CN102660732B - 制备(Ti,Al)BN陶瓷基非晶-纳米晶耐磨耐蚀复合涂层的工艺 - Google Patents
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Abstract
制备(Ti,Al)BN陶瓷基非晶-纳米晶耐磨耐蚀复合涂层的工艺，步骤为：首先进行双阴极等离子溅射沉积；然后进行离子氮化；溅射的靶材的种类：以热等静压工艺制备的成分质量配比为Ti:B:Al=6:3:1粉末冶金烧结板；工件材料的种类：钛合金。本发明利用双阴极等离子溅射技术，通过调整靶材的成分和气体之间的比例，实现了原位生成(Ti,Al)BN非晶-纳米晶复合涂层。简化了制备工艺，提高了涂层整体性能。
Description
技术领域：
本发明提供了一种原位生成 (Ti,Al)BN陶瓷基非晶-纳米晶耐磨耐蚀涂层新方法。适用于在钛合金表面制备先进的表面高强韧性、高耐磨、耐腐蚀复合材料制备领域，涉及到金属-非金属等离子溅射沉积技术、离子氮化技术、原位合成以及沉积材料种类。
背景技术
钛及钛合金作为一种重要结构材料，具有密度低、比强度高、抗腐蚀能力强和中温性能稳定等优点，因而被军用以及民用领域广泛应用。但是钛及钛合金的耐磨损性能差，在还原性酸溶液中易被腐蚀等弱点制约了其应用范围。磨损与腐蚀是工程材料在使用过程中主要的失效形式，然而这些失效现象大都发生在材料表面，与材料的表面状态密切相关。因此采用各种先进的表面技术获得良好的改性涂层来提高钛及钛合金的表面性能，已经成为延长其使用寿命、拓展其进一步应用范围的有效途径。钛硼系化合物(TiB2 和TiB)具有高熔点、高硬度、低密度、耐磨性好、高的抗化学腐蚀性等诸多优异性能，是非常具有应用潜力的应用材料。且与钛合金的热膨胀系数相差不大，若可作为钛合金表面保护涂层，将大大提高钛及钛合金的耐磨性能和耐腐蚀性能。用 BN 粉末对 Ti-6Al-4V 合金进行激光表面合金化结果表明，BN 在激光熔池中分解并与基体形成 TiN和TiB等化合物，从而使合金化层的表面硬度达到 1500～1700HV0.2，耐磨性能得到较大提高。用 PECVD技术制备的TiBN 涂层相组成为TiN, TiB和TiB2，硬度达到55GPa，并具有较好的腐蚀抗力。但钛硼系化合物涂层的脆性大以及与基材结合力差的缺点限制其应用。
发明内容
解决的技术问题：本发明的目的在于通过金属-非金属等离子溅射沉积技术和离子氮化技术为手段，通过调整靶材中Ti、B、Al元素的含量，在钛合金基体上沉积得到纳米晶TiB2和(Ti,Al)B2涂层。然后在含一定量N2的气氛中进行离子氮化，可在钛合金基体上原位生成非晶-纳米晶TiBN和非晶-纳米晶(Ti,Al)BN涂层。
技术方案：等离子溅射装置为双阴极结构，通过调节靶材与工件电压以及通入真空室中的Ar气与N2气气压，达到控制靶材（提供欲沉积的合金）的溅射量与工件表面的温度。
制备 (Ti,Al)BN陶瓷基非晶-纳米晶耐磨耐蚀复合涂层的工艺，步骤为：a.首先进行双阴极等离子溅射沉积，工艺参数如下：靶材电压500~1000 V，工件电压300~450 V，靶材与工件间距10~30 mm，工作气压20~45Pa，沉积温度450~650℃；b.然后进行离子氮化，工艺参数如下: 工件电压650~850V，氮化温度450~600℃，工作气压20~45Pa，氮分压0.1-1 Pa；离子氮化1～2小时；c.溅射的靶材的种类：以热等静压工艺制备的成分质量配比为Ti:B:Al=6:3:1粉末冶金烧结板；d.工件材料的种类：钛合金。
步骤a中所述靶材电压800 V，工件电压400 V，靶材与工件间距20 mm，工作气压35Pa，沉积温度500℃。
步骤b中所述工件电压800V，氮化温度500℃，工作气压35Pa，氮分压0.5 Pa；离子氮化1.5小时。
有益效果：
1. 实现了TiB的合金化。本发明利用双阴极等离子溅射技术，通过调整靶材的成分和气体之间的比例，实现了原位生成 (Ti,Al)BN非晶-纳米晶复合涂层。简化了制备工艺，提高了涂层整体性能。
2. (Ti,Al)BN非晶-纳米晶复合涂层高的硬度与韧性。本发明利用双阴极等离子溅射技术得到的 (Ti,Al)BN非晶-纳米晶复合涂层是由平均晶粒尺寸为5nm的(Ti,Al)B和大量非晶态的BN组成，如图2所示，由于晶粒细化与晶界上分布大量非晶，这种特殊的微观结构赋予了涂层高的硬度与韧性。
3. (Ti,Al)BN非晶-纳米晶复合涂层高耐磨性能与耐腐蚀性能以及抗氧化性能。对涂层的磨损性能测试表明，(Ti,Al)BN非晶-纳米晶复合涂层比磨损率较钛合金基体降低了3个数量级，在3.5wt.%NaCl 溶液中的腐蚀性能测试结果表明，本专利所制得的多相复合非晶-纳米晶涂层较钛合金具有更低的自腐蚀电流密度以及维钝电流密度，高的极化电阻，从而大大提高了基体的耐腐蚀性能。(Ti,Al)BN非晶-纳米晶复合涂层在600℃和700℃氧化100小时结果表明， Al元素的添加明显提高了涂层抗氧化性能，表面生成的氧化膜致密且与涂层结合紧密。
