CN110923605B - 一种耐磨防护复合涂层、其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐磨防护复合涂层、其制备方法及应用。所述耐磨防护复合涂层包括依次形成于基体上的NiCr‑Cr3C2涂层和VAlCN涂层，其成分趋于多元化、复合化。所述制备方法包括：采用超音速火焰喷涂技术，以NiCr‑Cr3C2为喷涂粉末，在基体表面形成NiCr‑Cr3C2涂层；采用多弧离子镀技术，以钒靶和铝靶为靶材，保护性气体为工作气体，N2和C2H2为反应气体，对基体施加负偏压，对钒靶和铝靶施加靶电流，在所述NiCr‑Cr3C2涂层表面沉积形成VAlCN涂层。本发明的涂层具有很好耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化性，对在高温摩擦、酸、碱环境下服役的球阀具有良好防护作用，能有效提高基体的服役寿命。

Description

一种耐磨防护复合涂层、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种耐磨防护复合涂层，特别涉及一种耐磨防护VAlCN/Cr3C2复合涂层及其制备方法与应用，属于基体表面防护技术领域。
背景技术
近几年我国的海洋建设发展迅猛，勘探开发海洋资源以及保护海岸带、研发具有自主知识产权的深水油气勘探和安全开发技术等是海洋科技的重点，据统计，目前世界各国可利用的钻井平台总数中的41％服役期超过20年，因此，各装备中对机械零部件要求高硬度、耐磨，耐腐蚀，防止材料的疲劳与断裂。磨损是机械零件失效的主要原因之一，有关损失比例数据显示为：45％为磨损、23％为腐蚀、14％为热损坏、18％为其他。因此，对工件的表面处理，强化及修复工艺相当重视。
不锈钢材料的机械运动零部件(阀门、齿轮、活塞环等)是钻井平台系统关键零部件之一，这些零部件在海洋环境中要承受其很大的磨损性能，常见的如管道系统中的球阀，随着水下油气作业区域逐渐从浅海区转向深海区，水下球阀所受到的海水静压力也逐渐增大，对其密封可靠性有了更高的要求，开启时密封面暴露在介质中，常受到硬固体颗粒介质的直接冲刷，使密封面磨损。另外，球阀在周围海水介质的作用下引起腐蚀，使阀门密封性能差，产生介质的外漏和内漏，甚至会影响其开启和关闭，缩短使用寿命。在管道介质温度高，压力大和含有颗粒杂质时，须选用金属阀座密封的阀门，还需对球体密封面阀座密封面进行硬化处理，保证阀门满足规范中的阀门内漏要求，以延长阀座使用寿命。总之，球阀的失效形式主要是在工作环境中表面的磨损和腐蚀引起的。上述工况要求苛刻的环境下，对其抗磨损性要求极高，同样在工程应用中不锈钢质的部件在承受载荷作用下，表面易引起疲劳，如齿轮的点蚀，其表面裂纹包括三个阶段：裂纹的萌生、裂纹的扩展和开裂剥落。在工况苛刻环境下使用的零部件长期稳定服役，需要在其表面制备高耐磨耐蚀涂层，有效地减少维修、节约材料、降低能源等方面有着重要的意义。
目前国内研发的不锈钢材料零部件使用寿命低于国外同类产品，采取一些表面强化处理工艺来延长其寿命，但耐高温、耐磨性能不够高，作用有限，因此有必要开发一种耐磨耐蚀复合涂层。张世宏等(公开号CN108070813A)利用HVOF技术制备NiCr-Cr3C2涂层，然后再用浸渍提拉法制备铝硅复合硅氧烷复合涂层，该涂层耐磨性差，可用于高温、高压环境下；吴燕明等(公开号CN105463359A)采用HVOF制备NiCr-Cr3C2涂层，创新之处在于添加Tb、Ta元素提高抗气蚀性但耐磨性较差；黄峰等(公开号CN104032268A)利用磁控溅射法制备VAlSiN涂层，该涂层在高温环境下具有良好的耐磨性；王永欣等(公开号CN106811719A)采用多弧离子镀技术制备VCN涂层，适用于高磨损的工况。以上方法制备的涂层性能单一，无法实现零部件在高温环境下具有良好耐磨耐蚀性；另外，关与超音速火焰喷涂(HVOF)NiCr-Cr3C2涂层与多弧离子镀沉积VAlCN涂层相结合的研究缺乏。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种成分趋于多元化、复合化的耐磨防护复合涂层及其制备方法，从而克服了现有技术中的不足。
本发明的另一目的还在于提供所述耐磨防护复合涂层的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明实施例提供了一种耐磨防护复合涂层，其包括：依次形成于基体上的NiCr-Cr3C2涂层和VAlCN涂层。
