CN109609905A - 一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层、制备方法及应用，依次包括基材、粘结层和工作层，基材为Ti‑6Al‑4V钛合金，粘结层为金属Cr，工作层为Cr/CrSiN纳米多层结构，粘结层厚度为0.15～0.2μm，工作层厚度为2～3μm，高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层的制备方法，包括以下步骤：对基材材料进行化学表面处理；对基材材料进行辉光放电清洗；Cr粘结层的沉积；工作层沉积；该涂层各界面结合良好，相互匹配，增加了钛合金材料的硬度、耐磨性和抗冲蚀性；多层交替循环，增加了界面结构，减少物理气相沉积涂层针孔缺陷，阻碍裂纹扩展，提高涂层的性能。
Description
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，尤其涉及一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层、制备方法及应用。
背景技术
复合材料能有效减轻飞行器的重量，可广泛应用于航空航天领域。在实际应用中复合材料基板常与钛合金面板胶接而组成钛合金复合材料结构，如直升机桨叶等，但其胶接强度一直是需要解决的关键问题。采用表面处理工艺改善钛合金表面形貌和化学特性是提高钛合金与复合材料胶接强度的一个主要途径。
由于钛合金特殊的表面特性，采用传统的表面处理工艺：化学氧化、热喷涂等表面处理工艺虽然能够提高其硬度和耐磨性，但是仍然存在钛合金基体和涂层的结合力不够强的问题。因此为了在保证基体和镀层的结合力的前提下，提高钛合金的硬度、抗冲蚀和耐磨性，需要一种更好的镀层来提高钛合金的硬度、抗冲蚀和耐磨性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：应用现有钛合金材料表面处理技术，处理后钛合金材料硬度、耐磨性及抗冲蚀性不能满足使用要求，提供了一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层、制备方法及应用。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明的一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，依次包括基材、粘结层和工作层，基材为Ti-6Al-4V钛合金，粘结层为金属Cr，工作层为Cr/CrSiN纳米多层结构。
所述的粘结层厚度为0.15～0.2μm，所述的工作层厚度为2～3μm。
所述的Cr/CrSiN纳米多层结构由金属Cr层和高硬度CrSiN层交替沉积而成，重复次数为8～10次。
所述的Cr/CrSiN纳米多层结构中，金属Cr层厚度为70～80nm，CrSiN层厚度为140～210nm。
一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)对基材材料进行化学表面处理：
将研磨抛光后的基材材料先用碱性溶液超声清洗，清洗后用去离子水冲洗并烘干，然后用酸性溶液超声清洗，清洗后用去离子水冲洗并烘干备用；
(2)对基材材料进行辉光放电清洗：
将化学清洗后的基材放入多弧离子镀膜室内，置于基材转架上，对真空室抽真空至10-5～10-7Pa，后充入Ar气，Ar气流量控制在150～200sccm，工作压强控制在0.3～0.4Pa；基体加热到430～450℃，然后开启脉冲电源，调节偏压-800～-1100V，基体表面发生辉光放电，辉光放电清洁样品时间15～20分钟；
(3)Cr粘结层的沉积：
粘结层沉积在基材辉光放电清洗后原位进行，保持工作气体、基体温度和压强，开启阴极离子弧弧源Cr靶，Cr的纯度为99.999％，基体偏压-110～-150V，转架的转速为3～5rpm，靶材电流60～65A，沉积25～35分钟，得到Cr粘结层；
(4)工作层沉积：
工作层沉积是在Cr粘结层沉积后进行，保持工作气体、工作压力、沉积温度、炉腔的压强和阴极离子弧弧源不变，基体偏压-60～-100V、靶材电流60～80A，沉积10～25min，得到金属Cr层；
金属Cr层沉积完成后沉积CrSiN层，通入N2气，N2流量为400～800sccm,沉积温度450℃，炉腔的压强2～5Pa，基体偏压-60～-100V，开启阴极离子弧弧源CrSi靶，靶材电流60～80A，沉积时间10～15min，沉积工作层的CrSiN层；
