CN103161733B - 一种Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮及其制备方法 - Google Patents

一种Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于输送各种流体介质的化学工业用耐腐蚀泵领域，特别涉及一种Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮及其制备工艺，叶轮基体材料为25钢，叶轮基体表面为纳米TiCrN、CrTiN、TiN和CrN的多层混合相结构高硬度涂层，叶轮基体与表面高硬度涂层之间含有一层钛过渡层。具体工艺包括前处理、离子清洗、沉积钛过渡层、沉积表面纳米TiCrN、CrTiN、TiN和CrN的多层混合相结构高硬度涂层。Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与基体间的结合强度，从而提高涂层的耐冲击性和耐磨性，延长叶轮的使用寿命。用该方法制备的叶轮，与未涂层的叶轮相比，耐磨性和耐腐蚀性能有大幅度提高。

Description

一种Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮及其制备方法
技术领域
本发明属于材料涂层领域和化学工业用耐腐蚀泵领域，特别涉及一种Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮及其制备工艺。
背景技术
目前，广泛用于化工、石油、制药、农药、酸洗、染料、油漆、冶炼、造纸、电镀、矿山、冶金、食品等行业输送液体的离心泵有许多种，对于输送腐蚀介质的离心泵的耐腐蚀问题一直是广大科技工作者关注的问题。现有的耐腐蚀泵主要采用钛合金、不锈钢、玻璃钢、硅铁、氟塑料、超高分子量聚乙烯等耐腐蚀材料制成。其中有的材料价格较贵，有的材料制造工艺复杂，尤其是输送的大部分浆液中含有石膏固相物和高含量的氯离子，对叶轮造成严重的磨损和腐蚀。由于叶轮的使用寿命短、价格昂贵，如何快速修复已损坏的叶轮、提高其使用寿命已受到广泛关注。
叶轮的损坏只在表面形成，将表面工程技术应用到耐腐蚀泵叶轮的制造中，可以提高叶轮的防腐耐磨性能，延长新件使用寿命；对于已损坏叶轮，可应用表面工程技术进行修复，使叶轮重新投入使用。
    表面工程技术最常用的一类技术就是涂层，而在涂层材料中，应用最多的属氮化物。氮化物涂层材料中研究最早、应用最广泛的是二元氮化物TiN、CrN和ZrN等；随着涂层技术的不断进步，进行不同元素的三元和多元合金化，TiCN、TiAlN、TiZrN和TiCrN等涂层逐渐被研发并应用，并开发出多层、多元复合涂层、纳米晶等涂层，涂层综合力学性能不断提高，应用也越来越广泛。氮化物单涂层具有相对较差的韧性和耐磨性，通过制备多层复合结构的涂层可以显著提高硬质涂层的韧性、结合强度和耐磨性等综合性能，纳米多层复合结构已经成为涂层的发展方向。
发明内容
本发明的目的是克服现有耐腐蚀泵叶轮材料的上述不足，并克服涂层与叶轮基体结合强度小的不足，提供一种Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮及其制备工艺，提高叶轮的耐腐蚀性能，与现有技术相比，该方法具有节能、制造工艺简单、制造成本低等优点，可明显提高耐腐蚀泵的使用性能和使用寿命。
本发明通过以下方式实现：
一种Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮及其制备方法，叶轮基体1材料为25钢，涂层为纳米Ti、TiCrN、CrTiN、TiN和CrN，叶轮基体表面为TiCrN、CrTiN、TiN和CrN的多层混合相结构高硬度涂层3，为了提高多层混合相结构高硬度涂层3与叶轮基体1之间的结合强度，叶轮基体1与表面多层混合相结构高硬度涂层3之间含有一层钛过渡层2。
制备所述的Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮的方法是：沉积方式为电弧离子镀沉积300~600nm的钛过渡层，然后沉积厚度为800~900nm的氮化钛，具体步骤如下：
(1) 前处理：采用粒度为3mm的金刚石研磨膏手工将叶轮基体表面抛光至镜面光洁度，去除表面油污、锈迹等杂质，对抛光后的叶轮基体进行喷砂处理，并用流体抛光机抛光去除表面的磁性，然后依次放入酒精和丙酮中，在40~50℃的温度下超声波清洗各30min，放入烘箱干燥30min后迅速放入镀膜机，抽真空至7.0×10-3Pa，加热至400℃，保温30~40min；
(2) 离子清洗：通氩气，其压力为2Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；降低偏压至600V，占空比0.2，开启离子源离子清洗20min，开启钛靶的电弧源，偏压400V，靶电流70A，离子轰击钛靶8min；
(3) 沉积钛过渡层：调整氩气气压0.5~0.6Pa，偏压降至250V，沉积温度250℃，钛靶电流80A，电弧镀钛过渡层12min；
 (4) 沉积TiCrN、CrTiN、TiN和CrN层，氩气气压0.5~0.6Pa，偏压100~300V随时间线性变化，沉积温度400℃，钛靶电流70A，铬靶电流90A，，反应气体N2流量300~400sccm范围内随时间线性变化，电弧镀氮化钛和氮化铬层30~40min；
 (5) 后处理：关闭各电源，离子源及气体源，涂层结束。
通过上述工艺制备的Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮，叶轮表面为TiCrN、CrTiN、TiN和CrN的多层混合相结构高硬度涂层3，叶轮基体1与涂层之间有钛过渡层2，以减小残余应力，增加多层混合相结构高硬度涂层3与叶轮基体1间的结合强度。
本发明Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮，含有TiCrN、CrTiN、TiN和CrN的多层混合相结构高硬度涂层3以及韧性金属钛涂层2，可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与叶轮基体1间的结合强度，从而提高涂层的耐磨性，这种纳米多层涂层结构，可以有效弥补氮化物单涂层韧性较差的不足，显著减小叶轮的磨损，延长耐腐蚀泵的使用寿命，该纳米多层涂层叶轮制备工艺容易掌握，生产过程稳定可靠。
附图说明
附图中图1是本发明的涂层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的实施例，用来进一步说明技术解决方案。
由附图1看出，一种Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮及其制备方法，叶轮基体1材料为25钢，涂层为纳米Ti、TiCrN、CrTiN、TiN和CrN，叶轮基体表面为TiCrN、CrTiN、TiN和CrN的多层混合相结构高硬度涂层3，为了提高多层混合相结构高硬度涂层3与叶轮基体1之间的结合强度，叶轮基体1与表面多层混合相结构高硬度涂层3之间含有一层钛过渡层2。
制备所述的Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮的方法是：沉积方式为电弧离子镀沉积300~600nm的钛过渡层，然后沉积厚度为800~900nm的氮化钛，具体步骤如下：
(1) 前处理：采用粒度为3mm的金刚石研磨膏手工将叶轮基体表面抛光至镜面光洁度，去除表面油污、锈迹等杂质，对抛光后的叶轮基体进行喷砂处理，并用流体抛光机抛光去除表面的磁性，然后依次放入酒精和丙酮中，在40~50℃的温度下超声波清洗各30min，放入烘箱干燥30min后迅速放入镀膜机，抽真空至7.0×10-3Pa，加热至400℃，保温30~40min；
(2) 离子清洗：通氩气，其压力为2Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；降低偏压至600V，占空比0.2，开启离子源离子清洗20min，开启钛靶的电弧源，偏压400V，靶电流70A，离子轰击钛靶8min；
(3) 沉积钛过渡层：调整氩气气压0.5~0.6Pa，偏压降至250V，沉积温度250℃，钛靶电流80A，电弧镀钛过渡层12min；
 (4) 沉积TiCrN、CrTiN、TiN和CrN层，氩气气压0.5~0.6Pa，偏压100~300V随时间线性变化，沉积温度400℃，钛靶电流70A，铬靶电流90A，，反应气体N2流量300~400sccm范围内随时间线性变化，电弧镀氮化钛和氮化铬层30~40min；
 (5) 后处理：关闭各电源，离子源及气体源，涂层结束。

