CN113718195A - 一种耐高压抗磨蚀防护复合涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高压抗磨蚀防护复合涂层及其制备方法与应用。所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层包括依次形成于基体表面的Cr过渡层和NiCrxN层，且1.6≤x≤2.0；其中，所述NiCrxN层中的Ni原子以纳米晶的形式镶嵌在CrxN晶体的晶格结构中，所述CrxN晶体的晶格结构包括由CrN相和Cr2N相形成的混合相结构。本发明提供的耐高压抗磨蚀防护复合涂层在高水压、高载荷下的复杂苛刻环境下具有较好的润滑性、高耐磨性、高耐蚀性。

Description

一种耐高压抗磨蚀防护复合涂层及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于表面处理技术领域，具体涉及一种耐高压抗磨蚀防护复合涂层及其制备方法与应用。
背景技术
作为适应海洋开发而兴起的一门新型技术，以海水为工作流体的海水液压传动技术因其安全性高、压缩系数小、使用和维护成本低、绿色无污染等诸多优点，已逐步应用到海上救助与打捞、海洋资源调查、海洋油气开采等众多海洋工程领域。
作为海水液压传动系统的核心动力元件，高性能海水泵的开发与研制是推动海水液压传动技术发展的关键。同时，海水泵因存在柱塞-缸孔、滑靴-斜盘、配流盘-浮动盘等多种运动摩擦副，运行在高水压的深海环境中，加之高速、重载的运行工况，极易出现摩擦副因腐蚀、磨损等原因失效，严重影响其工作效能和使用寿命。通过对海水泵的失效模式和失效机理进行分析，发现材料的腐蚀和关键摩擦副处材料的摩擦磨损特性是影响海水泵可靠性的关键因素。
为解决海水泵相关部件面临的腐蚀、磨损失效问题，选用抗磨耐蚀新材料和对现有材料进行表面防护处理是两类主要方法。在选用抗磨耐蚀新材料方面，专利CN101519749A中公开了一种镍18～20wt％、铜8～10wt％、铬5～6wt％、钛4～5wt％、铁余量的铸铁材料，采用该材料铸造的海水泵叶轮置于含有细砂颗粒的海水渗透井内连续工作2000小时后，其表面锈蚀磨损量不到现有铸铁叶轮锈蚀磨损量的1/10，耐锈蚀和抗磨损性能明显增强。此外，专利CN101476078A提出了一种热塑性好、成品回收率高的大型海水泵轴的制造方法，所选用的00Cr25Ni7Mo3WCuN超级双相不锈钢具有优异的耐海水、卤素介质腐蚀的能力。
表面防护处理可在不改变零部件用材和成型加工性能的基础上赋予其优异的表面特性，是进一步提高零部件使役性能和寿命的有效技术手段。专利CN104847685A中提出为解决海水泵的腐蚀问题，对铁基合金叶轮涂覆氧化铬系陶瓷材料层，对铝合金泵体内外表面分别涂覆碳化硅和氧化硅系陶瓷材料层。此外，专利CN108251833A中提出了一种使用超高速率激光熔覆技术制备核电海水泵轴表面的方法，采用此方法可在核电海水泵轴表面快速精确地制备平整度好，厚度0.10～0.45mm、无缺陷的钴基耐腐蚀抗磨损涂层。上述表面涂层虽能显著提高海水泵零部件的防腐耐磨性能，但制备过程往往经历高温，易降低零部件力学性能，同时所制备涂层厚度较大且表面粗糙，对装配精度要求高、配合间隙小的零部件需预留加工量或进行后期打磨，大大增加了制造成本。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种耐高压抗磨蚀防护复合涂层及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种耐高压抗磨蚀防护复合涂层，其包括依次形成于基体表面的Cr过渡层和NiCrxN层，且1.6≤x≤2.0；其中，所述NiCrxN层中的Ni原子以纳米晶的形式镶嵌在CrxN晶体的晶格结构中，所述CrxN晶体的晶格结构包括由CrN相和Cr2N相形成的混合相结构。
本发明实施例还提供了前述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层的制备方法，其包括：
提供基体；
采用高功率磁控脉冲溅射技术在所述基体表面沉积形成Cr过渡层；
以及，采用高功率磁控脉冲溅射技术复合直流磁控溅射技术在所述Cr过渡层表面沉积形成NiCrxN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。
本发明实施例还提供了前述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层于深海高压高载荷环境下金属表面防护领域中的用途。
本发明实施例还提供了一种海水泵运动部件，所述海水泵运动部件的表面设置有前述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明中的耐高压抗磨蚀防护复合涂层包括Cr过渡层和NiCrxN层，NiCrxN层有利于提高膜基结合强度，CrxN晶体的结构中CrN和Cr2N两相混合的柱状晶生长互相干扰，故涂层的柱状结构不明显，结构更加致密；同时Ni、Cr元素在深海环境中能生成致密的钝化膜，有利于抑制贯穿型缺陷产生，延长腐蚀介质扩散路径，提高涂层的抗腐蚀性能；
