CN112323013A - 一种在钛合金表面制备高膜-基结合力复合涂层的方法 - Google Patents

一种在钛合金表面制备高膜-基结合力复合涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种在钛合金表面制备高膜‑基结合力复合涂层的方法，属于表面强化技术领域。复合涂层由内至外依次包括钛合金基体、纳米化离子渗氮层、PVD硬质膜层。表面纳米化是通过高能喷丸使钛合金表面出现大量均匀的纳米级晶粒或者亚结构，离子渗氮是氩气离子轰击+低温稀土催渗渗氮+循环变温工艺+氮碳共渗。渗氮层的硬度介于基体和PVD涂层之间，能给PVD膜层提供有力的支撑并降低硬度梯度，显著提高基‑膜结合力。PVD硬质膜层为多硬质相膜层，包括AlCrN、CrBN及AlCrBN模层。PVD涂层可对渗氮层微空隙进行有效的填充。因此，相比于离子渗氮或PVD涂层，本发明在钛合金表面制备的高膜‑基结合力复合涂层具备高的膜‑基结合力、耐磨性及耐腐蚀性。

Description

一种在钛合金表面制备高膜-基结合力复合涂层的方法
技术领域
本发明属于金属表面涂层技术领域，具体涉及在钛合金表面制备高膜-基结合力复合涂层的方法。
背景技术
钛合金作为轻质金属结构材料，具有比强度高、生物安全性好、耐腐蚀性能好等优点，被广泛应用于生物科技、航天航空等领域。但钛合金硬度低，耐磨性差，在使用中易产生“钛火”故障，这些严重影响了钛合金的使用安全性。针对这些问题，渗氮技术被用于增强钛合金表面性能，但常规渗氮温度超过750℃，且渗氮时间达十多个小时。高温导致钛合金基体晶粒粗化、基体力学性能退化，且能耗高，变形大。此外，渗氮层结合力低，组织不均匀。后来有研究者将钛合金渗氮跟PVD硬质膜技术相结合力，虽然承载力、耐磨性和耐腐蚀性能均有显著提高，但膜-基结合力低的问题仍然突出，且高温渗氮问题依然严重。因此，渗氮-PVD复合技术在钛合金表面强化作用有限，使用寿命偏低。
表面纳米化+渗氮技术被广泛用于钢铁表面强化，在钛合金表面也有所研究。表面纳米化，获得高密度变形缺陷，例如位错、亚晶界和晶界，这些变形缺陷为渗氮过程中活性氮原子扩散提供快速扩散通道，从而降低渗氮温度。表面纳米化+离子渗氮复合技术处理的钛合金，其表面性能依然取决于渗氮温度。常规渗氮温度下，渗氮层薄，耐磨性能作用有限；渗氮温度高于750℃时，钛合金表面变形层发生再结晶，晶粒粗化，纳米化作用失效。因此，表面纳米化+渗氮技术在钛合金表面强化方面还有待深入研究。
发明内容
针对渗氮-PVD复合技术和表面纳米化-渗氮复合技术不足之处，即渗氮温度高、硬化层结合力差、耐磨性不够理想等，本发明提出表面纳米化技术，获得高密度的变形缺陷，提高活性氮原子的扩散能力。渗氮前采用氩气离子轰击，去除钛合金表面反应层，为氮原子的扩散扫清障碍。同时，渗氮过程中采用稀土催渗、循环变温低温离子渗氮工艺、氮碳共渗方法进一步提高渗氮效率，降低渗氮温度，改善渗层组织。然后，利用PVD涂层技术，在钛合金表面沉积一定厚度的PVD涂层。其中，渗氮层改善复合涂层界面应力分布和硬度分布，避免应力在涂层与基体界面处应力集中，提高涂层与基体的膜基结合力。同时，渗氮层中的氮化物，作为PVD涂层物相的异质形核质点，进一步提高膜-基结合力。此外，渗氮层给表面PVD涂层提供强有力支撑作用，提高PVD涂层承载能力。而且，PVD涂层本身硬度高、摩擦系数低、耐磨性优异。因此，本发明涉及复合涂层技术，渗氮温度低、效率高，渗层组织均匀且复合涂层兼具渗氮层与PVD涂层两种涂层特性，最终使其具有高的膜-基结合力，优异的力学、摩擦磨损和耐腐蚀性能，为钛合金工业应用提供良好技术支持。
本发明提供的一种在钛合金表面制备高膜-基结合力复合涂层的方法，包括以下步骤；
（1）将钛合金表面进行机械加工处理，并进行表面超声波清洗；
（2）对所述钛合金进行高能喷丸处理（可以称为表面纳米化处理），使得所述钛合金表面晶粒或亚晶粒细化，其尺寸为纳米级；
（3）将所述钛合金进行超声波清洗，并进行机械抛光处理；
（4）在离子渗氮炉中，将所述钛合金作为阴极，把铈块（固态纯稀土）放置在所述钛合金的正下方，在所述铈块周围均匀地放置若干金属圆棒，所述金属圆棒距离所述铈块的间隔为20~50mm；然后抽真空，开启电压及脉冲按钮，进行离子渗氮；