Claims (1)

1.一种Ti/TiCrN纳米多层涂层叶轮的制备方法，叶轮基体材料为25钢，涂层为纳米Ti、TiCrN、CrTiN、TiN和CrN，叶轮基体表面为纳米TiCrN、CrTiN、TiN和CrN的多层混合相结构高硬度涂层，叶轮基体与多层混合相结构高硬度涂层之间含有一钛过渡层，其特征在于：沉积方式为电弧离子镀沉积300~600nm的纳米钛过渡层，然后沉积厚度为800~900nm的纳米氮化钛和氮化铬混合物，具体步骤如下：
(1) 前处理：采用粒度为3mm的金刚石研磨膏手工将叶轮基体表面抛光至镜面光洁度，去除表面油污、锈迹杂质，对抛光后的叶轮基体进行喷砂处理，并用流体抛光机抛光去除表面的磁性，然后依次放入酒精和丙酮中，在40~50℃的温度下超声波清洗各30min，放入烘箱干燥30min后迅速放入镀膜机，抽真空至7.0×10-3Pa，加热至400℃，保温30~40min；
(2) 离子清洗：通氩气，其压力为2Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0.2，辉光放电清洗15min；降低偏压至600V，占空比0.2，开启离子源离子清洗20min，开启钛靶的电弧源，偏压400V，靶电流70A，离子轰击钛靶8min；
(3) 沉积钛过渡层：调整氩气气压0.5~0.6Pa，偏压降至250V，沉积温度250℃，钛靶电流80A，电弧镀钛过渡层12min；
 (4) 沉积TiCrN、CrTiN、TiN和CrN层，氩气气压0.5~0.6Pa，偏压100~300V随时间线性变化，沉积温度400℃，钛靶电流70A，铬靶电流90A，反应气体N2流量300~400sccm范围内随时间线性变化，电弧镀氮化钛和氮化铬层30~40min；
 (5) 后处理：关闭各电源，离子源及气体源，涂层结束。
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