CN108342705A - 具有自愈合功能的Ta基高温防护涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有自愈合功能的Ta基高温防护涂层的制备方法，其步骤为：以99.99%高纯Ta圆形块体材料作为磁控溅射靶材，采用直流磁控溅射方法，在洁净的不锈钢衬底上进行预溅射，制备一层完全覆盖的Ta薄膜，获得具有α相的Ta的中间层；分别选取99.99%高纯Ta圆形块体材料和高纯Ag靶材作为溅射原材料，采用两个直流磁控溅射电源对两种靶材进行单独调控，在具有α相的Ta的中间层上制备Ta‑Ag自愈合高温防护层。本发明能够实现对自愈合层的组织调控，Ta‑Ag复合薄膜组织中，Ag固溶于金属Ta的晶格中形成超固溶体，在高温裂纹产生时，空位和微裂纹可通过沉淀相Ag的形成并填充到空位而达到愈合；且生成的氧化钽能在薄膜表面形成保护层，阻止氧化的进一步的进行。

Description

具有自愈合功能的Ta基高温防护涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及物理气相沉积技术领域，涉及一种具有自愈合功能的Ta基高温防护涂层的制备方法。
背景技术
冶金、铸造、石油以及化工行业大部分设备都工作在高温环境中，碳钢在高温条件下表面被氧化成一层氧化膜，容易脱落，其高温耐磨性差，高温合金虽然具有很好的耐腐蚀及耐磨性能，但材料的价格较为昂贵。因此应用表面技术制备具有高温耐腐蚀和耐磨的涂层成为一种经济和实用的技术。开发具有自愈合性能的材料受到广泛关注。在金属体系中，自愈合的前景不乐观，由于金属中愈合剂原子扩散受到抑制，只有通过加热到高温达到部分熔化或引入新液态金属来实现。目前研究中，利用超饱和固溶体的沉淀相填充空位和微裂纹是实现合金自愈合的有效方法之一。从高温单相区域快速冷却，多余溶质原子来不及从基体析出，导致基体中固溶原子处于过饱和状态，使得金属基体的热力学状态变成亚稳态，提高了金属系统整体能量，而在特定的条件下，系统有降低多余能量以获得稳定状态的趋势，这就驱动了沉淀过程，包括多余的溶质原子迁移到形核位置，将溶质原子排列到低能位置，形成团簇，最后形成沉淀相，空位和微裂纹由于沉淀相的形成并填充到空位而愈合。
Lumley和Polmear报道时效前的Al-Cu-Mg-Ag合金处于蠕变实验时的自愈合。愈合行为主要是由基体中存在的溶质原子动态沉淀驱动，阻碍了蠕变中的位错运动；研究人员曾研究一种SnAl自愈合涂层材料，该涂层可以在高温下自行愈合涂层自身或使用中产生的缺陷，从而具有自愈合能力。自愈合性使涂层的寿命大大延长，解决了高温涂层的最主要问题。这种复合涂层在高温换热器和高温除尘器制造领域有着广阔的应用市场。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有自愈合功能的Ta基高温防护涂层的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种具有自愈合功能的Ta基高温防护涂层的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，物理气相沉积中间层：以99.99％高纯Ta圆形块体材料作为磁控溅射靶材，采用直流磁控溅射方法，在洁净的不锈钢衬底上进行预溅射，制备一层完全覆盖的Ta 薄膜，具体工艺参数为：背底真空度为5*10-4Pa以下，工作气压0.1-0.8Pa，99.9％高纯 Ar气作为溅射气体，溅射功率为60-90W，无需衬底加热以及施加偏压，控制溅射时间为10-20min，获得具有α相的Ta的中间层；