（5）将所述钛合金进行机械抛光处理，使得所述钛合金表面平均粗糙度小于0.1μm；
（6）将所述钛合金在无水乙醇中超声清洗；
（7）在氩辅助阴极真空电弧设备中，对所述钛合金进行辉光清洗，再将靶材溅射到所述钛合金表面，在所述钛合金表面形成PVD硬质膜层。
进一步地，步骤（4）所述金属圆棒的高度为200mm、直径为20mm。
进一步地，步骤（4）的离子渗氮采用循环变温工艺，渗氮高温保温温度为580~650℃，低温保温温度为500~550℃，高温保温时间是低温保温时间的3~4倍。
进一步地，步骤（4）的离子氮化电压从400V至800V逐渐提高，电流从80A至10A逐渐降低，占空比控制在50%~90%。
进一步地，步骤（4）所述离子渗氮炉中的气氛采用氨气+氩气+甲烷，气压控制在170Pa~300Pa之间；小于200℃只充入氩气进行氩气离子轰击，大于200℃时氨气和氩气同时充入，其比例在100:9:1~50:9:1之间变化。
进一步地，步骤（7）所述氩辅助阴极真空电弧设备内的气压为5.00*10^-4 Pa，将靶材加热到450℃，保温60min；再在-300V的偏压下，控制所述钛合金的转速为3.5rpm，用Ar离子对所述钛合金刻蚀5~60min；然后用Cr靶材沉积CrN缓冲层，用粉末冶金Al70Cr30、Cr85B15和Al55Cr35B10靶材沉积AlCrN、CrBN和AlCrBN涂层。
进一步地，步骤（7）中PVD分别制备AlCrN、CrBN以及AlCrBN涂层参数包括基材料偏压60V，氮气压力3Pa，目标电流160A，基材料温度450℃，沉积时间90min，制得PVD硬质膜层。
上述方法在钛合金表面制备出高膜-基结合力复合涂层，该涂层由内至外依次包括纳米化离子渗氮层、PVD硬质膜层。所述纳米化是通过高能喷丸使得钛合金表面晶粒纳米化或者在晶粒内部出现大量位错及纳米级亚晶粒。所述离子渗氮是氩气离子轰击钛合金表面+低温稀土催渗离子渗氮+氮碳共渗+循环变温工艺；所述PVD硬质膜层为多硬质相膜层，包括AlCrN、CrBN以及AlCrBN膜层。
优选地，所述纳米化离子渗氮层的有效厚度（经过抛光处理后的能有效起到承载和过渡作用，减少硬度梯度的渗氮层）为15~100μm。
优选地，所述PVD硬质膜层的厚度为3~8μm。
本发明同时采用钛合金表面纳米化、氩气离子轰击、稀土催渗、循环变温离子渗氮工艺等表面强化的手段，提高了离子渗氮效率、降低了离子渗氮温度、改善了渗层组织、减小了工件变形。钛合金表面纳米化可以形成高密度位错、空位等缺陷，这些缺陷容易吸引尺寸较小异质原子，降低内能，提高稳定性。利用这个原理，将表面纳米化的钛合金进行离子渗氮，可以加速氮原子的扩算，降低渗氮温度，提高渗氮效率，改善渗氮层组织。氩气离子轰击主要是去除钛合金表面反应层，为后续的氮原子的渗入扫清障碍。在渗氮过程中加入稀土（铈）可以有效起到催化渗氮作用。循环变温离子渗氮工艺可以有效延缓化合物层的形成，从而提高氮原子的扩算速率。因此，将表面纳米化-低温稀土催渗离子渗氮-PVD应用到钛合金表面处理上，显著增强钛合金表面性能，制备出了满足生产要求的高膜-基结合力的复合涂层。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：本发明在钛合金表面采用纳米化技术、稀土催渗渗氮、循环变温工艺，使得钛合金离子渗氮温度大幅度降低，有效的避免了工件变形，改善了渗氮层的结构，使得渗氮层能有效的匹配PVD膜层，降低硬度梯度，显著提高基-膜结合力；PVD膜层硬度高，致密，PVD涂层沉积在渗氮层表面，对渗氮层微观空隙进行有效的填充。因此相比于离子渗氮或PVD涂层，本发明离子渗氮-PVD复合涂层同时具备较高的涂层承载能力、基-膜结合力及耐磨、耐腐蚀性能。
附图说明
图1显示了实施案例1、2、3和4中钛合金表面纳米化后横截面组织及稀土催渗低温渗氮层组织。
图2显示了实施案例1中低温渗氮+PVD复合涂层膜-基结合力及表面纳米化+稀土催渗低温渗氮+PVD复合涂层膜-基结合力。
图3显示了实施案例1复合涂层横截面组织结构及PVD涂层TEM形貌。
图4是实施案例2、3和4PVD涂层XRD图谱。
