CN111254395B - 一种耐高温耐腐蚀多层复合膜及制备方法 - Google Patents

一种耐高温耐腐蚀多层复合膜及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温耐腐蚀多层复合膜，包括依次叠加的金属过渡层、金属间化合物层和耐腐蚀层，金属过渡层按质量百分比由以下组分组成，稀土RE：0.2～2％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％，金属间化合物层为NiAl‑30Cr‑6Mo‑2Hf层，耐腐蚀层由ZrO2和α‑Al2O3组成。本发明还公开了一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，通过该方法制备的复合膜具有较高的膜层结合强度、热稳定性、抗蚀性和耐磨性。

Description

一种耐高温耐腐蚀多层复合膜及制备方法
技术领域
本发明属于薄膜材料技术领域，涉及一种耐高温耐腐蚀多层复合膜及制备方法。
背景技术
船用柴油机是海军舰艇的“心脏”，舰船的战术性能很大程度上依赖于动力装置来保障。舰船动力在高温、高压、高腐蚀、高转速和交变负荷的恶劣环境下工作，柴油机喷油配气传动系统由传动齿轮、凸轮轴、高压油泵顶升机构等组成。滚轮是柴油机喷油配气传动系统重要零件之一，直接关系着柴油机运行的可靠性。凸轮轴推动滚轮转动，滚轮承受非常高的交变应力，受力状态复杂，使用环境恶劣，引起滚轮早期磨损，影响配气和进出气，导致柴油机无法正常工作并停车检修。滚轮频繁出现异常磨损，严重影响舰船动力的可靠性。
滚轮传统工艺采用渗碳淬火，滚轮在高温、高压、高腐蚀、高转速和交变负荷的恶劣环境下工作，引起异常磨损和腐蚀，无法满足滚轮使用要求环境。为了制造出满足要求的滚轮，人们提出采用耐高温、耐腐蚀的多层复合膜来制作滚轮，专利文本《一种抗海洋性气氛腐蚀热障涂层》(申请号：201010034157.8，公开号：CN1274879C，公开日：2014.12.21)采用电子束物理气相沉积技术在金属表面制备ZrO2层，再在ZrO2层表面制α-Al2O3，改膜层耐腐蚀性强，但ZrO2层和α-Al2O3层结合力差，影响整个膜层的综合力学性能。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种耐高温耐腐蚀多层复合膜，解决了现有耐高温耐腐蚀多层复合膜的膜层结合强度低，综合力学性能差的问题。
本发明的另一个目的是提供一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法。
本发明所采用的第一技术方案是，一种耐高温耐腐蚀多层复合膜，包括依次叠加的金属过渡层、金属间化合物层和耐腐蚀层，金属过渡层按质量百分比由以下组分组成，稀土RE：0.2～2％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％。
本发明的技术特征还在于，
其中，金属间化合物层为NiAl-30Cr-6Mo-2Hf层。
耐腐蚀层按质量百分比由以下组分组成，ZrO2：5％～30％，余量为α-Al2O3，各组分的质量百分比之和为100％。
金属过渡层的单层厚度为0.5um～1.33um，金属间化合物层的单层厚度为0.5um～1.25um，耐腐蚀层的单层厚度为0.2um～3um。
本发明所采用的第二技术方案是，一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备靶材，包括分别制备Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材；金属间化合物层靶材为NiAl-30Cr-6Mo-2Hf靶材，耐腐蚀层靶材为ZrO2/α-Al2O3靶材；
步骤2：20CrNi3A基板预处理，包括对20CrNi3A基板进行渗碳和磨削处理；
步骤3：将基板和靶材放置于真空室中进行预热处理；
步骤4：采用电子束交替蒸发Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材，使Cr/RE金属过渡层靶材熔融后蒸发沉积到20CrNi3A基板表面，形成Cr/RE金属过渡层，再将金属间化合物层靶材蒸发沉积到Cr/RE金属过渡层表面，形成金属间化合物层，最后将耐腐蚀层靶材蒸发沉积到金属间化合物层表面，即制成耐高温耐腐蚀多层复合膜。
步骤1中，制备Cr/RE金属过渡层靶材，具体包括以下步骤：
步骤1.1a：按质量百分比分别称取以下组分，稀土RE：0.2～2％，余量为Cr，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤1.1b：将步骤1.1a称取的各组分混合均匀后在1300～1500℃熔炼，即制得Cr/RE金属过渡层靶材。
