鈦合金表面製備非晶-納米晶二矽化鉬基耐磨耐蝕塗層的複合表面處理工藝的製作方法

2023-04-24 21:40:26 2

專利名稱：鈦合金表面製備非晶-納米晶二矽化鉬基耐磨耐蝕塗層的複合表面處理工藝的製作方法
技術領域：
本發明提供了一種原位製備多相複合Si3N4/Mo5Si3/MoSi2非晶-納米晶耐磨耐蝕塗層的複合表面處理新方法。適用於在鈦合金表面製備先進的表面高強韌性、高耐磨、耐腐蝕複合材料製備領域，涉及到金屬-非金屬等離子濺射沉積技術、離子氮化技術、原位合成以及沉積材料種類。
背景技術：
鈦合金作為一種重要的結構材料，具有密度低、比強度高、抗腐蝕能力強和中溫性能穩定等優點，在航空航天、艦船、石油、化工、生物醫學等領域得到廣泛的應用。但是鈦合金的不足制約了其應用範圍的進一步拓展，主要表現在以下三個方面①鈦合金低硬度，低塑性剪切抗力以及對粘著和微動磨損具有高度的敏感性，導致其低的耐磨性能。②鈦合金中Al含量低，不足以在表面形成連續、緻密、具有保護性的Al2O3膜，作為高溫部件使用時其抗氧化性能相對不足限制其最高使用溫度範圍僅為600°C左右。③鈦合金在鹽酸、氫氟酸、稀硫酸和磷酸等非氧化性酸性介質中耐蝕性較差。尤其是對於近海飛行的飛機，由於承受海洋帶來的含鹽水汽的腐蝕作用下，發動機部件的腐蝕速率會顯著加快。如何提高鈦合金的耐磨性、耐蝕和抗高溫氧化性能成為國內外學者的關注與研究熱點之一。採用先進的表面改性技術為手段，在鈦合金表面製備耐磨、耐蝕和抗氧化塗層是解決上述問題的有效方法之一。金屬矽化物MoSi2以其高熔點、高硬度和誘人的高溫物理化學性能，被認為是極具競爭力的新型高溫結構材料。但MoSi2的室溫脆性嚴重阻礙了其實際應用，而利用複合化可以有效改善金屬矽化物的本徵脆性。大部分MoSi2基複合材料是通過外加法得到的，且通常只添加一種類型的增強相。文獻表明添加一種類型的增強相改善MoSi2室溫韌性的能力有限，若同時耦合多種增韌相則能夠更大程度上提高MoSi2基材料的韌性。例如向MoSi2中同時添加Mo5Si3和La3O3所能得到的機械性能優於單一添加Mo5Si3。多相SiC/Si3N4/MoSi2纖維複合材料韌性可高達35MPam1/2。

發明內容
解決的技術問題本發明通過調整靶材中Mo、Si、Al元素的含量，預先在鈦合金基 體上沉積得到不同Al含量的MoSi2納米晶塗層。然後通入N2，調整沉積工藝，通過氮化反應15MoSi2+14N2 — 3Mo5Si3+7Si3N4,原位生成納米級Mo5Si3和非晶Si3N4,從而在鈦合金基體表面原位生成不同Al含量的多相複合Si3N4/Mo5Si3/MoSi2非晶-納米晶耐磨耐蝕塗層。該複合非晶-納米晶矽化物塗層具有高韌性、高硬度、優異的耐蝕性、耐磨和抗氧化性能。
技術方案等離子濺射裝置為雙陰極結構，通過調節靶材與工件電壓以及通入真空室中的Ar氣與N2氣氣壓，達到控制靶材(提供欲沉積的合金)的濺射量與工件表面的溫度。鈦合金表面製備非晶-納米晶二矽化鑰基耐磨耐蝕塗層的複合表面處理工藝，主要製備工藝步驟為
a.首先進行雙陰極等離子濺射沉積，工藝參數如下靶材電壓50(T1000V，工件電壓300 450 V，靶材與工件間距10 30 mm，工作氣壓20 45Pa，沉積溫度45(T850°C ；
b.然後進行離子氮化，工藝參數如下工件電壓65(T850V，氮化溫度45(T60(TC，工作氣壓2(T45Pa，氮分壓0. 1-1 Pa ;離子氮化時間1_2小時；
c.濺射的靶材的種類；
d.工件材料的種類鈦合金。步驟a所述靶材電壓800V，工件電壓400V，靶材與工件間距25 mm，工作氣壓40Pa，沉積溫度800°C。步驟b所述工件電壓800V，氮化溫度500°C，工作氣壓35Pa，氮分壓0. 5 Pa ;離子氮化時間I. 5小時。有益效果