本发明实施例还提供了一种耐磨防护复合涂层的制备方法，其包括：
采用超音速火焰喷涂技术，以NiCr-Cr3C2为喷涂粉末，在基体表面形成NiCr-Cr3C2涂层；
以及，采用多弧离子镀技术，分别以钒靶和铝靶为靶材，保护性气体为工作气体，N2和C2H2为反应气体，对基体施加负偏压，对钒靶和铝靶施加靶电流，在所述NiCr-Cr3C2涂层表面沉积形成VAlCN涂层。
在一些实施例中，所述超音速火焰喷涂技术采用的工艺条件包括：燃烧室压力为0.88～1.58Mpa，喷涂距离为220～380mm，喷涂角度为60°～85°，氧气流量为700～900L/min，燃料流量为20～30L/min，送粉气体的压力为0.2～0.45MPa，送粉流量为30～100g/min，喷涂层数为1～2层，基体转速为280～550r/min。
在一些实施例中，所述多弧离子镀技术沉积所述VAlCN涂层采用的工艺条件包括：反应腔体内基底的真空度为3×10-3Pa～6×10-3Pa，工作真空度为0.2～0.5Pa，沉积偏压为-30～-60V，钒靶的弧电流为50～70A，铝靶的弧电流为30～50A，反应腔体的温度为300～400℃，N2流量为340～360sccm，C2H2流量在8～10min增加至50～80sccm。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的耐磨防护复合涂层。
本发明实施例还提供了前述的耐磨防护复合涂层于基体表面防护领域的用途。
本发明实施例还提供了一种材料，包括基体，所述基体上还设置有前述的耐磨防护复合涂层。
较之现有技术，本发明的有益效果在于：
1)本发明利用超音速火焰喷涂技术喷制NiCr-Cr3C2涂层，该涂层集聚了NiCr-Cr3C2材料和超音速喷涂的优点，形成了一种具有耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐高温磨损和耐高温冲蚀、孔隙率低等优点的新型材料；
2)本发明利用多弧离子镀制备VAlCN涂层，以硬质VN为过渡层，具有沉积温度低、操作简便、适用性强的特点，能够改善NiCr-Cr3C2层与VAlCN涂层两者成分迥异材料间的结合性能，NiCr-Cr3C2涂层在大气环境中的摩擦系数平均值0.4以上，磨损率10-14m3/N·m量级；而制备VAlCN涂层后摩擦系数低至0.2以下，其硬度达22GPa，磨损率达10-16m3/N·m量级；
3)本发明将超音速火焰喷涂和多弧离子镀相结合，在NiCr-Cr3C2涂层表面制备VAlCN涂层形成的VAlCN/Cr3C2复合涂层，该涂层既保持了传统NiCr-Cr3C2硬质涂层很好的耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化性，同时具有VAlCN材料优异的自润滑特性；涂层成分趋于多元化、复合化，可以解决单一Cr3C2涂层磨损严重等问题，提高零部件综合使用性能及使用寿命，对在高温摩擦、酸、碱环境下服役的球阀等不锈钢质件具有良好的防护作用，从而有效提高基体的综合性能及服役寿命，以满足现代机械工业飞速发展对零部件表面防护问题的迫切需求，具有很好的应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例1中VAlCN涂层的截面形貌图。
图2是本发明实施例1中VAlCN涂层的表面形貌图。
图3是本发明实施例1中制备的VAlCN/Cr3C2复合涂层的硬度测试结果图。
图4是本发明实施例1和2中制备的VAlCN/Cr3C2复合涂层在大气环境中的摩擦曲线图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，概括的讲，本申请的技术方案主要是：将超音速火焰喷涂(HVOF)技术和多弧离子镀技术相结合在关键运动部件表面制备一种复合涂层，超音速火焰喷涂制备NiCr-Cr3C2涂层具有耐高温耐腐蚀的优点，其耐磨性较差，再其表面利用多弧离子镀技术制备VAlCN涂层，形成的VAlCN/Cr3C2复合涂层，该涂层具有很好的耐磨耐蚀耐高温氧化性，利用该方法在其表面制得高耐磨耐蚀的VAlCN/Cr3C2涂镀复合涂层，可以有效的解决单一(HVOF)Cr3C2涂层磨损严重等问题。