步骤1中，制备金属间化合物层靶材，具体包括以下步骤：
步骤1.2a：按质量百分比分别称取以下组分，NiAl：0.2％～2％，Mo：1％～10％，Hf：1％～3％，余量为Cr，以上各组分的质量百分比之和为100％；
步骤1.2b：将步骤1.2a称取的各组分混合均匀后，在1300～1500℃熔炼，即制得金属间化合物层靶材。
步骤1中，制备耐腐蚀层靶材，具体包括以下步骤：
步骤1.3a：按质量百分比分别称取以下组分，ZrO2：5％～30％，余量为α-Al2O3，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤1.3b：将称取的ZrO2粉末和α-Al2O3粉末混合均匀后冷压成型，制成圆柱状棒材，再将棒材放置于高温炉中，加热至1200～1300℃保温10～20h，冷却后，即得到耐腐蚀层靶材。
步骤3包括将基板放置于真空室的载物台上，将Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材分别放置于同一真空室的不同坩埚内，将真空室抽真空至10- 3Pa～10-2Pa，然后将真空室室内温度升至400-550℃，预热时间为10～60min。
步骤4中，电子束蒸发Cr/RE金属过渡靶材时，电子束流为1～3A，电子束电压为5～15KV，靶材上升速率为1.2～1.7mm/min，Cr/RE金属过渡层的沉积速率为0.028～0.035um/min；电子束蒸发金属间化合物层靶材时，电子束流为1～2.5A，电子束电压为2～30KV，靶材上升速率为1.0～1.2mm/min，金属间化合物层的沉积速率为0.015～0.03um/min；电子束蒸发耐腐蚀层靶材时，电子束流为1～5A，电子束电压为5～30KV，靶材上升速率为1.0～2.5mm/min，耐腐蚀层的沉积速率为0.015～0.028um/min。
本发明的有益效果是，采用依次叠加的RE/Cr金属过渡层、金属间化合物层和耐腐蚀层组成耐高温耐腐蚀多层复合膜，具有较高的膜层结合强度；在复合膜中添加稀土元素，能提高复合膜的热稳定性、抗蚀性和耐磨性；金属间化合物由于具有较高的强度和硬度，以NiAl、Cr、Mo及Hf形成金属间化合物层，能提高复合膜的耐磨性和韧性，以α-Al2O3和ZrO2形成耐腐蚀层，具有耐高温、耐高压和良好的耐腐蚀性能；该复合膜的金属层厚度比和金属合金化层比都很大，保持了金属材料韧性好的特点，限制了金属层中柱状晶的长大，减少裂纹延金属晶界扩大的可能性，同时金属间化合物强度高，减少了金属层的塑性变形，提高了膜层强度。
附图说明
图1是本发明实施例1中耐高温耐腐蚀多层复合膜的微观表面形貌；
图2是本发明实施例1中耐高温耐腐蚀多层复合膜的膜层结合力图；
图3是本发明实施例1中耐高温耐腐蚀多层复合膜的电化学曲线图；
图4是本发明实施例1中耐高温耐腐蚀多层复合膜在耐盐雾试验进行到48小时的宏观表面形貌；
图5是本发明实施例1中耐高温耐腐蚀多层复合膜在耐盐雾试验进行到96小时的宏观表面形貌；
图6是本发明实施例1中耐高温耐腐蚀多层复合膜在耐盐雾试验进行到144小时的宏观表面形貌；
图7是本发明实施例1中耐高温耐腐蚀多层复合膜在耐盐雾试验进行到192小时的宏观表面形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种耐高温耐腐蚀多层复合膜，包括依次叠加的金属过渡层、金属间化合物层和耐腐蚀层，金属过渡层按质量百分比由以下组分组成，稀土RE：0.2～2％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％。金属间化合物层为NiAl-30Cr-6Mo-2Hf层。
因为采用金属Cr做金属过渡层，Cr过渡层为柱状晶，晶界之间存在孔隙，部分孔隙与金属间化合物层的组织缺陷相连，往往贯穿整个膜层直达基体，这样复合膜本身便不能起到完全隔离基体与腐蚀介质的作用，影响了多层复合膜的耐腐蚀性能。在制备金属过渡层时，添加微量稀土元素，能提高复合膜的综合性能，特别是热稳定性、抗蚀性和耐磨性，金属间化合物由于具有一般金属和合金没有的强度，比刚度、比模量高，但韧性差，添加NiAl、Cr、Mo及Hf，生成NiAl相、Cr(Mo)相和Ni2AlHf能提高膜层耐磨性能及韧性，耐高温腐蚀层为α-Al2O3添加ZrO2，添加ZrO2的α-Al2O3层具有耐高温、耐高压和良好的耐腐蚀性能。
稀土元素是17种特殊的元素的统称，简称RE或R，包括镧系元素--镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的元素-钇(Y)和钪(Sc)共17种元素。
耐腐蚀层按质量百分比由以下组分组成，ZrO2：5％～30％，余量为α-Al2O3，各组分的质量百分比之和为100％。
金属过渡层的单层厚度为0.5um～1.33um，金属间化合物层的单层厚度为0.5um～1.25um，耐腐蚀层的单层厚度为0.2um～3um。