(2)本发明中耐高压抗磨蚀防护复合涂层中的NiCrxN结构有利于提高涂层与金属基体的界面适配度和结合强度，赋予其优异的整体力学性能；
(3)本发明中耐高压抗磨蚀防护复合涂层中的NiCrxN层有利于提高涂层的机械强度，并赋予其长寿命的减摩润滑能力；所制备的多层涂层具有优异的力学性能，并在海水高水压环境下呈现高的腐蚀和磨蚀抗力，在海水泵运动部件的表面防护领域显示出巨大的应用潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施方案中耐高压抗磨蚀防护复合涂层的结构示意图；
图2是本发明实施例1制备的耐高压抗磨蚀防护复合涂层的截面SEM图；
图3是本发明实施例1制备的耐高压抗磨蚀防护复合涂层在3.5wt％NaCl中15MPa常压1200N高载荷下磨蚀测试1h的COF变化曲线图；
图4是本发明实施例1制备的耐高压抗磨蚀防护复合涂层在3.5wt％NaCl中15MPa常压1200N高载荷下磨蚀测试1h后的磨痕表面SEM照片；
图5是本发明对比例1制备的涂层在3.5wt％NaCl中15MPa高压1200N载荷下磨蚀测试1h后的磨痕表面SEM照片；
图6为本发明实施例2、对比例1及对比例2中涂层的磨损性能图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，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，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本发明实施例的一个方面提供的一种耐高压抗磨蚀防护复合涂层包括依次形成于基体表面的Cr过渡层和NiCrxN层，且1.6≤x≤2.0；其中，所述NiCrxN层中的Ni原子以纳米晶的形式镶嵌在CrxN晶体的晶格结构中，所述CrxN晶体的晶格结构包括由CrN相和Cr2N相形成的混合相结构。
具体的，本发明中的耐高压抗磨蚀防护复合涂层的结构示意图如图1所示。
本发明中的耐高压抗磨蚀防护复合涂层能够服役环境为：海底10MPa～50MPa的高水压，同时300N～1200N的高载荷环境中。
在一些较为具体的实施方案中，所述NiCrxN层中Ni的含量为11～20wt％。
在一些较为具体的实施方案中，所述Cr过渡层的厚度为150～250nm。
进一步的，所述NiCrxN层的厚度为2.8～5.6μm。
进一步的，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层的总厚度为3.3～6.1μm。
在一些较为具体的实施方案中，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层在压力为15MPa、3.5wt％NaCl溶液中的自腐蚀电流密度为4×10-10～5×10-10A·cm-2。
进一步的，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层的纳米硬度为16～22GPa，弹性模量为195～253GPa。
进一步的，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层在压力为15MPa、载荷为1200N、3.5wt％NaCl溶液中与密封环(如PEEK圆环)配副时，摩擦系数小于0.015。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层的制备方法，其包括：
提供基体；
采用高功率磁控脉冲溅射技术在所述基体表面沉积形成Cr过渡层；
以及，采用高功率磁控脉冲溅射技术复合直流磁控溅射技术(即：采用高功率磁控脉冲溅射技术和直流磁控溅射技术的双靶共溅射技术)在所述Cr过渡层表面沉积形成NiCrxN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法具体包括：将所述基体置于反应腔体中，以Cr靶为靶材，以惰性气体为工作气体，采用高功率脉冲磁控溅射技术，在所述基体表面沉积形成Cr过渡层，其中所述高功率脉冲磁控溅射技术采用的溅射源占空比为5％～15％，高功率磁控脉冲溅射源的功率为2000～3500W，基体脉冲偏压为-100～-200V，惰性气体流量为50～55sccm，沉积温度为150～250℃，沉积时间为5～6min。
