CN110438468B - 一种提高溅射钽涂层与合金钢基体界面结合力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高溅射钽涂层与合金钢基体界面结合力的方法，属于抗烧蚀耐冲击磨损防护涂层技术领域。首先，在金属表面溅射钽涂层，厚度为30～100μm；其次，根据合金基体的形状，利用计算机软件规划出激光扫描路径；最后，利用激光规划好的路径，在特定功率及特定频率下的进行激光扫描。采用本发明方法制备的合金钢表面钽涂层与基体接触的界面合金化，可形成致密的冶金结合，服役过程中不易剥落，且不影响合金钢基体的力学性能，本方法实施简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及抗烧蚀耐冲击磨损防护涂层技术领域，具体涉及一种提高溅射钽涂层与合金钢基体界面结合力的方法
背景技术
磁控溅射的工作原理是指电子在电场作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。由于溅射的靶原子为中性的，沉积在基体表面上的涂层为物理结合或者机械结合，涂层结合力较差。
磁控溅射钽在国内外常应用在火炮内膛表面，坦克炮身管常常由于发射时所受到的高温(2500～3600℃)、高压(300～800MPa)火药气体的热作用，同时还受到导转测抗力、弹头与膛面摩擦力、弹带嵌入挤进力、导气装置(导气式武器)作用于身管的弯曲力、身管运动的惯性力、运动构件复进到位撞击力等诸种大载荷机械力的作用。随着射击的连续，在复杂多变的力、热、摩擦、化学作用等外场交互作用下，厚溅射钽涂层的本征结合力难以抵抗如此复杂的外力场。因此，提升钽涂层中与合金钢基体的结合力，促进形成合金钢和涂层界面的冶金结合，使涂层具有优良的抗剥落性能，以长时间抵抗耐热腐蚀、热冲击和优异的抗烧蚀冲刷性能，是本领域亟待解决的一大技术难题。
为提高溅射涂层与合金钢的界面结合力，必须使涂层与合金钢基体之间形成冶金结合。通常采用的方法是真空高温退火，但真空高温退火不适用于合金钢基体表面钽涂层，其原因是钽属于难熔合金，形成有效冶金结合层所需的退火温度远高于基体退火温度。真空高温退火的温度低于基体退火温度时，不能形成有效的冶金结合层；退火温度高于基体退火温度时，会导致合金钢基体退火，损害合金钢力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高溅射钽涂层与合金钢基体界面结合力的方法，采用激光进行后处理，使得钽涂层与合金钢基体界面处形成冶金结合，提高界面结合力，且完全不影响基材力学性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种提高溅射钽涂层与合金钢基体界面结合力的方法，该方法是采用低功率脉冲激光对合金钢基体上的溅射钽涂层表面进行扫描，使得钽涂层与合金钢基体界面形成冶金结合，从而提高溅射钽涂层与合金钢基体界面结合力。
所述溅射钽涂层是利用溅射的方法在合金钢基体表面沉积的钽涂层，所述溅射钽涂层厚度为30～100μm，晶体相为α-Ta。
采用低功率脉冲激光对溅射钽涂层表面进行扫描的过程中，首先根据合金钢基体试样的形状，利用计算机画图软件规划出激光扫描路径，然后按照所规划路径对溅射钽涂层进行低功率脉冲激光扫描。
激光扫描过程中，采用线性扫描的方式，所采用的激光功率为10～20W，激光频率为50KHz或100KHz，光束扫描速度为8000mm/s，扫描次数为2～25次，道次搭接率为10～20％。
激光扫描过程在空气中进行，无需采用其他保护气体。
本发明方法设计机理如下：
本发明提出了低功率脉冲激光扫描方法，形成一个从涂层表面到基体的瞬时温度梯度场，通过特定工艺过程及优化各工艺参数，使达到如下效果：(一)使涂层/基体界面刚好达到形成冶金结合的温度区间，快速形成冶金互扩散层；(二)加热时间短暂，加热深度小，脉冲加热热量被合金钢基体吸收后，温度迅速降低到基体回火温度之下，不影响基体力学性能；(三)加热时间短暂，形成的表面钽氧化物量极少，不影响钽涂层的性能，因此不需要对零件进行气氛保护或将零件置于真空室内。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明获得的钽涂层与合金钢基体界面处，形成了2-10μm冶金结合层，冶金结合层完成了基体元素和涂层良好互扩散效果。本发明显著提高了钽涂层的结合力和抗热震性能，避免了溅射钽涂层在服役过程中易剥落的现象，解决了火炮服役过程中涂层结合力不足的卡脖子问题。
2、本发明采用低功率的激光扫描，可控制加热仅针对基体和涂层界面的改性与结合，不影响合金钢基体的力学性能，本方法实施简单，易于实现。
附图说明
图1为溅射钽涂层激光扫描25次后的涂层表面照片。
图2为溅射钽涂层激光扫描前的涂层截面形貌。
图3为实施例1中溅射钽涂层激光扫描25次后的涂层截面形貌。
图4为实施例2中溅射钽涂层激光扫描30次后的涂层截面形貌。
图5为本发明中道次搭接率示意图。
具体实施方式
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
本发明中道次搭接率是指相邻两道激光扫描痕迹的侧面相重叠的宽度占每道激光扫描痕迹宽度(光斑直径)的百分比(图5)；本发明对扫描激光的光斑大小未作具体限定，在实际操作中，只要保证道次搭接率为10～20％即可。