本发明一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备靶材，包括分别制备Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材；金属间化合物层靶材为NiAl-30Cr-6Mo-2Hf靶材，耐腐蚀层靶材为ZrO2/α-Al2O3靶材；
步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1a：按质量百分比分别称取以下组分，稀土RE：0.2～2％，余量为Cr，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤1.1b：将步骤1.1a称取的各组分混合均匀后在1300～1500℃熔炼，即制得Cr/RE金属过渡层靶材。
步骤1.2a：按质量百分比分别称取以下组分，NiAl：0.2％～2％，Mo：1％～10％，Hf：1％～3％，余量为Cr，以上各组分的质量百分比之和为100％；
步骤1.2b：将步骤1.2a称取的各组分混合均匀后，在1300～1500℃熔炼，即制得金属间化合物层靶材。
步骤1.3a：按质量百分比分别称取以下组分，ZrO2：5％～30％，余量为α-Al2O3，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤1.3b：将称取的ZrO2粉末和α-Al2O3粉末混合均匀后冷压成型，制成圆柱状棒材，再将棒材放置于高温炉中，加热至1200～1300℃保温10～20h，冷却后，即得到耐腐蚀层靶材。
步骤2：20CrNi3A基板预处理，包括对20CrNi3A基板进行渗碳和磨削处理，然后清洗干净，渗碳层表面的摩擦系数为0.4～0.7，层深为0.5mm～2mm，表面硬度为60HRC～62HRC。
步骤3：将20CrNi3A基板放置于真空室的载物台上，将Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材分别放置于同一真空室的不同坩埚内，将所述真空室抽真空至10-3Pa～10-2Pa，然后将真空室室内温度升至400-550℃，预热时间为10～60min。
步骤4：采用电子束交替蒸发Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材，使Cr/RE金属过渡层靶材熔融后蒸发沉积到20CrNi3A基板表面，形成Cr/RE金属过渡层，再将金属间化合物层靶材蒸发沉积到Cr/RE金属过渡层表面，形成金属间化合物层，最后将耐腐蚀层靶材蒸发沉积到金属间化合物层表面，即制成耐高温耐腐蚀多层复合膜。
步骤4中，电子束蒸发Cr/RE金属过渡靶材时，电子束流为1～3A，电子束电压为5～15KV，靶材上升速率为1.2～1.7mm/min，Cr/RE金属过渡层的沉积速率为0.028～0.035um/min，沉积厚度为0.5um～1.33um；电子束蒸发金属间化合物层靶材时，电子束流为1～2.5A，电子束电压为2～30KV，靶材上升速率为1.0～1.2mm/min，金属间化合物层的沉积速率为0.015～0.03um/min，沉积厚度为0.5um～1.25um；电子束蒸发耐腐蚀层靶材时，电子束流为1～5A，电子束电压为5～30KV，靶材上升速率为1.0～2.5mm/min，耐腐蚀层的沉积速率为0.015～0.028um/min，沉积厚度为0.2um～3um。
实施例1
制备一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备靶材
步骤1.1：制备Cr/RE金属过渡层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，稀土RE(钕)：1％，余量为Cr，以上组分的质量百分比之和为100％；再将称取的各组分混合均匀后在1300℃熔炼，即制得Cr/RE金属过渡层靶材；
步骤1.2：制备金属间化合物层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，NiAl：0.5％，Mo：3％，Hf：1％，余量为Cr，以上各组分的质量百分比之和为100％；再将称取的各组分混合均匀后，在1300℃熔炼，即制得NiAl-30Cr-6Mo-2Hf金属间化合物层靶材；
步骤1.3：制备耐腐蚀层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，ZrO2：5％，余量为α-Al2O3，以上组分的质量百分比之和为100％；再将称取的ZrO2粉末和α-Al2O3粉末混合均匀后冷压成型，制成圆柱状棒材，再将棒材放置于高温炉中，加热至1200℃保温15h，冷却后，即得到ZrO2/α-Al2O3耐腐蚀层靶材。