进一步的，所述惰性气体包括氩气，且不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法具体包括：采用高功率磁控脉冲溅射技术和直流磁控溅射技术，以惰性气体和氮气为工作气体，在所述Cr过渡层表面沉积形成NiCrxN层，其中，NiCr靶采用直流磁控溅射源，Cr靶采用高功率磁控脉冲溅射源，所述高功率脉冲磁控溅射技术采用的溅射源占空比为5％～15％，高功率磁控脉冲溅射源的功率为2000～3500W，直流磁控溅射源的功率为1500～2500W，基体脉冲偏压为-100～-200V，惰性气体与氮气的流量比为3∶1～1∶1，沉积温度为150～250℃，沉积时间为180～200min。
进一步的，所述惰性气体包括氩气，且不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法还包括：先对基体的表面进行预处理。
进一步的，所述预处理包括：将基体置于反应腔体中，抽真空至3.0×10-5Torr以下，之后将反应腔体加热至100～150℃，打开线性离子源和脉冲偏压对基体进行偏压刻蚀清洗30～45min，其中线性离子源的电流为0.1～0.3A，脉冲偏压为-100～-250V。
在一些较为具体的实施方案中，所述基体包括金属基体，且不限于此。
进一步的，所述金属基体包括不锈钢基体，且不限于此。
更进一步的，所述不锈钢基体包括431不锈钢、17-4HP不锈钢或2507不锈钢，且不限于此。
在一些更为具体的实施方案中，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层的制备方法包括：
(1)将基体表面进行预处理：
将金属基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10-5Torr，之后使腔室加热100～150℃，打开线性离子源和脉冲偏压对基体进行偏压刻蚀清洗30～45min，其中线性离子源电流和脉冲偏压分别为0.27～0.36A和-200～-250V。
(2)采用高功率磁控脉冲溅射技术在金属基体表面沉积Cr过渡层；
作为优选，沉积Cr过渡层的条件包括：Cr靶，氩气流量50～55sccm，沉积时间5～6min，高功率磁控脉冲溅射源功率和脉冲偏压分别为2500w和-150～-200V。
(3)采用高功率磁控脉冲溅射技术和直流磁控溅射技术的双靶共溅射的方式在Cr过渡层上沉积NiCrxN层。
作为优选，沉积NiCrxN层的条件包括：Cr靶，NiCr靶，氩气流量和氮气流量比为1∶1，沉积时间180～200min，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，高功率磁控脉冲溅射源功率、直流磁控溅射源的电流和脉冲偏压分别为2500W、0.8～1.2A和-150～-200V。
本发明中的耐高压抗磨蚀防护复合涂层与不锈钢基体的结合强度为20～25N，在15MPa高压下的3.5wt％NaCl溶液中的自腐蚀电流密度低至4～5×10-10A·cm-2，较不锈钢基体降低一个数量级以上；复合涂层的纳米硬度为16～22GPa，弹性模量为195～253GPa；复合涂层在15MPa高压下3.5wt％NaCl溶液中1200N载荷下与PEEK圆环配副时摩擦系数＜0.015；在海水高水压环境下呈现高的腐蚀和磨蚀抗力，在海水泵运动部件的表面防护领域显示出巨大的应用潜力。
本发明制备的耐高压抗磨蚀防护复合涂层在海底10～50MPa高水压，同时在300～1200N高载荷下的复杂苛刻环境下具有高的润滑性、高耐磨性、高耐蚀性。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层于深海高压高载荷环境下金属表面防护领域中的用途。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种海水泵运动部件，所述海水泵运动部件的表面设置有前述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层。
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，本实施例在以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。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
本实施例中，基体材料为431不锈钢，涂层的结构如图1所示，其中涂层总厚度为3.1μm。
上述431表面的涂层制备步骤如下：
步骤1：将431不锈钢基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10-5Torr后打开加热器并设定加热温度为150℃，待温度到达后向真空腔室通入40sccm流量的高纯氩气，打开线性离子源和脉冲偏压，分别设定线性离子源电流和脉冲偏压为0.28A和-200V，对431不锈钢基体进行偏压刻蚀清洗30min；