如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种耐磨防护复合涂层(亦可称为VAlCN/Cr3C2复合涂层)，其包括：依次形成于基体上的NiCr-Cr3C2涂层和VAlCN涂层。也就是说，所述耐磨防护复合涂层包括：基体、覆盖于基体表面的NiCr-Cr3C2涂层、以及覆盖于NiCr-Cr3C2涂层上的VAlCN涂层。
在一些实施例中，所述耐磨防护复合涂层的厚度为70～190μm。
进一步地，所述NiCr-Cr3C2涂层的厚度为70～180μm。
进一步地，所述VAlCN涂层的厚度为2～4μm。
进一步地，所述NiCr-Cr3C2涂层包括由NiCr合金和Cr3C2组成金属陶瓷复合材料，其包括两种组分，一是作为硬质相粒子的Cr3C2颗粒，另外一相是作为粘接相的NiCr合金相。其中NiCr合金作为粘接相，是一种Ni的固溶体合金，NiCr的比例为80％Ni和20％Cr，含量为25％。该合金具有非常好的抗高温氧化和耐热腐蚀性能。在800-1000℃高温下仍具有良好的抗起皮、耐氧化性能，耐酸、耐碱，能耐水蒸气、二氧化碳等介质的腐蚀。Cr3C2是碳与铬的化合物，其理论化学成分为：C13.4％，Cr86.6％，在空气中要在1100℃～1400℃才遭受严重氧化，因为高温下能生成致密的Cr2O3保护膜，该氧化膜能够阻碍氧化的进一步进行，Cr3C2还具有很强的耐蚀性和耐磨性。
进一步地，所述NiCr-Cr3C2涂层中硬质相的含量为70～80wt％，粘接相的含量为20～30wt％。
在一些实施例中，所述耐磨防护复合涂层还包括VN过渡层，所述VN过渡层形成于所述NiCr-Cr3C2涂层表面，所述VAlCN涂层形成于所述VN过渡层表面。
进一步地，所述VN过渡层的厚度为150～400nm。
进一步地，所述耐磨防护复合涂层在大气环境中的摩擦系数在0.2以下，硬度在22GPa以上，磨损率为10-16m3/N·m量级。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系一种耐磨防护复合涂层的制备方法，其包括：采用超音速火焰喷涂形成NiCr-Cr3C2涂层和电弧离子镀技术沉积VAlCN涂层，形成VAlCN/Cr3C2复合涂层。
在一些实施例中，所述制备方法具体包括：
采用超音速火焰喷涂技术，以NiCr-Cr3C2为喷涂粉末，在基体表面形成NiCr-Cr3C2涂层；
以及，采用多弧离子镀技术，分别以钒靶和铝靶为靶材，保护性气体为工作气体，N2和C2H2为反应气体，对基体施加负偏压，对钒靶和铝靶施加靶电流，在所述NiCr-Cr3C2涂层表面沉积形成VAlCN涂层。
在一些实施例中，所述超音速火焰喷涂技术采用的工艺条件包括：燃烧室压力为0.88～1.58Mpa，喷涂距离为220～380mm，喷涂角度为60°～85°，氧气流量为700～900L/min，燃料流量为20～30L/min，送粉气体的压力为0.2～0.45MPa，送粉流量为30～100g/min，喷涂层数为1～2层，基体转速为280～550r/min。
进一步地，所述送粉气体为氮气。
本发明利用超音速火焰喷涂技术喷制NiCr-Cr3C2涂层，该涂层集聚了NiCr-Cr3C2材料和超音速喷涂的优点，形成了一种具有耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐高温磨损和耐高温冲蚀、孔隙率低等优点的新型材料。
在一些实施例中，所述的制备方法还包括：先对基体表面进行预处理，之后在所述基体表面形成所述的NiCr-Cr3C2涂层。
进一步地，所述预处理包括对基体表面清理处理和粗化处理。其中表面清理处理是对喷涂基体表面用砂纸进行打磨处理，以去除表面的油污和锈蚀。粗化处理是指对基体表面进行喷砂处理，喷砂用的磨料是白刚玉砂，喷砂压缩空气的压力为0.2MPa～0.4MPa，喷砂距离为120mm～150mm，喷砂角度为30°～50°，喷砂后基体表面粗糙度为2.5μm～3.5μm。进一步优选的，所述预处理还包括：先用丙酮、酒精等对所述基体进行清洗，再进行所述喷砂处理。
在一些实施例中，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：反应腔体内基底的真空度为3×10-3Pa～6×10-3Pa，工作真空度为0.2～0.5Pa，沉积偏压为-30～-60V，钒靶的弧电流为50～70A，铝靶的弧电流为30～50A，反应腔体的温度为300～400℃，N2流量为340～360sccm，C2H2流量在8～10min增加至50～80sccm。
进一步地，所述沉积的时间为75～92min。
进一步地，所述保护性气体包括惰性气体，如氩气，但不限于此。