实施例1
基体采用30CrNi3MoV合金钢，试样尺寸为15mm×15mm×8mm，其中一面为带有120mm曲率的弧面，利用磁控溅射的方法在基体上沉积40微米厚的α相钽涂层。利用计算机画图软件，根据合金基体表面的形貌和曲率，规划出激光扫描路径。激光采用线性扫描的方式进行扫描，激光线性长度为15mm，所采用的激光功率为10W，激光频率为50kHz，光束扫描速度为8000mm/s，扫描次数为25次。由此方法处理的合金钢表面涂层照片如图1所示，表面为白亮的金属色，没有氧化色，说明氧化膜形成量低于可观测量。图2为激光扫描前的钽涂层界面形貌。图3显示了激光扫描25次后该涂层与合金钢基体间形成了约8μm厚的冶金结合层，更深处的基体组织结构未发生变化。
实施例2
基体采用30CrNi3MoV合金钢，试样尺寸为20mm×20mm×20mm，其中一面为带有155mm曲率的弧面，利用磁控溅射的方法在基体沉积40微米厚的α相钽涂层。利用计算机画图软件，根据合金基体表面的形貌和曲率，规划出激光扫描路径。激光采用线性扫描的方式进行扫描，激光线性长度为20mm，所采用的激光功率为10W，激光频率为50kHz，光束扫描速度为8000mm/s，扫描次数为20次。由此方法处理的合金钢表面涂层表面为白亮的金属色，没有氧化色。图4显示了激光扫描30次后该涂层与合金钢基体间形成了约9μm厚的冶金结合层，更深处的基体组织结构未发生变化。
实施例3
基体采用30CrNi3MoV合金钢，试样尺寸为20mm×20mm×20mm，其中一面为带有155mm曲率的弧面，利用磁控溅射的方法在基体沉积70微米厚的α相钽涂层。利用计算机画图软件，根据合金基体表面的形貌和曲率，规划出激光扫描路径。激光采用线性扫描的方式进行扫描，激光线性长度为20mm，所采用的激光功率为20W，激光频率为50kHz，光束扫描速度为8000mm/s，扫描次数为30次。由此方法处理的合金钢表面涂层表面为白亮的金属色，没有氧化色。激光扫描20次后该涂层与合金钢基体间形成了约4μm厚的冶金结合层，更深处的基体组织结构未发生变化。
实施例4
基体采用30CrNi3MoV合金钢，试样尺寸为50mm×20mm×20mm，其中一面为带有105mm曲率的弧面，利用磁控溅射的方法在基体沉积50微米厚的α相钽涂层。利用计算机画图软件，根据合金基体表面的形貌和曲率，规划出激光扫描路径。激光采用线性扫描的方式进行扫描，激光线性长度为20mm，所采用的激光功率为15W，激光频率为50kHz，光束扫描速度为8000mm/s，同一扫描区扫描次数为20次，道次搭接率为20％。由此方法处理的合金钢表面涂层表面为白亮的金属色，没有氧化色。激光扫描30次后该涂层与合金钢基体间形成了约5μm厚的冶金结合层，更深处的基体组织结构未发生变化。
实施例5
基体采用30CrNi3MoV合金钢，试样为
的环状样品，利用柱面磁控溅射的方法在基体沉积100微米厚的α相钽涂层。利用计算机画图软件，根据合金基体表面的形貌和曲率，规划出激光扫描路径。激光采用线性扫描的方式进行扫描，激光线性长度为20mm，所采用的激光功率为20W，激光频率为50kHz，光束扫描速度为8000mm/s，扫描次数为20次。由此方法处理的合金钢表面涂层表面为白亮的金属色，没有氧化色。激光扫描30次后该涂层与合金钢基体间形成了约5.5μm厚的冶金结合层，更深处的基体组织结构未发生变化。
实施例6
基体采用30CrNi3MoV合金钢，试样尺寸为
的管状试件，利用柱面磁控溅射的方法在基体沉积40微米厚的α相钽涂层。利用计算机画图软件，根据合金基体表面的形貌和曲率，规划出激光扫描路径。激光采用线性扫描的方式进行扫描，激光线性长度为20mm，所采用的激光功率为10W，激光频率为50kHz，光束扫描速度为8000mm/s，同一扫描区扫描次数为30次，道次搭接率为10％。由此方法处理的合金钢表面涂层表面为白亮的金属色，没有氧化色。激光扫描30次后该涂层与合金钢基体间形成了约10μm厚的冶金结合层，更深处的基体组织结构未发生变化。
Claims (3)
1.一种提高溅射钽涂层与合金钢基体界面结合力的方法，其特征在于：该方法是采用低功率脉冲激光对合金钢基体上的溅射钽涂层表面进行扫描，使得钽涂层与合金钢基体界面形成冶金结合，从而提高溅射钽涂层与合金钢基体界面结合力；
所述溅射钽涂层是利用溅射的方法在合金钢基体表面沉积的钽涂层；所述溅射钽涂层厚度为30～100μm，晶体相为α-Ta；
采用低功率脉冲激光对溅射钽涂层表面进行扫描的过程为：根据合金钢基体的形状，利用计算机画图软件规划出激光扫描路径，然后按照所规划路径对溅射钽涂层进行低功率脉冲激光扫描；激光扫描过程中，采用线性扫描的方式，所采用的激光功率为10～20W，激光脉冲频率为50kHz或100kHz，光束扫描速度为8000mm/s，扫描次数为2～25次，道次搭接率为10～20％。
2.按照权利要求1所述的提高溅射钽涂层与合金钢基体界面结合力的方法，其特征在于：激光扫描过程中，无保护气体。
3.按照权利要求1所述的提高溅射钽涂层与合金钢基体界面结合力的方法，其特征在于：激光扫描后，钽涂层与合金钢基体界面处，形成了2-10μm冶金结合层。
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