步骤2：通入50sccm流量的高纯氩气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率和脉冲偏压为10％、2500W和-150V，采用高功率磁控溅射技术在不锈钢基体表面溅射5min，沉积温度为200℃，制备Cr过渡层；
步骤3：通入50sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源、直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率、直流磁控溅射源的功率和脉冲偏压为10％、2500W、2000W和-150V，采用高功率磁控溅射源和直流磁控溅射技术在Cr层上溅射180min，沉积温度为200℃，制备NiCrxN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。
本实施例制备的耐高压抗磨蚀防护复合涂层截面SEM照片如图2所示，所制备的复合涂层呈NiCrxN层和Cr层结构，涂层致密完整无明显缺陷，且与不锈钢基体结合紧密，涂层总厚度为3.23μm，所制备涂层的纳米硬度为18GPa，弹性模量为224GPa；在3.5wt％NaCl溶液中为期16天的15MPa高压浸泡测试表明，所制备涂层的阻抗模值在浸泡后随时间的推移愈来愈高，维持在1.4×106Ω·cm2，高于431不锈钢基体一个数量级以上，显示出对431不锈钢优异的长期高压下的腐蚀防护能力。图3为复合涂层的COF变化曲线，在3.5wt％NaCl溶液中15MPa的水压下和1200N载荷下与Φ16mm外径为Φ30mm的PEEK圆环进行的旋转摩擦磨损测试时(转速1000r/min)，所制备涂层在时长1h(滑行距离1.9km)的测试过程中始终保持摩擦系数＜0.015，涂层表面仅有轻微的磨损损伤(如图4所示)，显示出对431不锈钢在深海高压高载荷的环境中的长寿命磨蚀防护性能。
实施例2
本实施例中，基体材料为17-4HP不锈钢，涂层包括Cr过渡层和NiCrxN层，涂层总厚度为4.3μm。
上述17-4HP表面的涂层制备步骤如下：
步骤1：将17-4Hp不锈钢基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10-5Torr后打开加热器并设定加热温度为150℃，待温度到达后向真空腔室通入40sccm流量的高纯氩气，打开线性离子源和脉冲偏压，分别设定线性离子源电流和脉冲偏压为0.28A和-200V，对17-4Hp不锈钢基体进行偏压刻蚀清洗30min；
步骤2：通入50sccm流量的高纯氩气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率和脉冲偏压为10％、2500W和-150V，采用高功率磁控溅射技术在不锈钢基体表面溅射6min，沉积温度为200℃，制备Cr过渡层；
步骤3：通入40sccm流量的高纯氩气和40sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源、直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率、直流磁控溅射源的功率和脉冲偏压为10％、2500W、2000W和-150V，采用高功率磁控溅射源和直流磁控溅射技术在Cr层上溅射180min，沉积温度为200℃，制备NiCrxN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。
本实施例制备的耐高压抗磨蚀防护复合涂层的纳米硬度为19GPa，弹性模量为230GPa；在3.5wt％NaCl中的电化学阻抗谱和动电位极化曲线测试结果表明，所制备涂层的极化电阻和自腐蚀电流密度分别为6.8×106Ω·cm2和2.8×10-10A·cm-2，明显提高了17-4Hp基体的电化学腐蚀抗力。在3.5wt％NaCl溶液中30MPa水压下和1200N载荷下与Φ16mm外径为Φ30mm的PEEK圆环进行的旋转摩擦磨损测试时(转速1000r/min)，所制备涂层在时长1h(滑行距离1.9km)的测试过程中最终稳定到摩擦系数＜0.02，涂层表面仅出现浅显的磨损痕迹，显示出对17-4HP在海水环境中优异的磨蚀防护性能；磨损性能如图6所示。
对比例1
本实施例为实施例2的对比实施例。
本实施例中，基体为17-4HP不锈钢。涂层为Cr过渡层和CrxN层，涂层总厚度为3.8μm。
上述17-4HP不锈钢表面的涂层制备步骤如下：
步骤1：同实施例2中的步骤1；
步骤2：同实施例2中的步骤2；
步骤3：通入40sccm流量的高纯氩气和40sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源和脉冲偏压为10％、2500W、-150V，采用高功率磁控溅射源技术在Cr层上溅射180min制备CrxN层，从而获得复合涂层。