交替沉积金属Cr层和CrSiN层，重复8～10次完成工作层。
所述的步骤(1)中，碱性溶液包括20～40g/L NaOH、30～40g/LNa2CO3、30～40g/LNa3PO4；酸性溶液包括100～150ml/LHF、500～1000ml/LDMF，碱性溶液清洗10～20min，酸性溶液清洗1～10min。
一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层在飞机起落架和压缩机叶片上的应用。
本发明采用多弧离子镀沉积技术高效地在钛合金表面制备由Cr粘结层、Cr/CrSiN工作层构成的复合防护涂层，显著改善钛合金的硬度、耐磨及抗冲蚀性，延长使用寿命。
本发明的优点及有益效果是：
1、钛合金基体表面研磨抛光后，用碱性和酸性溶液超声清洗能够有效清除钛合金表面的氧化物，增加了膜基结合强度；
2、本发明复合防护涂层由不同功能的各层组成：Cr粘结层、Cr/CrSiN工作层；Cr粘结层能有效地连接钛合金基体和Cr/CrSiN工作层，Cr粘结层为金属软质相，当受到载荷时，可发现塑性变形，降低工作层中应力，降低剪切力，提高结合强度，实现工作层和基体的良好结合；Cr/CrSiN工作层由依次沉积的Cr层、CrSiN层，交替重复8～10次形成，其中Cr层为金属相，CrSiN层为陶瓷相，使Cr/CrSiN工作层具有很好的耐磨性、硬度和抗腐蚀性，各界面结合良好，相互匹配，增加了钛合金材料的硬度、耐磨性和抗冲蚀性；多层交替循环，增加了界面结构，减少物理气相沉积涂层针孔缺陷，阻碍裂纹扩展，提高涂层的性能。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，
1-Ti-6Al-4V钛合金基体材料，2-Cr粘结层，3-Cr/CrSiN纳米多层结构工作层；
图2为实施例1的钛合金材料涂层前后的摩擦系数曲线及磨损率；
图3为实施例1的钛合金材料涂层前后的冲蚀深度变化曲线及冲蚀率；
图4为实施例2复合涂层XRD图；
图5为实施例3复合涂层SEM图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例制备高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，包括Ti-6Al-4V钛合金基体1、Cr粘结层2、交替沉积10次的Cr/CrSiN纳米多层结构工作层3，所述的Cr粘结层位于Ti-6Al-4V钛合金基体与Cr/CrSiN纳米多层结构工作层之间。
粘结层厚度为0.15μm，工作层厚度为2.85μm。
上述低应力高耐磨抗冲蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)对基体进行研磨抛光，然后用由20g/L NaOH、30g/L Na2CO3、30g/L Na3PO4组成的碱性溶液超声清洗10min后用去离子水冲洗并烘干，再用由100ml/LHF、500ml/LDMF组成的酸性溶液超声清洗10分钟后用去离子水冲洗并烘干；
(2)将清洗后的基体放入多弧离子镀膜室内，置于基材转架上，对真空室抽真空至10-5Pa后充入Ar气，Ar气流量控制在150sccm，工作压强控制为0.3Pa；基体加热到430℃，然后开启脉冲电源，调节偏压-800V，基体表面发生辉光放电，辉光放电清洁样品15分钟；
(3)沉积Cr粘结层：在步骤(2)后原位进行，保持工作气体、基体温度和压强，开启阴极离子弧弧源Cr靶，Cr的纯度为99.999％，基体偏压-110V，转架的转速为3rpm，靶材电流60A，沉积25分钟，得到Cr粘结层，厚度为0.15μm；
(4)沉积工作层：
沉积Cr粘结层后，保持工作气体、工作压力、沉积温度、炉腔的压强和阴极离子弧弧源不变，基体偏压-60V，靶材电流60A，沉积10min，得到金属Cr层，厚度为80nm；
金属Cr层沉积完成后沉积CrSiN层，通入N2气，N2流量为400sccm,沉积温度450℃，炉腔的压强2Pa，基体偏压-60V，开启阴极离子弧弧源CrSi靶，靶材电流60A，沉积时间10min，沉积工作层的CrSiN层，CrSiN层的厚度为205nm；
交替沉积金属Cr层和CrSiN层，重复10次完成工作层。
由图2可知，未涂覆高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层的钛合金材料摩擦系数为0.6，磨损率为6500×10-10mm3·N-1·m-1，硬度为350HV0.025；涂覆涂层后，钛合金材料表面摩擦系数减小至0.45，磨损率为4.1×10-10mm3·N-1·m-1，硬度≥2700HK0.025，涂覆涂层增加了钛合金材料的耐磨性和硬度。