图5是实施案例1、2、3、4中不同表面强化工艺的摩擦磨损性能对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动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。
本发明在钛合金表面制备一种高膜-基结合力复合涂层。该涂层由内至外依次包括金属基体、纳米化离子渗氮层、PVD硬质膜层；所述金属是钛合金，所述纳米化是通过高能喷丸使的钛合金表面晶粒纳米化或者在晶粒内部出现大量位错及纳米级亚晶粒。所述离子渗氮是氩气离子轰击钛合金表面+低温稀土催渗离子渗氮+氮碳共渗+循环变温工艺；所述PVD硬质膜层为多硬质相膜层，包括AlCrN、CrBN以及AlCrBN模层。优选有效离子渗氮层厚度（经过抛光处理后的能有效起到承载和过渡作用，减少硬度梯度的渗氮层）为约在15~100μm。优选PVD硬质膜层厚度为3~8μm。
本发明同时提供了上述离子渗氮+PVD复合涂层的制备方法，包括以下步骤；
（1）将钛合金表面进行机械加工处理，并进行表面超声波清洗；
（2）采用高能喷丸对经过步骤1表面处理后的钛合金进行表面纳米化，使得钛合金表面晶粒或亚晶粒细化，其尺寸为纳米级；
（3）准备约50-80个高度为200mm，直径为20mm圆柱金属棒，精车表面，并用超声波清洗；
（4）将步骤（2）纳米化处理钛合金材料进行超声波清洗，并进行机械抛光处理；
（5）将步骤（4）抛光处理的钛合金基体材料吊放阴极上，把固态纯稀土铈块放置在钛合金的正下方。然后在其周围均匀的放置步骤3中的金属圆棒，间隔距离约20~50mm；
（6）步骤（5）完成后，盖上炉体，抽真空，抽真空至一定程度，开启电压及脉冲按钮，进行离子渗氮；
（7）将步骤（6）处理后的钛合金工件进行机械抛光处理，平均粗糙度小于0.1μm；
（8）将步骤（7）抛光的样品在无水乙醇中超声清洗15~30分钟；
（9）将步骤（8）清洗后的样品放在氩辅助阴极真空电弧设备的160mm的靶材上；
（10）将步骤（9）涂层样品进行辉光清洗，然后打开金属靶材，制备PVD硬质膜层。
其中，步骤（6）的离子氮化制备气氛采用氨气+氩气+甲烷。气压控制在170Pa~300Pa之间。小于200℃只充入氩气进行氩气离子轰击，大于200℃时氨气和氩气同时充入，其比例在100:9:1~50:9:1之间变化。
步骤（6）的离子氮化电压从400V至800V逐渐提高，电流从80A至10A逐渐降低。占空比在50%~90%适当调节。
步骤（6）的离子渗氮温度及保温时间：离子渗氮采用循环变温工艺。渗氮高温保温温度为580~650℃，低温保温温度约550℃，高温保温时间约是低温保温时间的4倍左右。
将步骤（10）中试验箱加压至5.00*10^-4 Pa，靶材加热到450℃，保温60min；然后在-300V 的偏压下，工件转台速度3.5rpm，用 Ar 离子对 Ti6Al4V 板和硬质合金板刻蚀5-60 min。再用Cr靶沉积CrN缓冲层。用粉末冶金Al70Cr30、Cr85B15 和 Al55Cr35B10 靶材沉积 AlCrN、CrBN 和 AlCrBN 涂层。
步骤（10）中PVD分别制备AlCrN、CrBN以及AlCrBN涂层参数包括基材料偏压60V，氮气压力3Pa，目标电流160A，基材料温度450℃，沉积时间90min，制得PVD硬质膜层。
实施例1：
钛合金在渗氮之前首先进行加工处理和进行表面超声波清洗。鉴于钛合金在高温渗氮时容易出现变形和组织粗化，本实施例温度采用低温，气氛采用氨气+氩气+甲烷，渗氮方式属于氮碳共渗。离子氮化层制备气氛采用氨气+氩气+甲烷，当炉内温度处于80℃<温度<480℃的升温阶段时，气氛比例为10:9:1；保温阶段时，气氛比例采用90:9:1。保温采用循环变温离子渗氮工艺，高温渗氮温度620℃，保温时间120min；低温离子渗氮温度为550℃，保温时间40min。经过三次循环，总保温时间480min，炉内气压180Pa，保温电压700V，保温电流25A。离子渗氮完成后，对钛合金表面进行抛光，去除化合物层；然后再进行超声波清洗，去除油污。最后进行PVD处理，其工艺过程如下：将试验箱加压至5.00*10^-4 Pa，将步骤6中靶材加热到450℃，保温60min。在-300V的偏压下，工件转台速度3.5rpm，用Ar离子对Ti6Al4V板和硬质合金板刻蚀60min。用AlCr靶沉积AlCrN缓冲层。用AlCr靶和TiSi靶交替沉积AlCrTiSiN硬质涂层。沉积工艺参数：氮气压力，3Pa；基体偏压，-80V；靶材电流，160A；沉积时间，120min。PVD涂层厚度约4.0μm。