本发明利用多弧离子镀制备VAlCN涂层，以硬质VN为过渡层，能够改善NiCr-Cr3C2层与VAlCN涂层两者成分迥异材料间的结合性能，NiCr-Cr3C2涂层在大气环境中的摩擦系数平均值0.5以下，而制备VAlCN涂层后摩擦系数低至0.2以下，其硬度达22GPa，磨损率达10- 16m3/N·m量级。
在一些实施例中，所述的制备方法还包括：先对所述NiCr-Cr3C2涂层表面进行预处理，再在所述NiCr-Cr3C2涂层表面沉积所述的VAlCN涂层。
进一步地，所述的预处理包括对NiCr-Cr3C2涂层表面用研磨膏进行打磨抛光处理和清洗处理。
更进一步地，其中所述清洗处理是将表面形成有所述NiCr-Cr3C2涂层的基体放至石油醚、丙酮、乙醇等清洗液中依次清洗最后用氮气吹干。
其中，在一些更为具体的实施案例之中，所述VAlCN/Cr3C2复合涂层的制备步骤包括：
一、在球阀套表面制备NiCr-Cr3C2涂层，通过超音速火焰喷涂工艺方法，由下述工艺步骤组成：
(1)喷涂前对基体表面进行预处理；
(2)采用JP8000超音速火焰喷涂设备进行喷涂，在HVOF喷涂中可控工艺参数有：燃烧室压力为0.88～1.58Mpa、喷涂距离为220～380mm、喷涂角度为60°～85°、氧气流量为700～900L/min、燃料流量为20～30L/min、送粉气体氮气的压力为0.2～0.45MPa、送粉流量为30～100g/min、一般需喷涂1～2层，基体转速为280～550r/min。
二、采用多弧离子镀技术，由下述工艺步骤组成：
(1)沉积前对已喷涂过的基体表面进行预处理；
(2)采用Hauzer Flexicoat850平台进行沉积VAlCN涂层，沉积VN过渡层采用的工艺条件包括：工作气体气压为0.2～0.5Pa，N2为反应气体，流量为320～370sccm，沉积偏压为-30～-50V，钒靶的弧电流为50～70A，沉积温度为300～400℃；沉积的时间为5～12min；在过渡层VN沉积所述VAlCN涂层采用的工艺条件包括：反应腔体内基底的真空度为3×10- 3Pa～6×10-3Pa，工作真空度为0.2～0.5Pa，沉积偏压为-40～-60V，钒靶的弧电流为50～70A，铝靶的弧电流为30～50A，反应腔体的温度为300～400℃，N2流量为340～360sccm，C2H2流量在8～10min增加至50～80sccm；优选的，共沉积时间为70～80min；
在一些实施例中，所述制备方法还包括：先采用多弧离子镀技术，以钒靶为靶材，保护性气体为工作气体，N2和C2H2为反应气体，对基体施加负偏压，对钒靶施加靶电流，在所述NiCr-Cr3C2涂层表面沉积形成VN过渡层，之后再于所述VN过渡层表面沉积所述VAlCN涂层。
具体的，先采用多弧离子镀技术，以纯度大于或等于99.5％的金属V和Al为靶材，在腔体中设置3个V靶，3个铝靶；N2流量为320～370sccm，工作气压为0.2～0.5Pa；向基体施加沉积负偏压为-30～-50V，V靶施加电流为50～70A，沉积温度为300～400℃，在基体表面沉积5～12min，获得0.15～0.4μm厚的VN过渡层，之后再于所述VN过渡层表面沉积所述VAlCN涂层。
进一步地，沉积所述VAlCN涂层采用的工艺条件包括：反应腔体内基底的真空度为3×10-3Pa～6×10-3Pa，N2和C2H2为反应气体，工作真空度为0.2～0.5Pa，沉积偏压为-40～-60V，钒靶的弧电流为50～70A，铝靶的弧电流为30～50A，反应腔体的温度为300～400℃，N2流量为340～360sccm，C2H2流量在8～10min增加至50～80sccm。
进一步地，共沉积时间为70～80min。
进一步地，所述基体包括球阀的至少部分部件，但不限于此。
进一步地，所述基体的材质包括不锈钢，但不限于此。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系由前述方法制备的耐磨防护复合涂层。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系前述的耐磨防护复合涂层于基体表面防护领域的用途。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系一种材料，包括基体，所述基体上还设置有前述的耐磨防护复合涂层。
进一步地，所述基体包括球阀的至少部分部件，但不限于此。
进一步地，所述基体的材质包括不锈钢，但不限于此。