附图说明
图1为(Ti,Al)BN非晶-纳米晶涂层横截面SEM照片；
图2为(Ti,Al)BN非晶-纳米晶涂层，其中(a)为明场相TEM照片，(b)为相应暗场相TEM照片。
具体实施方案
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
制备 (Ti,Al)BN陶瓷基非晶-纳米晶耐磨耐蚀复合涂层的工艺，步骤为：
a. 首先进行双阴极等离子溅射沉积，工艺参数如下：靶材电压800 V，工件电压400 V，靶材与工件间距20 mm，工作气压35Pa，沉积温度500℃；
b. 然后进行离子氮化，工艺参数如下: 工件电压800V，工件温度500℃，工作气压35Pa，氮分压0.5 Pa；离子氮化1.5小时。
c.溅射的靶材的种类：以热等静压工艺制备的成分质量配比为Ti:B:Al=6:3:1粉末冶金烧结板；
d. 工件材料的种类：钛合金。
图1为以热等静压工艺制备的成分配比为Ti:B:Al=6:3:1粉末冶金烧结板为靶材，在纯Ti表面所形成多元合金化(Ti,Al)BN非晶-纳米晶复合涂层的SEM照片，可以看出涂层连续致密，无明显缺陷。图2为 (Ti,Al)BN非晶-纳米晶复合涂层的透射电镜照片。通过透射电镜观察可以看出涂层是由平均晶粒尺寸为5nm的(Ti,Al)B和大量非晶态的BN组成。非晶-纳米晶复合涂层的硬度为43GPa，弹性模量为379GPa，涂层与基体的结合力为63N。利用压痕法证明该非晶-纳米晶复合涂层具有高的韧性。对该涂层在室温，ZrO2为摩擦副条件下磨损试验结果表明：非晶-纳米晶复合涂层比磨损率较比磨损率较钛合金基体降低了3个数量级。在3.5wt.%NaCl 溶液中的腐蚀性能测试结果表明，本发明所制得的非晶-纳米晶复合涂层具有较基体维钝电流密度降低了2个数量级，极化电阻提高了一个数量级，明显改善了基体的耐腐蚀性能。在600℃和700℃对非晶-纳米晶复合涂层氧化100小时结果表明，涂层表面生成了一层致密且与涂层结合紧密的Al2O3氧化膜，Al元素的添加明显提高了涂层抗氧化性能。
本发明通过金属-非金属等离子溅射沉积技术在钛合金表面预制备纳米晶TiB2和(Ti,Al)B2涂层，然后进行离子氮化，原位形成非晶/纳米晶复合涂层。分布在纳米晶晶间的非晶BN化合物具有低的弹性模量，能够在纳米晶粒之间起到晶相兼容的作用，即有外力作用时容许纳米颗粒有一定程度的位移，降低体系的有效弹性模量，增强材料的韧性，从而提高材料的磨损抗力。此外，通过在靶材中加入一定含量的Al，可对涂层进行Al合金化，有利于改善涂层的抗氧化性能。
实施例2
制备 (Ti,Al)BN陶瓷基非晶-纳米晶耐磨耐蚀复合涂层的工艺，步骤为：首先进行双阴极等离子溅射沉积，工艺参数如下：靶材电压1000 V，工件电压450 V，靶材与工件间距30 mm，工作气压45Pa，沉积温度650℃；然后进行离子氮化，工艺参数如下: 工件电压850V，氮化温度600℃，工作气压45Pa，氮分压1 Pa；离子氮化2小时；溅射的靶材的种类：以热等静压工艺制备的成分质量配比为Ti:B:Al=6:3:1粉末冶金烧结板；工件材料的种类：钛合金。所得涂层性能略低于实施例1。
实施例3
制备 (Ti,Al)BN陶瓷基非晶-纳米晶耐磨耐蚀复合涂层的工艺，步骤为：首先进行双阴极等离子溅射沉积，工艺参数如下：靶材电压500 V，工件电压300 V，靶材与工件间距10 mm，工作气压20Pa，沉积温度450℃；然后进行离子氮化，工艺参数如下: 工件电压650V，氮化温度450℃，工作气压20Pa，氮分压0.1 Pa；离子氮化1小时；溅射的靶材的种类：以热等静压工艺制备的成分质量配比为Ti:B:Al=6:3:1粉末冶金烧结板；工件材料的种类：钛合金。所得涂层性能略低于实施例1。
Claims (1)
1.制备 (Ti,Al)BN陶瓷基非晶-纳米晶耐磨耐蚀复合涂层的工艺，其特征在于步骤为：
a. 首先进行双阴极等离子溅射沉积，工艺参数如下：靶材电压800 V，工件电压400V，靶材与工件间距20 mm，工作气压35Pa，沉积温度500℃；
b. 然后进行离子氮化，工艺参数如下: 工件电压800V，氮化温度500℃，工作气压35Pa，氮分压0.5 Pa；离子氮化1.5小时；
c.溅射的靶材的种类：以热等静压工艺制备的成分质量配比为Ti:B:Al=6:3:1粉末冶金烧结板；
d. 工件材料的种类：钛合金。
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