纳米压痕测试结果表明，所制备涂层的纳米硬度为14GPa，弹性模量165.5GPa，弹性模量明显低于实施例1中制备的NiCrxN层；在3.5wt％NaCl溶液中15MPa高压下1200N载荷下时长1h的磨蚀测试中，所制备涂层COF＜0.08，但涂层的韧性表现不佳，表面已出现明显碎裂剥落，如图5所示。
对比例2
本实施例为实施例2的对比实施例。
本实施例中，基体为17-4HP不锈钢。涂层为Cr过渡层和NiCrN层，涂层总厚度为3.8μm。
上述17-4HP不锈钢表面的涂层制备步骤如下：
步骤1：同实施例2中的步骤1；
步骤2：同实施例2中的步骤2；
步骤3：通入40sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，分别设定直流磁控溅射源的功率、直流磁控溅射源的电流和脉冲偏压为2000W、1A和-150V，采用直流磁控溅射技术在Cr层上溅射180min，制备NiCrN层，从而获得复合涂层；磨损性能如图6所示。
对比例3
本实施例为实施例2的对比实施例。
本实施例中，基体为17-4HP不锈钢。涂层为Cr过渡层和CrN层，涂层总厚度为3.8μm。
上述17-4HP不锈钢表面的涂层制备步骤如下：
步骤1：同实施例2中的步骤1；
步骤2：同实施例2中的步骤2；
步骤3：通入50sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开直流磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定直流磁控溅射源的功率、直流磁控溅射源的电流和脉冲偏压为2000W、1A和-150V，采用直流磁控溅射技术在Cr层上溅射180min，制备CrN层，从而获得复合涂层；磨损性能如图6所示。
摩擦磨损后的测试结果表明：实施例2中的NiCrxN涂层的磨损率最低，达到了3.04×10-10m3/Nm，而对比例2中的NiCrN和对比例3中的CrN涂层的磨损率分别为6.30×10-10m3/Nm和16.66×10-10m3/Nm，如图6所示。
实施例3
本实施例中，基体材料为431不锈钢，涂层包括Cr过渡层和NiCrxN层。
上述431不锈钢表面的涂层制备步骤如下：
步骤1：将431不锈钢基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10-5Torr后打开加热器并设定加热温度为100℃，待温度到达后向真空腔室通入40sccm流量的高纯氩气，打开线性离子源和脉冲偏压，分别设定线性离子源电流和脉冲偏压为0.1A和-100V，对431不锈钢基体进行偏压刻蚀清洗45min；
步骤2：通入50sccm流量的高纯氩气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率和脉冲偏压为5％、2000W和-100V，采用高功率磁控溅射技术在不锈钢基体表面溅射6min，沉积温度为150℃，制备Cr过渡层；
步骤3：通入50sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源、直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率、直流磁控溅射源的功率脉冲偏压为5％、2000W、1500W和-100V，采用高功率磁控溅射源和直流磁控溅射技术在Cr层上溅射200min，沉积温度为150℃，制备NiCrxN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。
实施例4
本实施例中，基体材料为17-4HP不锈钢，涂层包括Cr过渡层和NiCrxN层。
上述17-4HP不锈钢表面的涂层制备步骤如下：
步骤1：将17-4HP不锈钢基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10-5Torr后打开加热器并设定加热温度为120℃，待温度到达后向真空腔室通入40sccm流量的高纯氩气，打开线性离子源和脉冲偏压，分别设定线性离子源电流和脉冲偏压为0.2A和-200V，对431不锈钢基体进行偏压刻蚀清洗40min；
步骤2：通入53sccm流量的高纯氩气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率和脉冲偏压为10％、2500W和-150V，采用高功率磁控溅射技术在不锈钢基体表面溅射5.5min，沉积温度为200℃，制备Cr过渡层；
步骤3：通入50sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源、直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率、直流磁控溅射源的功率脉冲偏压为10％、2500W、2000W和-150V，采用高功率磁控溅射源和直流磁控溅射技术在Cr层上溅射190min，沉积温度为200℃，制备NiCrxN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。