综上，藉由上述技术方案，本发明将超音速火焰喷涂和多弧离子镀相结合，在NiCr-Cr3C2涂层表面制备VAlCN涂层形成的VAlCN/Cr3C2复合涂层，该涂层既保持了传统NiCr-Cr3C2硬质涂层很好的耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化性，同时具有VAlCN材料优异的自润滑特性，可以解决单一Cr3C2涂层磨损严重等问题，提高零部件综合使用性能及使用寿命，对在高温摩擦、酸、碱环境下服役的球阀等不锈钢质件具有良好的防护作用，从而有效提高基体的综合性能及服役寿命，以满足现代机械工业飞速发展对零部件表面防护问题的迫切需求，具有很好的应用价值。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件。
实施例1
本实施例中，在316球阀的阀芯制备VAlCN/Cr3C2复合涂层。
一、采用超音速火焰喷涂在阀芯表面制备NiCr-Cr3C2涂层的工艺步骤为：
(1)喷砂处理阀芯表面，除去表面的油渍和铁锈；然后依次用丙酮、乙醇清洗阀芯表面；
(2)以NiCr-Cr3C2为喷涂粉末，采用JP8000超音速火焰喷涂设备进行喷涂，工艺参数为：燃烧室压力为1.02Mpa，氧气流量为750L/min，燃料流量为25L/min，送粉气体氮气的压力为0.35MPa，送粉量为40g/min，喷涂距离为300mm，喷涂角度为75°，喷涂2层，其中每层厚度70～90μm，基体转速为450r/min。
二、采用多弧离子镀在已喷涂的阀芯制备VAlCN涂层的工艺步骤为：
(1)将阀芯表面用金刚石研磨膏研磨抛光，再放至石油醚中擦洗去除表面油污后放入丙酮中超声清洗15分钟，随后在无水乙醇中超声清洗15分钟，最后取出用氮气吹干；
(2)偏压反溅射清洗
将步骤(1)处理后的阀芯装入多弧离子镀腔体，腔体温度为350℃，背底真空预抽至4.00×10-3Pa；然后，向腔体通入纯度大于或等于99.95％的Ar，其流量为100sccm，基体施加负偏压，依次在-900V、-1100V和-1200V的负偏压下持续轰击阀芯5分钟，以除去基片上的薄氧化层和其他粘附的杂质；
(3)沉积硬质VN过渡层
以纯度大于或等于99.5％的金属v为靶材，在腔体中设置3个V靶，三个Al靶。N2流量从350sccm开始，以氮气控制腔体压强，工作气压为0.4Pa；向基体施加沉积负偏压为-40V，V靶施加电流为60A，沉积温度为350℃，在基体表面沉积8min，获得约0.2μm厚的VN过渡层。
(4)沉积VAlCN涂层
保持N2流量不变，在上述沉积VN过渡层的阀芯表面再沉积VAlCN涂层，所用靶材仍为两组3个金属V靶(纯度≥99.5％)、3个金属Al靶(纯度≥99.5％)，保持V靶电流不变，开启Al靶，电流为45A，沉积偏压为-50V，在不间断真空镀膜状态下，反应室基底真空保持为4×10-3Pa，向腔室内通入C2H2作为反应气体，保持N2流量不变，流量分别为80sccm及345sccm，维持真空度在4×10-3Pa，沉积温度保持在350℃，共沉积75min。
(5)待涂层沉积结束后，真空环境下冷却至200℃以下，然后向腔体充入保护性气体N2，在保护气氛下冷却至100℃以下，放气至大气压，开腔出炉，在阀芯表面得到VAlCN涂层。
图1是本发明实施例1中VAlCN涂层的截面形貌；直观看到柱状晶结构的VN过渡层，随着C和Al元素的引入，涂层由柱状结构转变成无序结构，这是由于非晶碳的增加；以及Al的固溶强化阻碍了柱状结构的生长。
图2是本发明实施例1中VAlCN涂层的表面形貌；涂层表面的颗粒大小不一，较大白色颗粒为多弧离子镀沉积时溅射的V、Al金属颗粒，明显观察到大小不一的晶粒，均匀致密分布于涂层表面。
对上述制得的VAlCN/Cr3C2复合涂层进行如下性能测试：
(1)采用HMV-G21系列维氏显微硬度对试样表面进行硬度测试，测试的压力为300g，保压时间为15s，表面硬度每组试样测试10个点，去掉一个最大值和一个最小值，剩下的值求出平均值HV0.3为1060。
(2)通过粘结剂将喷涂上涂层的对偶件试样与另一个对偶试样的端面粘结固化。其中对偶件用E-7胶作为粘结剂，其成分由耐高温环氧树脂和固化剂组成(10：1.5配比)，经100℃固化后3h。在万能试验机上通过测量对偶件的拉伸强度来表征涂层的结合强度，结合强度为51Mpa。