采用直径0.2mm金刚石划针划过实验样品，测试结果如图2（b）所示，膜-基结合力高达57N。图2（a）显示了常规低温渗氮+PVD复合涂层（对比样品）膜-基结合力进8N。
摩擦磨损实验发现，对比样品在磨损载荷5N条件，转速400r/min，对磨球Al2O3球等条件下，其磨损10min，涂层发生剥落；而本实施例的实验样品磨损深度仅1.5μm，PVD涂层依然存在，这说明重载下本发明复合涂层具有更加优异摩擦磨损性能。
实施例2：
钛合金在渗氮之前首先进行豪克能加工处理和进行表面超声波清洗。然后进行高能喷丸，使其表面晶粒或亚结构纳米化。鉴于钛合金在高温渗氮时容易出现变形和组织粗化，本实施例温度采用低温，气氛采用氨气+氩气+甲烷，渗氮方式属于氮碳共渗。离子氮化层制备气氛采用氨气+氩气+甲烷。当炉内温度处于80℃<温度<480℃的升温阶段时，气氛比例为10:9:1；保温阶段时，气氛比例采用70:9:1。保温采用循环变温离子渗氮工艺，高温渗氮温度650℃，保温时间120min；低温离子渗氮温度为500℃，保温时间40min。经过三次循环，总保温时间480min，炉内气压250Pa，保温电压690V，保温电流15A。离子渗氮完成后，对钛合金表面进行抛光，去除化合物层；然后再进行超声波清洗，去除油污。最后进行PVD处理，其工艺过程如下：将试验箱加压至5.00*10^-4 Pa，将步骤6中靶材加热到450℃，保温60min。在-300V的偏压下，工件转台速度3.5rpm，用Ar离子对Ti6Al4V板和硬质合金板刻蚀60min。用Cr靶沉积CrN缓冲层。用AlCr靶沉积AlCrN硬质涂层。沉积工艺参数：氮气压力，3Pa；基体偏压，-80V；靶材电流，160A；沉积时间，90min。PVD涂层厚度约3.2μm。
采用直径0.2mm金刚石划针划过实验样品，膜-基结合力高达57N。常规低温渗氮+PVD复合涂层（对比样品）膜-基结合力进7N。
摩擦磨损实验发现，对比样品在磨损载荷5N条件，转速400r/min，对磨球Al2O3球等条件下，其磨损10min，涂层发生剥落，而本实施例的实验样品磨损深度仅1.8μm，PVD涂层依然存在，这说明重载下本发明复合涂层具有更加优异摩擦磨损性能。
实施例3：
钛合金在渗氮之前首先进行豪克能加工处理和进行表面超声波清洗。然后进行高能喷丸，使其表面晶粒或亚结构纳米化。鉴于钛合金在高温渗氮时容易出现变形和组织粗化，本实施例温度采用低温，气氛采用氨气+氩气+甲烷，渗氮方式属于氮碳共渗。离子氮化层制备气氛采用氨气+氩气+甲烷。当炉内温度处于80℃<温度<480℃的升温阶段时，气氛比例为10:9:1；保温阶段时，气氛比例采用50:9:1交替进行。保温采用循环变温离子渗氮工艺，高温渗氮温度600℃，保温时间120min；低温离子渗氮温度为520℃，保温时间40min。经过四次循环，总保温时间640min，炉内气压250Pa，保温电压800V，保温电流30A。离子渗氮完成后，对钛合金表面进行抛光，去除化合物层；然后再进行超声波清洗，去除油污。最后进行PVD处理，其工艺过程如下：将试验箱加压至5.00*10^-4 Pa，将步骤6中靶材加热到450℃，保温60min。在-300V的偏压下，工件转台速度3.5rpm，用Ar离子对Ti6Al4V板和硬质合金板刻蚀60min。用AlCr靶沉积AlCrN缓冲层。用AlCrB靶沉积AlCrBN硬质涂层。沉积工艺参数：氮气压力，3Pa；基体偏压，-80V；靶材电流，160A；沉积时间，90min。涂层厚度约3.0μm。
采用直径0.2mm金刚石划针划过实验样品，膜-基结合力高达57N。常规低温渗氮+PVD复合涂层（对比样品）膜-基结合力仅10N。
摩擦磨损实验发现，对比样品在磨损载荷5N条件，转速400r/min，对磨球Al2O3球等条件下，其磨损10min，涂层发生剥落，而本实施例的实验样品磨损深度仅1.2μm，PVD涂层依然存在，这说明重载下本发明复合涂层具有更加优异摩擦磨损性能。
实施例4：