步骤2，Ta-Ag自愈合涂层的制备：分别选取99.99％高纯Ta圆形块体材料和高纯Ag靶材作为溅射原材料；采用两个直流磁控溅射电源对两种靶材进行单独调控；工作气压为0.2-1.0Pa，溅射气体为高纯氩气，Ta靶溅射功率为70-140W，Ag靶材的溅射功率为：15-30W，控制溅射时间，在具有α相的Ta的中间层上制备Ta-Ag自愈合高温防护层。
进一步的，步骤1中，具有α相的Ta的中间层的厚度为500nm-2um。
进一步的，步骤2中，高温防护层厚度为1-5um。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明设计的自愈合涂层包含一层金属Ta的中间层，Ta与Fe有着较为匹配的晶格，提高涂层与基材的结合强度，使得自愈合Ta-Ag复合涂层与衬底结合强度更高，有效提高涂层的使用寿命；
(2)在常温条件下，通过调控电源功率以及基材的处理方式，无需施加偏压和温度加热即可获得机械性能好，高温抗氧化的具有晶体结构为ɑ相的Ta基体。
(3)本发明能够实现对自愈合层的组织调控，Ta-Ag复合薄膜组织中，Ag固溶于金属Ta的晶格中形成超固溶体，在高温裂纹产生时，空位和微裂纹可通过沉淀相Ag 的形成并填充到空位而达到愈合；且生成的氧化钽能在薄膜表面形成保护层，阻止氧化的进一步的进行。
(4)Ta+Ag复合涂层具有熔点高、氧扩散系数低、高温挥发率低、耐化学腐蚀等特性，是一种性能良好的环境障涂层，在高温下可有效降低环境中氧、气、盐等腐蚀介质的侵蚀；
附图说明
图1为实施例1中气相沉积涂层表面微观形貌图。
图2为实施例1中涂层的截面微观形貌图。
图3为实施例1中涂层的表面XRD图。
图4为实施例1中涂层表面750℃高温磨损后的微观形貌图。
图5为实施例1中涂层磨痕750℃高温磨损后的微观形貌图。
图6为实施例1中涂层磨痕750℃高温磨损后的三维形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例、对比例和附图对本发明作进一步详述。
本发明针对现有自愈合合金种类的缺乏，制备技术的限制，以及经济成本的考虑，本发明提供一种制备工艺简单，重复性好，经济的制备方法，得到的Ta基自愈合高温防护涂层中，Ag能够在金属Ta中得以超固溶，在高温下形成沉淀相填充到空位和微裂纹中而愈合涂层，且具有机械性能优良、结合强度好、抗高温氧化及耐磨损等特点。有效阻止高温下贯穿裂纹的出现，保护基材。
实施例1
步骤1衬底材料的预处理，选用直径45mm，厚度1.5mm的#45钢圆片作为基片，使用#25#200#400#600#800号砂纸依次打磨去除表面锈层和氧化层，后进行抛光处理。将得到的衬底采用丙酮、酒精先后进行超声清洗，再用氮气烘干，得到整洁镜面的衬底。
步骤2：金属Ta薄膜中间层的制备：以高纯Ta(99.99％)作为实验用靶材，采用直流磁控溅射将衬底表面预溅射Ta薄膜，采用工艺参数为：背底真空5*10-3Pa，工作气压0.6Pa，溅射功率60W，Ar的流量为25sccm，控制溅射时间参数，得到Ta薄膜过渡层为500nm-2um。
步骤3：Ta-Ag自愈合高温防护涂层的制备；在经过步骤2后得到的含有Ta中间层的衬底上，采用购得的高纯Ag靶材和步骤2中使用的Ta靶材进行复合磁控溅射，采用直流磁控溅射的方法在表面同时进行Ta和Ag的溅射沉积，得到超固溶Ag的Ta固溶体；采用工艺参数为：背底真空5*10-3Pa，工作气压0.4Pa，Ta的溅射功率为110W， Ag的溅射功率为20W，Ar的流量为40sccm，控制溅射时间参数，得到Ta-Ag复合涂层厚度为2-7um。