(3)采用UMT-3多功能摩擦磨损试验机对该NiCr-Cr3C2涂层在大气环境下的摩擦磨损寿命进行评价。具体方法为：采用该涂层样片和摩擦配副相互往复滑动方式，滑动频率分别为5Hz，载荷为5N，环境温度(25±3)℃，相对湿度(75±5)％，Φ＝6mm的Al2O3球作为摩擦配副。摩擦系数随滑动时间的变化关系如图4中的fc1曲线所示，平均摩擦平均摩擦系数为0.41。
对上述制得的VAlCN/Cr3C2复合涂层进行如下性能测试：
(1)MTS-Nano G200纳米压入测试平台以连续刚度法测定不锈钢基密封环表面涂层的硬度与弹性模量，测定结果如图3中的曲线所示，测试结果表明：涂层硬度为22GPa，表现出较好的机械性能。
实施例2
基体为不锈钢密封环，在其表面制备上述VAlCN/Cr3C2复合涂层。
一、采用超音速火焰喷涂不锈钢密封环表面制备NiCr-Cr3C2涂层的工艺步骤为：
(1)利用实施例1超音速火焰喷涂的步骤方法对不锈钢密封环进行喷涂前期前处理；
(2)以NiCr-Cr3C2为喷涂粉末，采用JP8000超音速火焰喷涂设备进行喷涂，工艺参数为：燃烧室压力为0.88Mpa，氧气流量为700L/min，燃料流量为20L/min，送粉气体氮气的压力为0.2MPa，送粉量为30g/min，喷涂距离为220mm，喷涂角度为60°，喷涂1层，其中每层厚度为70～90μm，基体转速为280r/min。
二、采用多弧离子镀在已喷涂的阀芯制备VAlCN涂层的工艺步骤为：
(1)利用实施例1多弧离子镀步骤(1)中的方法对不锈钢密封环进行镀前处理；
(2)利用实施例1多弧离子镀步骤(2)对不锈钢基密封环实施偏压反溅射清洗；
(3)以纯度大于或等于99.5％的金属v为靶材，在腔体中设置3个V靶，3个铝靶；N2流量为320sccm，工作气压为0.2Pa；向基体施加沉积负偏压为-30V，V靶施加电流为50A，沉积温度为300℃，在基体表面沉积5min，获得约0.15μm厚的VN过渡层。
(4)保持N2流量不变，在上述沉积VN过渡层的阀芯表面再沉积VAlCN涂层，所用靶材仍为两组3个金属V靶(纯度≥99.5％)、3个金属Al靶(纯度≥99.5％)，保持V靶电流不变，Al靶入电流增大为30A，沉积负偏压为-40V，在不间断真空镀膜状态下，反应室基底真空保持为3×10-3Pa，向腔室内通C2H2作为反应气体，N2流量不变，流量分别为70sccm及340sccm，维持真空度在3×10-3Pa，沉积温度保持在300℃，共沉积70min。
(5)与实施例1多弧离子镀步骤(5)相同。
采用UMT-3多功能摩擦磨损试验机对该复合涂层在大气环境下的摩擦磨损寿命进行评价。具体方法为：采用复合涂层样和摩擦配副相互往复滑动方式，滑动频率分别为5Hz，载荷为5N，环境温度(25±3)℃，相对湿度(75±5)％，Φ＝6mm的Al2O3球作为摩擦配副。摩擦系数随滑动时间的变化关系如图4中的fc2曲线所示，平均摩擦平均摩擦系数为0.18，计算得磨损率为10-16m3/N·m量级。测试结果表明：VAlCN/Cr3C2复合涂层涂层在大气环境下均未失效，表现出较低的摩擦系数及磨损率。
实施例3
基体为不锈钢密封杆，在其表面制备上述VAlCN/Cr3C2复合涂层。
一、采用超音速火焰喷涂不锈钢密封杆表面制备NiCr-Cr3C2涂层的工艺步骤为：
(1)利用实施例1超音速火焰喷涂的步骤方法对不锈钢密封杆进行喷涂前期前处理；
(2)以NiCr-Cr3C2为喷涂粉末，采用JP8000超音速火焰喷涂设备进行喷涂，工艺参数为：燃烧室压力为1.58Mpa，氧气流量为900L/min，燃料流量为30L/min，送粉气体氮气的压力为0.45MPa，送粉量为100g/min，喷涂距离为380mm，喷涂角度为85°，喷涂2层，其中每层厚度为70～90μm，基体转速为550r/min。
二、采用多弧离子镀在已喷涂的阀芯制备VAlCN涂层的工艺步骤为：
(1)利用实施例1多弧离子镀步骤(1)方法对不锈钢密封杆进行镀前处理；
(2)利用实施例1多弧离子镀步骤(2)对不锈钢基密封杆实施偏压反溅射清洗；
(3)以纯度大于或等于99.5％的金属v为靶材，在腔体中设置3个V靶，3个铝靶；N2流量为370sccm，工作气压为0.5Pa；向基体施加沉积负偏压为-50V，V靶施加电流为70A，沉积温度为400℃，在基体表面沉积12min，获得约0.4μm厚的VN过渡层；