钛合金在渗氮之前首先进行豪克能加工处理和进行表面超声波清洗。然后进行高能喷丸，使其表面晶粒或亚结构纳米化。鉴于钛合金在高温渗氮时容易出现变形和组织粗化，本实验温度采用低温，气氛采用氨气+氩气+甲烷，渗氮方式属于氮碳共渗。离子氮化层制备气氛采用氨气+氩气+甲烷。当炉内温度处于80℃<温度<480℃的升温阶段时，气氛比例为10:9:1；保温阶段时，气氛比例采用100:9:1和50:9:1交替进行。保温采用循环变温离子渗氮工艺，高温渗氮温度620℃，保温时间120min；低温离子渗氮温度为550℃，保温时间40min。经过三次循环，总保温时间480min，炉内气压200-250Pa，保温电压600-800V，保温电流15-30A。离子渗氮完成后，对钛合金表面进行抛光，去除化合物层；然后再进行超声波清洗，去除油污。最后进行PVD处理，其工艺过程如下：将试验箱加压至5.00*10^-4 Pa，将步骤6中靶材加热到450℃，保温60min。在-300V的偏压下，工件转台速度3.5rpm，用Ar离子对Ti6Al4V板和硬质合金板刻蚀60min。用Cr靶沉积CrN缓冲层。用CrB靶沉积CrBN硬质涂层。沉积工艺参数：氮气压力，3Pa；基体偏压，-80V；靶材电流，160A；沉积时间，90min，涂层厚度约3.2μm。
采用直径0.2mm金刚石划针划过实验样品，膜-基结合力高达57N。常规低温渗氮+PVD复合涂层（对比样品）膜-基结合力进9N。
摩擦磨损实验发现，对比样品在磨损载荷5N条件，转速400r/min，对磨球Al2O3球等条件下，其磨损10min，涂层发生剥落，而本实施例的实验样品磨损深度仅2.0μm，PVD涂层依然存在，这说明重载下本发明复合涂层具有更加优异摩擦磨损性能。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种在钛合金表面制备高膜-基结合力复合涂层的方法，包括以下步骤；
（1）将钛合金表面进行机械加工处理，并进行表面超声波清洗；
（2）对所述钛合金进行高能喷丸处理，使得所述钛合金表面晶粒或亚晶粒细化，其尺寸为纳米级；
（3）将所述钛合金进行超声波清洗，并进行机械抛光处理；
（4）在离子渗氮炉中，将所述钛合金作为阴极，把铈块放置在所述钛合金的正下方，在所述铈块周围均匀地放置若干金属圆棒，所述金属圆棒距离所述铈块的间隔为20~50mm；然后抽真空，开启电压及脉冲按钮，进行离子渗氮；
（5）将所述钛合金进行机械抛光处理，使得所述钛合金表面平均粗糙度小于0.1μm；
（6）将所述钛合金在无水乙醇中超声清洗；
（7）在氩辅助阴极真空电弧设备中，对所述钛合金进行辉光清洗，再将靶材溅射到所述钛合金表面，在所述钛合金表面形成PVD硬质膜层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）所述金属圆棒的高度为200mm、直径为20mm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤（4）的离子渗氮采用循环变温工艺，渗氮高温保温温度为580~650℃，低温保温温度为500~550℃，高温保温时间是低温保温时间的3~4倍。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（4）的离子氮化电压从400V至800V逐渐提高，电流从80A至10A逐渐降低，占空比控制在50%~90%。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，步骤（4）所述离子渗氮炉中的气氛采用氨气+氩气+甲烷，气压控制在170Pa~300Pa之间；小于200℃只充入氩气进行氩气离子轰击，大于200℃时氨气和氩气同时充入，其比例在100:9:1~50:9:1之间变化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（7）所述氩辅助阴极真空电弧设备内的气压为5.00*10^-4 Pa，将靶材加热到450℃，保温60min；再在-300V的偏压下，控制所述钛合金的转速为3.5rpm，用Ar离子对所述钛合金刻蚀5~60min；然后用Cr靶材沉积CrN缓冲层，用粉末冶金Al70Cr30、Cr85B15和Al55Cr35B10靶材沉积AlCrN、CrBN和AlCrBN涂层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（7）中PVD分别制备AlCrN、CrBN以及AlCrBN涂层参数包括基材料偏压60V，氮气压力3Pa，目标电流160A，基材料温度450℃，沉积时间90min，制得PVD硬质膜层。