I.多相複合Si3N4/Mo5Si3/MoSi2非晶-納米晶塗層的高硬度和高韌性。本發明利用雙陰極等離子濺射得到的多相複合非晶-納米晶塗層是由平均晶粒尺寸為IOnm的Mo5Si3和平均晶粒尺寸為5nm的MoSi2以及大量非晶態的SiNx組成，如圖2所示。由於MoSi2與Mo5Si3晶粒尺寸較小，根據文獻報導，在此尺寸範圍內材料的主要變形機制已由傳統的位錯的形成與運動為主導變為由晶界滑動和擴散蠕變主導。晶界滑移能夠有效的釋放裂紋尖端應力集中，鈍化裂紋，使裂紋擴展困難，從而增加了多相複合非晶-納米晶塗層韌性。而分布於晶界上大量的SiNx有助於塗層獲得高的硬度。2.多相Si3N4/Mo5Si3/MoSi2複合非晶-納米晶塗層的高耐磨性能與耐腐蝕性能。納米級晶粒尺寸導致多相複合非晶-納米晶塗層高的硬度(38GPa)，添加Al元素產生固溶硬化效應，能夠進一步提高多相複合非晶-納米晶塗層的硬度，例如添加10at%Al元素後塗層的硬度可達45GPa。由於多相複合非晶-納米晶塗層不但具有高的硬度，還具有高的韌性，特別是添加Al元素後的塗層，因此其具有優異的耐磨性能。在3. 5wt. %NaCl溶液中的腐蝕性能測試結果表明，多相Si3N4/Mo5Si3/MoSi2複合非晶-納米晶塗層的維鈍電流較鈦合金下降I個數量級，且Al的添加能夠進一步提高梯度複合塗層的耐腐蝕性能。


圖I為添加10at%Al的非晶-納米晶矽化物塗層橫截面SEM照片；
圖2為添加10at%Al的非晶-納米晶矽化物塗層明場相TEM照片。
具體實施方案
下面結合實施例對本發明作進一步詳細說明。
實施例I
鈦合金表面製備非晶-納米晶二矽化鑰基耐磨耐蝕塗層的複合表面處理工藝，步驟為
a.首先進行雙陰極等離子濺射沉積，工藝參數如下靶材電壓800V，工件電壓400V，靶材與工件間距25 mm，工作氣壓40Pa，沉積溫度800°C ；
b.然後進行離子氮化，工藝參數如下工件電壓800V，氮化溫度50(TC，工作氣壓35Pa，氮分壓0. 5 Pa ;離子氮化時間I. 5小時；
c.濺射的靶材的種類Woa3(Sic^Alai)0.7 ；
d.工件材料的種類鈦合金。圖I為以熱等靜壓工藝製備的成分配比為Moa3 (SiQ.9Q，Al。」。)Q.7粉末冶金燒結板為靶材，在鈦合金表面所形成多相複合非晶-納米晶塗層的SEM照片，可以看出塗層連續緻密，無明顯缺陷。圖2為該多相複合非晶-納米晶塗層的透射電鏡照片。通過透射電鏡觀察可以看出塗層是由平均晶粒尺寸約為5nm的MoSi2和平均晶粒尺寸約為IOnm Mo5Si3以及大量分布在納米晶間非晶Si3N4組成。利用壓痕法評價塗層的韌性表明壓入載荷為IOOOg時顯微硬度壓痕周圍沒有觀察到裂紋的出現，證明多相複合非晶-納米晶塗層具有高的韌性。對該塗層在室溫，ZrO2為摩擦副條件下磨損試驗結果表明多相複合非晶-納米晶塗層比磨損率較鈦合金基體降低了 3個數量級。在3. 5wt. %NaCl溶液中的腐蝕性能測試結果表明，本發明所製得的多相複合非晶-納米晶塗層較鈦合金具有更低的自腐蝕電流密度以及維鈍電流密度，高的極化電阻，從而大大提高了基體的耐腐蝕性能。本發明採用雙陰極金屬-非金屬等離子濺射沉積技術，在Ti-6A1_4V表面預製備納米晶MoSi2和Cr、Al合金化的MoSi2塗層，然後進行離子氮化,利用原位反應自生成的Mo5Si3/Si3N4協同強韌化MoSi2基納米晶複合塗層。通過控制靶材成分與複合工藝參數，同時實現對MoSi2基體合金化與原位複合一體化。原位自生成的Mo5Si3與Si3N4不僅具有協同強韌化的作用，而且可有效抑制納米晶的長大，提高納米晶塗層的組織穩定性。該塗層耦合集成了合金化、多相複合協同、納米化三種強韌化方法，並基於它們的協同效應，在克服MoSi2的低溫本徵脆性的同時，改善MoSi2的耐磨損、耐腐蝕以及中低溫抗氧化性能的不足。實施例2