步骤2：20CrNi3A基板预处理
步骤2.1：对20CrNi3A基板进行渗碳和磨削处理，制成大小为Ф15mm×5mm的圆饼状20CrNi3A基板，渗碳层表面的摩擦系数为0.4，层深为1mm，表面硬度为61.2HRC；
步骤2.2：将磨削处理后的20CrNi3A基板依次浸没在丙酮溶液、无水乙醇溶液、去离子水中进行超声清洗，去除基板表面的有机污染物，提高基板的表面洁净度，以提高薄膜与基板间的附着力，清洗时间为20min。
步骤3：清理真空室、载物台、坩埚和放置坩埚的凹槽，真空室是电子束物理气相沉积设备的关键组成部分，镀膜的全部过程都发生在真空室内，而基板需放置在真空室内的载物台上，载物台的清洁度会影响到镀膜的质量，因此有必要对真空室和载物台进行严格的清洁。
将清理后的20CrNi3A基板放置于真空室的载物台上，将Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材分别放置于该真空室的不同坩埚内，将真空室抽真空至10-3Pa，然后将真空室室内温度升至500℃，预热时间为30min；
步骤4：采用电子束交替蒸发Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材，使Cr/RE金属过渡层靶材熔融后蒸发沉积到20CrNi3A基板表面，形成Cr/RE金属过渡层，沉积过程中，基板绕旋转轴旋转每分钟20转，基板温度为500℃，电子束流为1.5A，电子束电压为6KV，靶材上升速率为1.5mm/min，Cr/RE金属过渡层的沉积速率为0.030um/min，Cr/RE金属过渡层的沉积厚度为1.25um；
再将金属间化合物层靶材蒸发沉积到Cr/RE金属过渡层表面，形成金属间化合物层，沉积过程中，电子束流为1.8A，电子束电压为7KV，靶材上升速率为1.1mm/min，金属间化合物层的沉积速率为0.02um/min，沉积厚度为0.6um；
最后将耐腐蚀层靶材蒸发沉积到金属间化合物层表面，沉积过程中，电子束流为3A，电子束电压为15KV，靶材上升速率为1.1mm/min，耐腐蚀层的沉积速率为0.025um/min，沉积厚度为0.6um，耐腐蚀层沉积完毕，即制成耐高温耐腐蚀多层复合膜。
对实施例1制备的耐高温耐腐蚀多层复合膜进行金相组织的观测和性能测试，结果如下：
图1为实施例1中耐高温耐腐蚀多层复合膜的微观表面形貌，通过观测可知，该复合膜表面主要由圆球状一次颗粒组成，且一次颗粒间相互连接、融合形成较大的二次颗粒，二次颗粒存在明显的晶体学特征，较大的二次颗粒上融合了大量的小颗粒物，复合膜表面有微量空洞。
图2为实施例1中耐高温耐腐蚀多层复合膜的膜层结合力图，该膜层结合力的测试采用兰州中科凯华科技开发有限公司的涂层附着力自动划痕仪完成，测量方法为声发射测量方式，该曲线图的横坐标为载荷(N)，纵坐标为声发射信号，从该图中可知，耐高温耐腐蚀多层复合膜在载荷为53.95N开始破损剥落，并且载荷越大薄膜破损程度也越大，当载荷超过83N后，曲线峰值开始下降，说明划针开始接触到基体，因此，该膜层的临界载荷为53.95N，即该膜层结合力为53.95N，膜层结合力较好。本申请通过制备金属过渡层和控制膜层厚度，提高了膜层结合力。
图3为实施例1中耐高温耐腐蚀多层复合膜的电化学曲线图，图3中的A曲线为该多层复合膜的电化学曲线图，腐蚀电流密度为0.40A·cm-2×10-5，腐蚀电位为-0.406V，图3中的B曲线为无膜层渗碳试样(即渗碳处理后的20CrNi3A基板)的电化学曲线图，腐蚀电流密度为0.61A·cm-2×10-5，腐蚀电位为-0.455V，由此可见，与无膜层渗碳试样相比，本申请多层复合膜的腐蚀电流较小，腐蚀电位高，耐腐蚀性更好。
对实施例1制备的耐高温耐腐蚀多层复合膜和无膜层渗碳试样(即渗碳处理后的20CrNi3A基板)进行酸性盐雾试验，结果表明，无膜层渗碳试样的耐盐雾试验时间只有18h，耐高温耐腐蚀多层复合膜的耐盐雾试验时间有144h，该多层复合膜的耐腐蚀性相比无膜层渗碳试样提高了8倍。图4-图7是该多层复合膜在酸性盐雾试验过程中的宏观表面形貌，图4是该多层复合膜在耐盐雾试验进行到48小时的宏观表面形貌，图5是该多层复合膜在耐盐雾试验进行到96小时的宏观表面形貌，图6是该多层复合膜在耐盐雾试验进行到144小时的宏观表面形貌，图7是该多层复合膜在耐盐雾试验进行到192小时的宏观表面形貌。从这些图中可知，该多层复合膜在96小时的时候无明显腐蚀，在144小时的时候出现少许腐蚀斑点，在192小时的时候出现大面积的腐蚀痕迹。
实施例2
制备一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备靶材
步骤1.1：制备Cr/RE金属过渡层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，稀土RE(铈)：0.2％，余量为Cr，以上组分的质量百分比之和为100％；再将称取的各组分混合均匀后在1400℃熔炼，即制得Cr/RE金属过渡层靶材；