由图3可知，钛合金材料及涂覆涂层的钛合金材料冲蚀深度均随着冲蚀时间延长而加大，但是涂覆涂层的钛合金材料的冲蚀深度加大的速率小，且涂覆涂层的钛合金材料最大冲蚀深度为3μm，涂层提高了钛合金材料的耐冲蚀性；未涂覆涂层的冲蚀率为0.19μm/s，涂覆涂层后腐蚀率为0.05μm/s，本发明高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层提高了钛合金材料的抗冲蚀性，使其抗冲蚀性增加了3～4倍。
上述高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层在飞机起落架和压缩机叶片上的应用。
实施例2
如图1所示，本实施例制备高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，包括Ti-6Al-4V钛合金基体1、Cr粘结层2、交替沉积8次的Cr/CrSiN纳米多层结构工作层3，所述的Cr粘结层位于Ti-6Al-4V钛合金基体与Cr/CrSiN纳米多层结构工作层之间。
粘结层厚度为0.17μm，工作层厚度为2.5μm。
上述低应力高耐磨抗冲蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)对基体进行研磨抛光，然后用由30g/LNaOH、35g/LNa2CO3、35g/L的Na3PO4组成的碱性溶液超声清洗15min后用去离子水冲洗并烘干，再用由125ml/LHF、700ml/LDMF组成的酸性溶液超声清洗8分钟后用去离子水冲洗并烘干；
(2)将清洗后的基体放入多弧离子镀膜室内，置于基材转架上，对真空室抽真空至10-6Pa后充入Ar气，Ar气流量控制在170sccm，工作压强控制为0.3Pa；基体加热到440℃，然后开启脉冲电源，调节偏压-900V，基体表面发生辉光放电，辉光放电清洁样品18分钟；
(3)沉积Cr粘结层：在步骤(2)后原位进行，保持工作气体、基体温度和压强，开启阴极离子弧弧源Cr靶，Cr的纯度为99.999％，基体偏压-130V，转架的转速为4rpm，靶材电流62A，沉积30分钟，得到Cr粘结层，厚度为0.17μm；
(4)沉积工作层：
沉积Cr粘结层后，保持工作气体、工作压力、沉积温度、炉腔的压强和阴极离子弧弧源不变，基体偏压-80V，靶材电流70A，沉积20min，得到金属Cr层，厚度为75nm；
金属Cr层沉积完成后沉积CrSiN层，通入N2气，N2流量为600sccm,沉积温度450℃，炉腔的压强5Pa，基体偏压-80V，开启阴极离子弧弧源CrSi靶，靶材电流70A，沉积时间13min，沉积工作层的CrSiN层，CrSiN层的厚度为237.5nm；
交替沉积金属Cr层和CrSiN层，重复8次完成工作层。
如图4所示，该复合涂层XRD图中出现了Cr、CrSiN的特征峰，其中Cr为金属相，CrSiN为陶瓷相，所以该复合涂层具有很好的耐磨性、硬度和抗腐蚀性。
实施例3
如图1所示，本实施例制备高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，包括Ti-6Al-4V钛合金基体1、Cr粘结层2、交替沉积9次的Cr/CrSiN纳米多层结构工作层3，所述的Cr粘结层位于Ti-6Al-4V钛合金基体与Cr/CrSiN纳米多层结构工作层之间。
粘结层厚度为0.2μm，工作层厚度为2μm。
上述低应力高耐磨抗冲蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)对基体进行研磨抛光，然后用由40g/LNaOH、40g/LNa2CO3、40g/LNa3PO4组成的碱性溶液超声清洗20min后用去离子水冲洗并烘干，再用由150ml/LHF、1000ml/LDMF组成的酸性溶液超声清洗5分钟后用去离子水冲洗并烘干；
(2)将清洗后的基体放入多弧离子镀膜室内，置于基材转架上，对真空室抽真空至10-7Pa后充入Ar气，Ar气流量控制在200sccm，工作压强控制为0.4Pa；基体加热到450℃，然后开启脉冲电源，调节偏压-1100V，基体表面发生辉光放电，辉光放电清洁样品20分钟；
(3)沉积Cr粘结层：在步骤(2)后原位进行，保持工作气体、基体温度和压强，开启阴极离子弧弧源Cr靶，Cr的纯度为99.999％，基体偏压-150V，转架的转速为5rpm，靶材电流65A，沉积35分钟，得到Cr粘结层，厚度为0.2μm；