(4)保持N2流量不变，在上述沉积VN过渡层的阀芯表面再沉积VAlCN涂层，所用靶材仍为两组3个金属V靶(纯度≥99.5％)、3个金属Al靶(纯度≥99.5％)，保持V靶电流不变，Al靶入电流增大为50A，沉积负偏压为-60V，在不间断真空镀膜状态下，反应室基底真空保持为6×10-3Pa，向腔室内通C2H2作为反应气体，N2流量不变，流量分别为50sccm及360sccm，维持真空度在6×10-3Pa，沉积温度保持在400℃，共沉积80min。
(5)与实施例1多弧离子镀步骤(5)相同。
对上述制得的NiCr-Cr3C2涂层进行如下性能测试：
(1)硬度测试与实施例1中的测试步骤(1)相同，测得硬度HV0.3为1020。
(2)结合强度测试与实施例1中的测试步骤(2)相同，测得结合强度48Mpa。
对照例1
采用超音速火焰喷涂在阀芯表面制备NiCr-Cr3C2涂层：
(1)喷砂处理阀芯表面，除去表面的油渍和铁锈；然后依次用丙酮、乙醇清洗阀芯表面；
(2)以NiCr-Cr3C2为喷涂粉末，采用JP8000超音速火焰喷涂设备进行喷涂，工艺参数为：燃烧室压力为1.4Mpa，氧气流量为800L/min，燃料流量为20L/min，送粉气体氮气的压力为0.4MPa，送粉量为70g/min，喷涂距离为360mm，喷涂角度为80°，喷涂2层，其中每层厚度70～90μm。
(1)硬度测试与实施例1中的测试步骤(1)相同，测得硬度HV0.3为1075。
(2)结合强度测试与实施例1中的测试步骤(2)相同，测得结合强度53Mpa。
(3)采用UMT-3多功能摩擦磨损试验机对该NiCr-Cr3C2涂层在大气环境下的摩擦磨损寿命进行评价。具体方法为：采用该涂层样片和摩擦配副相互往复滑动方式，滑动频率分别为5Hz，载荷为5N，环境温度(25±3)℃，相对湿度(75±5)％，Φ＝6mm的Al2O3球作为摩擦配副，测得平均摩擦平均摩擦系数为0.48，磨损率10-14m3/N·m量级。
综上所述，藉由上述技术方案，本发明将超音速火焰喷涂和多弧离子镀相结合，在NiCr-Cr3C2涂层表面制备VAlCN涂层形成的VAlCN/Cr3C2复合涂层，所获涂层具有很好的耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化性，对在高温摩擦、酸、碱环境下服役的球阀具有良好防护作用，从而有效提高基体的综合性能及服役寿命，以满足现代机械工业飞速发展对零部件表面防护问题的迫切需求，具有很好的应用价值。
此外，本案发明人还参照实施例1-3的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样成功制得了具有很好的耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化性的VAlCN/Cr3C2耐磨防护复合涂层。
需要说明的是，在本文中，在一般情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的步骤、过程、方法或者实验设备中还存在另外的相同要素。
应当理解，以上较佳实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式，但凡本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (18)

1.一种耐磨防护复合涂层的制备方法，其特征在于包括：
采用超音速火焰喷涂技术，以NiCr-Cr3C2为喷涂粉末，在基体表面形成NiCr-Cr3C2涂层；其中，所述超音速火焰喷涂技术采用的工艺条件包括：燃烧室压力为0.88~1.58Mpa，喷涂距离为220~380mm，喷涂角度为60°~85°，氧气流量为700~900L/min，燃料流量为20~30L/min，送粉气体的压力为0.2~0.45MPa，送粉流量为30~100g/min，喷涂层数为1~2层，基体转速为280~550r/min；
以及，先采用多弧离子镀技术，以钒靶为靶材，保护性气体为工作气体，对基体施加负偏压，对钒靶施加靶电流，在所述NiCr-Cr3C2涂层表面沉积形成VN过渡层，所述多弧离子镀技术沉积VN过渡层采用的工艺条件包括：工作气体气压为0.2~0.5Pa，N2为反应气体，流量为320~370sccm，沉积偏压为-30～-50V，钒靶的弧电流为50～70A，沉积温度为300～400℃；所述沉积的时间为5～12min；