步骤1.2：制备金属间化合物层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，NiAl：0.7％，Mo：4.2％，Hf：1.4％，余量为Cr，以上各组分的质量百分比之和为100％；再将称取的各组分混合均匀后，在1500℃熔炼，即制得NiAl-30Cr-6Mo-2Hf金属间化合物层靶材；
步骤1.3：制备耐腐蚀层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，ZrO2：10％，余量为α-Al2O3，以上组分的质量百分比之和为100％；再将称取的ZrO2粉末和α-Al2O3粉末混合均匀后冷压成型，制成圆柱状棒材，再将棒材放置于高温炉中，加热至1250℃保温10h，冷却后，即得到ZrO2/α-Al2O3耐腐蚀层靶材。
步骤2：20CrNi3A基板预处理
步骤2.1：对20CrNi3A基板进行渗碳和磨削处理，制成大小为Ф15mm×5mm的圆饼状20CrNi3A基板，渗碳层表面的摩擦系数为0.4，层深为0.5mm，表面硬度为60HRC；
步骤2.2：将磨削处理后的20CrNi3A基板依次浸没在丙酮溶液、无水乙醇溶液、去离子水中进行超声清洗，去除基板表面的有机污染物，提高基板的表面洁净度，以提高薄膜与基板间的附着力，清洗时间为25min。
步骤3：清理真空室、载物台、坩埚和放置坩埚的凹槽，真空室是电子束物理气相沉积设备的关键组成部分，镀膜的全部过程都发生在真空室内，而基板需放置在真空室内的载物台上，载物台的清洁度会影响到镀膜的质量，因此有必要对真空室和载物台进行严格的清洁。
将清理后的20CrNi3A基板放置于真空室的载物台上，将Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材分别放置于该真空室的不同坩埚内，将真空室抽真空至10-3Pa，然后将真空室室内温度升至400℃，预热时间为40min；
步骤4：采用电子束交替蒸发Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材，使Cr/RE金属过渡层靶材熔融后蒸发沉积到20CrNi3A基板表面，形成Cr/RE金属过渡层，沉积过程中，基板绕旋转轴旋转每分钟20转，基板温度为400℃，电子束流为1.5A，电子束电压为6KV，靶材上升速率为1.5mm/min，Cr/RE金属过渡层的沉积速率为0.030um/min，Cr/RE金属过渡层的沉积厚度为1.25um；
再将金属间化合物层靶材蒸发沉积到Cr/RE金属过渡层表面，形成金属间化合物层，沉积过程中，电子束流为1.8A，电子束电压为7KV，靶材上升速率为1.1mm/min，金属间化合物层的沉积速率为0.020um/min，沉积厚度为0.6um；
最后将耐腐蚀层靶材蒸发沉积到金属间化合物层表面，沉积过程中，电子束流为3A，电子束电压为15KV，靶材上升速率为1.1mm/min，耐腐蚀层的沉积速率为0.025um/min，沉积厚度为3um，耐腐蚀层沉积完毕，即制成耐高温耐腐蚀多层复合膜。
实施例3
制备一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备靶材
步骤1.1：制备Cr/RE金属过渡层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，稀土RE(钆)：0.7％，余量为Cr，以上组分的质量百分比之和为100％；再将称取的各组分混合均匀后在1500℃熔炼，即制得Cr/RE金属过渡层靶材；
步骤1.2：制备金属间化合物层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，NiAl：1％，Mo：6％，Hf：2％，余量为Cr，以上各组分的质量百分比之和为100％；再将称取的各组分混合均匀后，在1500℃熔炼，即制得NiAl-30Cr-6Mo-2Hf金属间化合物层靶材；
步骤1.3：制备耐腐蚀层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，ZrO2：20％，余量为α-Al2O3，以上组分的质量百分比之和为100％；再将称取的ZrO2粉末和α-Al2O3粉末混合均匀后冷压成型，制成圆柱状棒材，再将棒材放置于高温炉中，加热至1300℃保温10h，冷却后，即得到ZrO2/α-Al2O3耐腐蚀层靶材。
步骤2：20CrNi3A基板预处理
步骤2.1：对20CrNi3A基板进行渗碳和磨削处理，制成大小为Ф15mm×5mm的圆饼状20CrNi3A基板，渗碳层表面的摩擦系数为0.6，层深为1.5mm，表面硬度为61HRC；