(4)沉积工作层：
沉积Cr粘结层后，保持工作气体、工作压力、沉积温度、炉腔的压强和阴极离子弧弧源不变，基体偏压-100V，靶材电流80A，沉积25min，得到金属Cr层，厚度为80nm；
金属Cr层沉积完成后沉积CrSiN层，通入N2气，N2流量为800sccm,沉积温度450℃，炉腔的压强5Pa，基体偏压-100V，开启阴极离子弧弧源CrSi靶，靶材电流80A，沉积时间15min，沉积工作层的CrSiN层，CrSiN层的厚度为142.2nm；
交替沉积金属Cr层和CrSiN层，重复9次完成工作层。
如图5所示，该复合涂层工作层由Cr层、CrSiN层交替沉积而成，其中Cr为金属相，CrSiN为陶瓷相，所以该复合涂层具有很好的耐磨性、硬度和抗腐蚀性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，其特征在于，依次包括基材、粘结层和工作层，所述的基材为Ti-6Al-4V钛合金，粘结层为金属Cr，工作层为Cr/CrSiN纳米多层结构，所述的Cr/CrSiN纳米多层结构由金属Cr层和高硬度CrSiN层交替沉积而成。
2.根据权利要求1所述的一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，其特征在于，所述的粘结层厚度为0.15～0.2μm，所述的工作层厚度为2～3μm。
3.根据权利要求1所述的一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，其特征在于，所述的交替沉积重复次数为8～10次。
4.根据权利要求1所述的一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，其特征在于，所述的Cr/CrSiN纳米多层结构中，金属Cr层厚度为70～80nm，CrSiN层厚度为140～210nm。
5.一种如权利要求1～4所述的高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对基材材料进行化学表面处理：
将研磨抛光后的基材材料先用碱性溶液超声清洗，清洗后用去离子水冲洗并烘干，然后用酸性溶液超声清洗，清洗后用去离子水冲洗并烘干备用；
(2)对基材材料进行辉光放电清洗：
将化学清洗后的基材放入多弧离子镀膜室内，置于基材转架上，对真空室抽真空至10-5～10-7Pa，后充入Ar气，Ar气流量控制在150～200sccm，工作压强控制在0.3～0.4Pa，基体加热到430～450℃，然后开启脉冲电源，调节偏压-800～-1100V，基体表面发生辉光放电，辉光放电清洁样品时间15～20分钟；
(3)Cr粘结层的沉积：
粘结层沉积在基材辉光放电清洗后原位进行，保持工作气体、基体温度和压强，开启阴极离子弧弧源Cr靶，Cr的纯度为99.999％，基体偏压-110～-150V，转架的转速为3～5rpm，靶材电流60～65A，沉积25～35分钟，得到Cr粘结层；
(4)工作层沉积：
工作层沉积是在Cr粘结层沉积后进行，保持工作气体、工作压力、沉积温度、炉腔的压强和阴极离子弧弧源不变，基体偏压-60～-100V、靶材电流60～80A，沉积10～25min，得到金属Cr层；
金属Cr层沉积完成后沉积CrSiN层，通入N2气，N2流量为400～800sccm,沉积温度450℃，炉腔的压强2～5Pa，基体偏压-60～-100V，开启阴极离子弧弧源CrSi靶，靶材电流60～80A，沉积时间10～15min，沉积工作层的CrSiN层；
交替沉积金属Cr层和CrSiN层，重复8～10次完成工作层。
6.根据权利要求5所述的一种制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，碱性溶液包括20～40g/L NaOH、30～40g/L Na2CO3、30～40g/L Na3PO4；酸性溶液包括100～150ml/L HF、500～1000ml/LDMF，碱性溶液清洗10～20min，酸性溶液清洗1～10min。
7.一种如权利要求1～4所述的高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层在飞机起落架和压缩机叶片上的应用。
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