之后再采用多弧离子镀技术，分别以钒靶和铝靶为靶材，保护性气体为工作气体，N2和C2H2为反应气体，对基体施加负偏压，对钒靶和铝靶施加靶电流，于所述VN过渡层表面沉积形成VAlCN涂层，其中，所述多弧离子镀技术沉积VAlCN涂层采用的工艺条件包括：反应腔体内基底的真空度为3×10-3 Pa～6×10-3 Pa，工作真空度为0.2～0.5Pa，沉积偏压为-30～-60V，钒靶的弧电流为50～70A，铝靶的弧电流为30～50 A，反应腔体的温度为300～400℃，N2流量为340~360sccm，C2H2流量在8~10min增加至50~80sccm；所述沉积的时间为75～92min；
所述耐磨防护复合涂层包括：依次形成于基体上的NiCr-Cr3C2涂层和VAlCN涂层，所述耐磨防护复合涂层还包括VN过渡层，所述VN过渡层形成于所述NiCr-Cr3C2涂层表面，所述VAlCN涂层形成于所述VN过渡层表面；所述耐磨防护复合涂层的厚度为70~190μm，所述NiCr-Cr3C2涂层的厚度为70~180μm，所述VAlCN涂层的厚度为2~4μm，所述VN过渡层的厚度为150~400nm，所述耐磨防护复合涂层在大气环境中的摩擦系数在0.2以下，硬度在22GPa以上，磨损率为10-16m3/N·m量级。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述送粉气体为氮气。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于还包括：先对基体表面进行预处理，之后在所述基体表面形成所述的NiCr-Cr3C2涂层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述预处理包括清理处理和粗化处理，所述清理处理包括：对所述基体表面进行打磨处理；所述粗化处理包括：对所述基体表面进行喷砂处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述喷砂处理采用的原料为白刚玉砂，喷砂压缩空气的压力为0.2～0.4MPa，喷砂距离为120～150mm，喷砂角度为30°~50°，喷砂后基体表面粗糙度为2.5～3.5μm。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述预处理还包括：先对所述基体进行清洗，再进行所述喷砂处理。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述保护性气体为惰性气体。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气。
9. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：沉积所述VAlCN涂层采用的工艺条件包括：反应腔体内基底的真空度为3×10-3 Pa～6×10-3 Pa，N2和C2H2为反应气体，工作真空度为0.2～0.5Pa，沉积偏压为-40～-60V，钒靶的弧电流为50～70A，铝靶的弧电流为30～50A，反应腔体的温度为300～400℃，N2流量为340~360sccm，C2H2流量在8~10min增加至50~80sccm；共沉积时间为70～80min。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述基体为球阀的至少部分部件。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述基体的材质为不锈钢。
12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述NiCr-Cr3C2涂层包括硬质相和粘接相，所述硬质相包括Cr3C2颗粒，所述粘接相采用NiCr合金相。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于：所述NiCr-Cr3C2涂层中硬质相的含量为70~80wt%，粘接相的含量为20~30wt%。
14.由权利要求1-13中任一项所述方法制备的耐磨防护复合涂层于基体表面防护领域的用途。
15.根据权利要求14所述的用途，其特征在于：所述基体为球阀的至少部分部件。
16.根据权利要求15所述的用途，其特征在于：所述基体的材质为不锈钢。
17.一种材料，包括基体，其特征在于：所述基体上还设置有由权利要求1-13中任一项所述方法制备的耐磨防护复合涂层，所述基体为球阀的至少部分部件。
18.根据权利要求17所述的材料，其特征在于：所述基体的材质为不锈钢。
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