步骤2.2：将磨削处理后的20CrNi3A基板依次浸没在丙酮溶液、无水乙醇溶液、去离子水中进行超声清洗，去除基板表面的有机污染物，提高基板的表面洁净度，以提高薄膜与基板间的附着力，清洗时间为22min。
步骤3：清理真空室、载物台、坩埚和放置坩埚的凹槽，真空室是电子束物理气相沉积设备的关键组成部分，镀膜的全部过程都发生在真空室内，而基板需放置在真空室内的载物台上，载物台的清洁度会影响到镀膜的质量，因此有必要对真空室和载物台进行严格的清洁。
将清理后的20CrNi3A基板放置于真空室的载物台上，将Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材分别放置于该真空室的不同坩埚内，将真空室抽真空至10-2Pa，然后将真空室室内温度升至550℃，预热时间为25min；
步骤4：采用电子束交替蒸发Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材，使Cr/RE金属过渡层靶材熔融后蒸发沉积到20CrNi3A基板表面，形成Cr/RE金属过渡层，沉积过程中，基板绕旋转轴旋转每分钟20转，基板温度为550℃，电子束流为1.5A，电子束电压为10KV，靶材上升速率为1.7mm/min，Cr/RE金属过渡层的沉积速率为0.028um/min，Cr/RE金属过渡层的沉积厚度为0.5umum；
再将金属间化合物层靶材蒸发沉积到Cr/RE金属过渡层表面，形成金属间化合物层，沉积过程中，电子束流为1.8A，电子束电压为20KV，靶材上升速率为1.2mm/min，金属间化合物层的沉积速率为0.03um/min，沉积厚度为0.6um；
最后将耐腐蚀层靶材蒸发沉积到金属间化合物层表面，沉积过程中，电子束流为3A，电子束电压为15KV，靶材上升速率为1.2mm/min，耐腐蚀层的沉积速率为0.025um/min，沉积厚度为3um，耐腐蚀层沉积完毕，即制成耐高温耐腐蚀多层复合膜。
实施例4
制备一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备靶材
步骤1.1：制备Cr/RE金属过渡层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，稀土RE(镧)：1.5％，余量为Cr，以上组分的质量百分比之和为100％；再将称取的各组分混合均匀后在1400℃熔炼，即制得Cr/RE金属过渡层靶材；
步骤1.2：制备金属间化合物层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，NiAl：1％，Mo：6％，Hf：2％，余量为Cr，以上各组分的质量百分比之和为100％；再将称取的各组分混合均匀后，在1300℃熔炼，即制得NiAl-30Cr-6Mo-2Hf金属间化合物层靶材；
步骤1.3：制备耐腐蚀层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，ZrO2：25％，余量为α-Al2O3，以上组分的质量百分比之和为100％；再将称取的ZrO2粉末和α-Al2O3粉末混合均匀后冷压成型，制成圆柱状棒材，再将棒材放置于高温炉中，加热至1250℃保温20h，冷却后，即得到ZrO2/α-Al2O3耐腐蚀层靶材。
步骤2：20CrNi3A基板预处理
步骤2.1：对20CrNi3A基板进行渗碳和磨削处理，制成大小为Ф15mm×5mm的圆饼状20CrNi3A基板，渗碳层表面的摩擦系数为0.4，层深为1mm，表面硬度为61.5HRC；
步骤2.2：将磨削处理后的20CrNi3A基板依次浸没在丙酮溶液、无水乙醇溶液、去离子水中进行超声清洗，去除基板表面的有机污染物，提高基板的表面洁净度，以提高薄膜与基板间的附着力，清洗时间为20min。
步骤3：清理真空室、载物台、坩埚和放置坩埚的凹槽，真空室是电子束物理气相沉积设备的关键组成部分，镀膜的全部过程都发生在真空室内，而基板需放置在真空室内的载物台上，载物台的清洁度会影响到镀膜的质量，因此有必要对真空室和载物台进行严格的清洁。
将清理后的20CrNi3A基板放置于真空室的载物台上，将Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材分别放置于该真空室的不同坩埚内，将真空室抽真空至10-3Pa，然后将真空室室内温度升至500℃，预热时间为30min；
步骤4：采用电子束交替蒸发Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材，使Cr/RE金属过渡层靶材熔融后蒸发沉积到20CrNi3A基板表面，形成Cr/RE金属过渡层，沉积过程中，基板绕旋转轴旋转每分钟20转，基板温度为500℃，电子束流为1.5A，电子束电压为6KV，靶材上升速率为1.5mm/min，Cr/RE金属过渡层的沉积速率为0.030um/min，Cr/RE金属过渡层的沉积厚度为1.25um；
