—卞a後，通入氬氣至20Pa左右，接通陰極電源，在陽極與陰極間 緩慢加入直流電壓，當溫度升至900'C時，進行預轟擊30min。然後，將陰極電壓調至-450V， 同時接通源極電源，在陽極與源極間加直流電壓，使源極電壓為-IOOOV，在90(TC溫度保溫 3h後，斷開源極與陰極電源，使工件緩冷到室溫。在TiSi30表面形成厚度約20um的鋯滲 層，該合金層由厚為8pm鋯沉積層(含少量Si)及12um的Zr-Si-Ti合金層構成。第二步通入氧氣，使真空度為250Pa後，接通陰極電源，在陰極與陽極之間加入直流 電壓，調陰極電壓為-650V，升高溫度到90(TC，並保溫3小時，即可獲得由氧化鋯(含少量 氧化矽)陶瓷層，含鋯、矽及鈦的氧化物混合層和Zr-Si-Ti合金層構成的厚度約25um複合 材料層。實施例2在3Crl3或20鋼表面形成Zr02陶瓷和鋯合金複合層(工藝過程分為兩步) 第一步將鋯板固定在源極上，3Crl3或20鋼放置在陰極上，陽極接在爐殼上並接地。 首先，抽真空達真空度1X10—卞a後，通入氬氣至20Pa左右，接通陰極電源，在陽極與陰極 間緩慢加入直流電壓，當溫度升至860'C時，進行預轟擊30min。然後，將陰極電壓調至-400V， 同時接通源極電源，在陽極與源極間加直流電壓，使源極電壓為-900V，在90(TC溫度保溫3h 後，斷開源極與陰極電源，使工件緩冷到室溫。在3Crl3和20鋼表面分別形成厚度約18ym 和30 ii m的鋯滲層。3Crl3鋼表面合金層包括厚為8 u m鋯沉積層及10 n m的Zr-Fe_Cr-C合 金層，而20鋼表面由13um鋯沉積層及17um的Zr-Fe-C合金層構成。第二步通入氧氣，使真空度為250Pa後，接通陰極電源，在陰極與陽極之間加入直流 電壓，調陰極電壓為-650V，升溫到900。C保溫3小時，對於3Crl3鋼可獲得由氧化鋯陶瓷層， 含鋯、鐵及鉻的氧化物混合層和Zr-Fe-Cr-C合金層構成的厚度約23um複合材料層。對於 20鋼可獲得由氧化鋯陶瓷層,含鋯及鐵的氧化物混合層和Zr-Fe-C合金層構成的厚度約36um 複合材料層。
權利要求
1.金屬表面形成ZrO2陶瓷複合材料的方法，包括離子滲金屬及氧化處理工藝或方法，其特徵在於用鋯源極對陰極的金屬表面進行離子滲形成鋯及鋯合金層，滲鋯時陰極與陽極間的電壓-300V～-700V，源極與陽極間的電壓-700V～-1400V，加熱溫度500℃～1000℃，然後進行氧化處理，形成ZrO2陶瓷複合材料層。
2. 如權利要求1所述的金屬表面形成Zr02陶瓷複合材料的方法，其特徵在於金屬是具有 鋯固溶度的金屬固體材料。
3. 如權利要求2所述的金屬表面形成Zr02陶瓷複合材料的方法，其特徵在於具有鋯固溶 度的金屬固體材料是碳鋼、合金鋼或複合金屬材料。
4. 如權利要求1、 2和3所述的金屬表面形成Zr02陶瓷複合材料的方法，其特徵在於鋯是 99. 999 %的鋯材。
5. 如權利要求1所述的金屬表面形成Zr02陶瓷複合材料的方法，其特徵在於鋯材的源極 形狀是板狀、柱狀，筒狀或絲狀。
6. 如權利要求1所述的金屬表面形成Zr02陶瓷複合材料的方法，其特徵在於氧化處理可 以在真空容器中進行處理，也可以在空氣爐中進行處理。
7. 如權利要求1和6所述的金屬表面形成Zr02陶瓷複合材料的方法，其特徵在於在真空 容器中進行氧化處理時，其工作氣壓100 Pa 3000 Pa，電壓-300V _1000V，溫度600 。C 120(TC，時間lh 5h。
全文摘要
本發明公開了一種金屬表面形成ZrO2陶瓷複合材料的方法，該方法通過雙層輝光離子滲鋯在金屬表面形成鋯梯度合金層，後通過氧化處理形成氧化鋯與鋯合金複合層。本發明簡單實用，成本低廉，形成的表面ZrO2陶瓷複合材料既具有金屬材料良好的物理、力學性能，又具有ZrO2陶瓷的優點，可用於耐磨損、耐高溫及耐腐蝕領域，極具有市場潛力及應用價值。
文檔編號C23C28/00GK101158041SQ20071013941
公開日2008年4月9日 申請日期2007年9月11日 優先權日2007年9月11日
發明者劉小萍, 賓 唐, 王振霞, 王文波, 賀志勇 申請人:太原理工大學