本实施例1制得的Ta-Ag自愈合高温防护涂层的表面微观形貌图见图1，薄膜致密度高，结晶度好，表面平整光滑，氧化程度低，Ag含量为31.31wt.％，O含量为5.33wt.％，图2为涂层截面，厚度为5.115um，材料与基体结合紧密；得到的XRD图谱见图3，此时得到的Ta为具有机械性能好的纳米晶α-Ta相(bcc)，Ag超固溶于Ta的晶格中，计算得到的Ta的晶粒大小为17.25nm。本实施例制得的薄膜硬度为385HV0.1。图4为750℃高温磨损60min后的涂层表面形貌，氧含量为8.80wt.％，超饱和固溶体Ta-Ag的沉淀相 Ag填充了高温下产生的空位以及微裂纹，且形成的氧化坦薄膜覆盖在涂层表面形成一层保护层，沉淀相Ag作为一种优异的固体润滑剂能够在薄膜与外加材料的摩擦磨损过程中有效防护基体。三层防护，使得高温下的基材得以有效保护和强化。图5和图6为涂层750℃摩擦磨痕形貌以及三维形貌图，摩擦系数为0.3，磨损率为6×10-6mm3/m·N，具有较低摩擦以及较好的耐磨性能。
本发明能够实现对自愈合层的组织调控，Ta-Ag复合薄膜组织中，Ag固溶于金属Ta的晶格中形成超固溶体，在高温裂纹产生时，空位和微裂纹可通过沉淀相Ag的形成并填充到空位而达到愈合；且生成的氧化钽能在薄膜表面形成保护层，阻止氧化的进一步的进行。
实施例2
步骤1衬底材料的预处理，与实施例的步骤1相同。
步骤2：金属Ta薄膜中间层的制备：以高纯Ta(99.99％)作为实验用靶材，采用直流磁控溅射将衬底表面预溅射Ta薄膜，采用工艺参数为：背底真空5*10-3Pa，工作气压0.4Pa，Ta溅射功率70W，Ar的流量为25sccm，控制溅射时间参数，得到Ta薄膜过渡层为500-2um。
步骤3：Ta-Ag自愈合高温防护涂层的制备；在经过步骤2后得到的含有Ta中间层的衬底上，采用购得的高纯Ag靶材和步骤2中使用的Ta靶材进行复合磁控溅射，采用直流磁控溅射的方法在表面同时进行Ta和Ag的溅射沉积，得到超固溶Ag的Ta固溶体；采用工艺参数为：背底真空5*10-3Pa，工作气压0.4Pa，Ta的溅射功率为120W， Ag溅射功率25W，Ar的流量为40sccm，控制溅射时间参数，得到Ta薄膜过渡层为2-7um。

Claims (3)

1.具有自愈合功能的Ta基高温防护涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，以99.99%高纯Ta圆形块体材料作为磁控溅射靶材，采用直流磁控溅射方法，在洁净的不锈钢衬底上进行预溅射，制备一层完全覆盖的Ta薄膜，具体工艺参数为：背底真空度为5*10-4Pa以下，工作气压0.1-0.8Pa，99.9%高纯Ar气作为溅射气体，溅射功率为60-90W，无需衬底加热以及施加偏压，控制溅射时间为10-20min，获得具有α相的Ta的中间层；
步骤2，分别选取99.99%高纯Ta圆形块体材料和高纯Ag靶材作为溅射原材料，采用两个直流磁控溅射电源对两种靶材进行单独调控，具体工艺参数为：工作气压为0.2-1.0 Pa，溅射气体为高纯氩气，Ta靶溅射功率为70-140W，Ag靶材的溅射功率为：15-30W，控制溅射时间，在具有α相的Ta的中间层上制备Ta-Ag自愈合高温防护层。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，具有α相的Ta的中间层的厚度为500nm-2um。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，高温防护层厚度为1-5um。
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