再将金属间化合物层靶材蒸发沉积到Cr/RE金属过渡层表面，形成金属间化合物层，沉积过程中，电子束流为1.8A，电子束电压为7KV，靶材上升速率为1.0mm/min，金属间化合物层的沉积速率为0.020um/min，沉积厚度为0.6um；
最后将耐腐蚀层靶材蒸发沉积到金属间化合物层表面，沉积过程中，电子束流为2A，电子束电压为15KV，靶材上升速率为1.1mm/min，耐腐蚀层的沉积速率为0.023um/min，沉积厚度为0.69um，耐腐蚀层沉积完毕，即制成耐高温耐腐蚀多层复合膜。
实施例5
制备一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：制备靶材
步骤1.1：制备Cr/RE金属过渡层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，稀土RE(钕)：2％，余量为Cr，以上组分的质量百分比之和为100％；再将称取的各组分混合均匀后在1400℃熔炼，即制得Cr/RE金属过渡层靶材；
步骤1.2：制备金属间化合物层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，NiAl：1.5％，Mo：9％，Hf：3％，余量为Cr，以上各组分的质量百分比之和为100％；再将称取的各组分混合均匀后，在1350℃熔炼，即制得NiAl-30Cr-6Mo-2Hf金属间化合物层靶材；
步骤1.3：制备耐腐蚀层靶材，先按质量百分比分别称取以下组分，ZrO2：30％，余量为α-Al2O3，以上组分的质量百分比之和为100％；再将称取的ZrO2粉末和α-Al2O3粉末混合均匀后冷压成型，制成圆柱状棒材，再将棒材放置于高温炉中，加热至1300℃保温20h，冷却后，即得到ZrO2/α-Al2O3耐腐蚀层靶材。
步骤2：20CrNi3A基板预处理
步骤2.1：对20CrNi3A基板进行渗碳和磨削处理，制成大小为Ф15mm×5mm的圆饼状20CrNi3A基板，渗碳层表面的摩擦系数为0.6，层深为1mm，表面硬度为62HRC；
步骤2.2：将磨削处理后的20CrNi3A基板依次浸没在丙酮溶液、无水乙醇溶液、去离子水中进行超声清洗，去除基板表面的有机污染物，提高基板的表面洁净度，以提高薄膜与基板间的附着力，清洗时间为25min。
步骤3：清理真空室、载物台、坩埚和放置坩埚的凹槽，真空室是电子束物理气相沉积设备的关键组成部分，镀膜的全部过程都发生在真空室内，而基板需放置在真空室内的载物台上，载物台的清洁度会影响到镀膜的质量，因此有必要对真空室和载物台进行严格的清洁。
将清理后的20CrNi3A基板放置于真空室的载物台上，将Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材分别放置于该真空室的不同坩埚内，将真空室抽真空至10-2Pa，然后将真空室室内温度升至500℃，预热时间为30min；
步骤4：采用电子束交替蒸发Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材，使Cr/RE金属过渡层靶材熔融后蒸发沉积到20CrNi3A基板表面，形成Cr/RE金属过渡层，沉积过程中，基板绕旋转轴旋转每分钟20转，基板温度为500℃，电子束流为3A，电子束电压为5KV，靶材上升速率为1.5mm/min，Cr/RE金属过渡层的沉积速率为0.035um/min，Cr/RE金属过渡层的沉积厚度为1.25um；
再将金属间化合物层靶材蒸发沉积到Cr/RE金属过渡层表面，形成金属间化合物层，沉积过程中，电子束流为1.8A，电子束电压为7KV，靶材上升速率为1.1mm/min，金属间化合物层的沉积速率为0.020um/min，沉积厚度为0.6um；
最后将耐腐蚀层靶材蒸发沉积到金属间化合物层表面，沉积过程中，电子束流为2A，电子束电压为15KV，靶材上升速率为1.1mm/min，耐腐蚀层的沉积速率为0.023um/min，沉积厚度为0.69um，耐腐蚀层沉积完毕，即制成耐高温耐腐蚀多层复合膜。
针对滚轮的使用环境，设计了耐高温、耐腐蚀的多层复合膜，其底层为金属过渡层，中间层为金属合金化层，表层为耐腐层，为了提高多层复合膜与金属基体的相容性，采用金属Cr做金属过渡层，但Cr过渡层为柱状晶，晶界之间存在孔隙，部分孔隙与金属间化合物层的组织缺陷相连，往往贯穿整个膜层直达基体，这样复合膜本身便不能起到完全隔离基体与腐蚀介质的作用，影响了多层复合膜的耐腐蚀性能。在制备金属过渡层时，添加微量稀土元素，能提高复合膜的综合性能，特别是热稳定性、抗蚀性和耐磨性，金属间化合物由于具有一般金属和合金没有的强度，比刚度、比模量高，但韧性差，添加元素Cr、Mo及Hf，生成NiAl相、Cr(Mo)相和Ni2AlHf提高膜层耐磨性能及韧性，耐高温腐蚀层为α-Al2O3添加ZrO2，添加ZrO2的α-Al2O3层具有耐高温、高压、腐蚀性能，解决滚轮早期磨损失效问题。