8.一种钛合金高膜-基结合力复合涂层结构，其特征在于，由内至外依次包括钛合金基材、纳米化离子渗氮层和PVD硬质膜层，其中PVD硬质膜层由内至外依次包括CrN缓冲层、AlCrN膜层、CrBN膜层和AlCrBN膜层。
9.根据权利要求8所述的钛合金高膜-基结合力复合涂层结构，其特征在于：所述纳米化离子渗氮层的有效厚度为15~100μm。
10.根据权利要求8或9所述的钛合金高膜-基结合力复合涂层结构，其特征在于，所述PVD硬质膜层的厚度为3~8μm。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114000118A (zh) * 2021-10-25 2022-02-01 哈尔滨工程大学 一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法
CN114381696A (zh) * 2021-11-30 2022-04-22 西安交通大学 一种微型多源金属超薄膜电极超高真空蒸镀装置及方法
CN114717507A (zh) * 2022-05-20 2022-07-08 西安理工大学 同步提高钛合金耐磨及抗疲劳性能的低温离子氮化方法
CN114875354A (zh) * 2022-05-05 2022-08-09 常州市方正型钢有限公司 一种高强度无缝异型钢及其加工工艺
CN115261774A (zh) * 2022-08-26 2022-11-01 集美大学 一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层及其制备方法
CN115319096A (zh) * 2022-08-15 2022-11-11 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种粉末冶金材料表面耐磨防护的复合处理方法及其用途
CN115852314A (zh) * 2022-11-29 2023-03-28 星弧涂层新材料科技（苏州）股份有限公司 阀用部件复合表面处理工艺及阀用部件
CN117344107A (zh) * 2023-09-14 2024-01-05 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种应用于苛刻工况的复合润滑涂层及其制备和使用方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060154108A1 (en) * 2003-12-05 2006-07-13 Haruyo Fukui Surface-coated cutting tool
CN101851736A (zh) * 2010-02-09 2010-10-06 刘伟 一种环保型富氮层快速渗氮方法
CN103952660A (zh) * 2014-05-16 2014-07-30 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 具有氮化物膜的复合材料及其制法和应用
CN106480399A (zh) * 2016-12-13 2017-03-08 南京工程学院 一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060154108A1 (en) * 2003-12-05 2006-07-13 Haruyo Fukui Surface-coated cutting tool
CN101851736A (zh) * 2010-02-09 2010-10-06 刘伟 一种环保型富氮层快速渗氮方法
CN103952660A (zh) * 2014-05-16 2014-07-30 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 具有氮化物膜的复合材料及其制法和应用