鈦合金表面製備非晶-納米晶二矽化鑰基耐磨耐蝕塗層的複合表面處理工藝，其主要製備工藝步驟為a.首先進行雙陰極等離子濺射沉積，工藝參數如下靶材電壓1000 V，工件電壓450 V，靶材與工件間距30 mm，工作氣壓45Pa，沉積溫度650°C;b.然後進行離子氮化，工藝參數如下工件電壓850V，氮化溫度600°C，工作氣壓45Pa，氮分壓I Pa ;離子氮化時間2小時；c.濺射的靶材的種類Moa3 (Si0.90) Al0.10)0.7 ；d.工件材料的種類鈦合金。所得塗層性能略低於實施例I。實施例3
鈦合金表面製備非晶-納米晶二矽化鑰基耐磨耐蝕塗層的複合表面處理工藝，其主要製備工藝步驟為a.首先進行雙陰極等離子濺射沉積，工藝參數如下靶材電壓500 V，工件電壓300V，靶材與工件間距10mm，工作氣壓20Pa，沉積溫度450°C ；b.然後進行離子氮化，工藝參數如下工件電壓650V，氮化溫度450°C，工作氣壓20Pa，氮分壓0. IPa ;離子氮化時間I小時；c.濺射的靶材的種類Moci 3 (Si0.90,Al0.10)0.7 ；d.工件材料的種類鈦合金。所得塗層性能略低於實施例I。
權利要求
1.鈦合金表面製備非晶-納米晶二矽化鑰基耐磨耐蝕塗層的複合表面處理工藝，其特徵在於主要製備工藝步驟為 a.首先進行雙陰極等離子濺射沉積，工藝參數如下靶材電壓50(T1000V，工件電壓300 450 V，靶材與工件間距10 30 mm，工作氣壓20 45Pa，沉積溫度45(T850°C ； b.然後進行離子氮化，工藝參數如下工件電壓65(T850V，氮化溫度45(T60(TC，工作氣壓2(T45Pa，氮分壓0. 1-1 Pa ;離子氮化時間1_2小時；c.濺射的靶材的種類=Mo0.卜0.3(Si0.90，Al0.10)0.9_0.7； d.工件材料的種類鈦合金。
2.根據權利要求I所述的鈦合金表面製備非晶-納米晶二矽化鑰基耐磨耐蝕塗層的複合表面處理工藝，其特徵在於所述步驟a中靶材電壓800V，工件電壓400V，靶材與工件間距25 mm,工作氣壓40Pa，沉積溫度800°C。
3.根據權利要求I所述的鈦合金表面製備非晶-納米晶二矽化鑰基耐磨耐蝕塗層的複合表面處理工藝，其特徵在於所述步驟b中工件電壓800V，氮化溫度500°C，工作氣壓35Pa，氮分壓0. 5 Pa ;離子氮化時間I. 5小時。
全文摘要
鈦合金表面製備非晶-納米晶二矽化鉬基耐磨耐蝕塗層的複合表面處理工藝，主要製備工藝步驟為首先進行雙陰極等離子濺射沉積，工藝參數如下靶材電壓500~1000V，工件電壓300~450V，靶材與工件間距10~30mm，工作氣壓20~45Pa，沉積溫度450~850℃；然後進行離子氮化，工藝參數如下:工件電壓650~850V，氮化溫度450~600℃，工作氣壓20~45Pa，氮分壓0.1-1Pa；離子氮化時間1-2小時；濺射的靶材的種類Mo0.1-0.3(Si0.90,Al0.10)0.9-0.7；工件材料的種類鈦合金。該複合非晶-納米晶矽化物塗層具有高韌性、高硬度、優異的耐蝕性、耐磨和抗氧化性能。
文檔編號C23C14/34GK102644054SQ20121013290
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月28日 優先權日2012年4月28日
發明者徐江, 李正陽, 毛相震 申請人:南京航空航天大學