Claims (6)

1.一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备靶材，包括分别制备Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材；所述金属间化合物层靶材为NiAl-30Cr-6Mo-2Hf靶材，耐腐蚀层靶材为ZrO2/α-Al2O3靶材；
步骤2：20CrNi3A基板预处理，包括对20CrNi3A基板进行渗碳和磨削处理；
步骤3：将基板和靶材放置于真空室中进行预热处理；
步骤4：采用电子束交替蒸发Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材，使Cr/RE金属过渡层靶材熔融后蒸发沉积到20CrNi3A基板表面，形成Cr/RE金属过渡层，再将金属间化合物层靶材蒸发沉积到Cr/RE金属过渡层表面，形成金属间化合物层，最后将耐腐蚀层靶材蒸发沉积到金属间化合物层表面，即制成耐高温耐腐蚀多层复合膜；
耐高温耐腐蚀多层复合膜包括依次叠加的金属过渡层、金属间化合物层和耐腐蚀层，所述金属过渡层按质量百分比由以下组分组成，稀土RE：0.2～2％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％，所述金属间化合物层为NiAl-30Cr-6Mo-2Hf层，所述耐腐蚀层按质量百分比由以下组分组成，ZrO2：5％～30％，余量为α-Al2O3，各组分的质量百分比之和为100％，所述金属过渡层的单层厚度为0.5um～1.33um，金属间化合物层的单层厚度为0.5um～1.25um，耐腐蚀层的单层厚度为0.2um～3um。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，制备Cr/RE金属过渡层靶材，具体包括以下步骤：
步骤1.1a：按质量百分比分别称取以下组分，稀土RE：0.2～2％，余量为Cr，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤1.1b：将步骤1.1a称取的各组分混合均匀后在1300～1500℃熔炼，即制得Cr/RE金属过渡层靶材。
3.根据权利要求2所述的一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，制备金属间化合物层靶材，具体包括以下步骤：
步骤1.2a：按质量百分比分别称取以下组分，NiAl：0.2％～2％，Mo：1％～10％，Hf：1％～3％，余量为Cr，以上各组分的质量百分比之和为100％；
步骤1.2b：将步骤1.2a称取的各组分混合均匀后，在1300～1500℃熔炼，即制得金属间化合物层靶材。
4.根据权利要求3所述的一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，制备耐腐蚀层靶材，具体包括以下步骤：
步骤1.3a：按质量百分比分别称取以下组分，ZrO2：5％～30％，余量为α-Al2O3，以上组分的质量百分比之和为100％；
步骤1.3b：将称取的ZrO2粉末和α-Al2O3粉末混合均匀后冷压成型，制成圆柱状棒材，再将所述棒材放置于高温炉中，加热至1200～1300℃保温10～20h，冷却后，即得到耐腐蚀层靶材。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3包括将基板放置于真空室的载物台上，将Cr/RE金属过渡层靶材、金属间化合物层靶材和耐腐蚀层靶材分别放置于同一真空室的不同坩埚内，将所述真空室抽真空至10-3Pa～10-2Pa，然后将真空室室内温度升至400-550℃，预热时间为10～60min。
6.根据权利要求1所述的一种耐高温耐腐蚀多层复合膜的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，电子束蒸发Cr/RE金属过渡靶材时，电子束流为1～3A，电子束电压为5～15KV，靶材上升速率为1.2～1.7mm/min，Cr/RE金属过渡层的沉积速率为0.028～0.035um/min；电子束蒸发金属间化合物层靶材时，电子束流为1～2.5A，电子束电压为2～30KV，靶材上升速率为1.0～1.2mm/min，金属间化合物层的沉积速率为0.015～0.03um/min；电子束蒸发耐腐蚀层靶材时，电子束流为1～5A，电子束电压为5～30KV，靶材上升速率为1.0～2.5mm/min，耐腐蚀层的沉积速率为0.015～0.028um/min。
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