CN106480399A (zh) * 2016-12-13 2017-03-08 南京工程学院 一种在钛合金表面制备梯度纳米结构氮化层的方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIE JIN，ET AL: ""The influence of plasma nitriding on microstructure and properties of CrN and CrNiN coatings on Ti6Al4V by magnetron sputtering"", 《VACUUM》 *
周富佳: ""喷丸强化与稀土催渗等离子多元共渗工艺及性能研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》 *
钱苗根: "《现代表面技术》", 30 April 1999 *
黄拿灿: "《稀土表面改性及其应用》", 31 July 2007 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114000118B (zh) * 2021-10-25 2024-03-22 哈尔滨工程大学 一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法
CN114000118A (zh) * 2021-10-25 2022-02-01 哈尔滨工程大学 一种钛合金表面硬度梯度分布层厚可调的氮化层制备方法
CN114381696B (zh) * 2021-11-30 2022-10-25 西安交通大学 一种微型多源金属超薄膜电极超高真空蒸镀装置及方法
CN114381696A (zh) * 2021-11-30 2022-04-22 西安交通大学 一种微型多源金属超薄膜电极超高真空蒸镀装置及方法
CN114875354B (zh) * 2022-05-05 2023-09-05 常州市方正型钢有限公司 一种高强度无缝异型钢及其加工工艺
CN114875354A (zh) * 2022-05-05 2022-08-09 常州市方正型钢有限公司 一种高强度无缝异型钢及其加工工艺
CN114717507B (zh) * 2022-05-20 2024-01-19 西安理工大学 同步提高钛合金耐磨及抗疲劳性能的低温离子氮化方法
CN114717507A (zh) * 2022-05-20 2022-07-08 西安理工大学 同步提高钛合金耐磨及抗疲劳性能的低温离子氮化方法
CN115319096A (zh) * 2022-08-15 2022-11-11 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种粉末冶金材料表面耐磨防护的复合处理方法及其用途
CN115261774A (zh) * 2022-08-26 2022-11-01 集美大学 一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层及其制备方法
CN115261774B (zh) * 2022-08-26 2023-08-29 集美大学 一种铝合金易拉罐盖高速冲裁模刃口梯度渐变超硬复合膜层及其制备方法
CN115852314A (zh) * 2022-11-29 2023-03-28 星弧涂层新材料科技（苏州）股份有限公司 阀用部件复合表面处理工艺及阀用部件
CN117344107A (zh) * 2023-09-14 2024-01-05 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种应用于苛刻工况的复合润滑涂层及其制备和使用方法
CN117344107B (zh) * 2023-09-14 2024-09-10 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种应用于苛刻工况的复合润滑涂层及其制备和使用方法

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