实施例5
本实施例中，基体材料为2507不锈钢，涂层包括Cr过渡层和NiCrxN层。
上述2507不锈钢表面的涂层制备步骤如下：
步骤1：将2507不锈钢基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10-5Torr后打开加热器并设定加热温度为150℃，待温度到达后向真空腔室通入40sccm流量的高纯氩气，打开线性离子源和脉冲偏压，分别设定线性离子源电流和脉冲偏压为0.3A和-250V，对431不锈钢基体进行偏压刻蚀清洗30min；
步骤2：通入55sccm流量的高纯氩气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率和脉冲偏压为15％、3500W和-200V，采用高功率磁控溅射技术在不锈钢基体表面溅射5min，沉积温度为250℃，制备Cr过渡层；
步骤3：通入50sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源、直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率、直流磁控溅射源的功率脉冲偏压为15％、3500W、2500W和-200V，采用高功率磁控溅射源和直流磁控溅射技术在Cr层上溅射180min，沉积温度为250℃，制备NiCrxN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐高压抗磨蚀防护复合涂层，其特征在于包括依次形成于基体表面的Cr过渡层和NiCrxN层，且1.6≤x≤2.0；其中，所述NiCrxN层中的Ni原子以纳米晶的形式镶嵌在CrxN晶体的晶格结构中，所述CrxN晶体的晶格结构包括由CrN相和Cr2N相形成的混合相结构。
2.根据权利要求1所述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层，其特征在于：所述NiCrxN层中Ni的含量为11～20wt％；
和/或，所述Cr过渡层的厚度为150～250nm；和/或，所述NiCrxN层的厚度为2.8～5.6μm；和/或，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层的总厚度为3.3～6.1μm。
3.根据权利要求1所述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层，其特征在于：所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层在压力为15MPa、3.5wt％NaCl溶液中的自腐蚀电流密度为4×10-10～5×10- 10A·cm-2；
和/或，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层的纳米硬度为16～22GPa，弹性模量为195～253GPa；
和/或，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层在压力为15MPa、载荷为1200N、3.5wt％NaCl溶液中与密封环配副时，摩擦系数小于0.015。
4.如权利要求1-3中任一项所述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层的制备方法，其特征在于包括：
提供基体；
采用高功率磁控脉冲溅射技术在所述基体表面沉积形成Cr过渡层；
以及，采用高功率磁控脉冲溅射技术复合直流磁控溅射技术在所述Cr过渡层表面沉积形成NiCrxN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于具体包括：将所述基体置于反应腔体中，以Cr靶为靶材，以惰性气体为工作气体，采用高功率脉冲磁控溅射技术，在所述基体表面沉积形成Cr过渡层，其中所述高功率脉冲磁控溅射技术采用的溅射源占空比为5％～15％，平均功率为2000～3500W，基体脉冲偏压为-100～-200V，惰性气体流量为50～55sccm，沉积温度为150～250℃，沉积时间为5～6min；优选的，所述惰性气体包括氩气。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于具体包括：采用高功率磁控脉冲溅射技术复合直流磁控溅射技术，以惰性气体和氮气为工作气体，在所述Cr过渡层表面沉积形成NiCrxN层，其中，NiCr靶采用直流磁控溅射源，Cr靶采用高功率磁控脉冲溅射源，所述高功率脉冲磁控溅射技术采用的溅射源占空比为5％～15％，高功率磁控脉冲溅射源的功率为2000～3500W，直流磁控溅射源的功率为1500～2500W，基体脉冲偏压为-100～-200V，惰性气体与氮气的流量比为3∶1～1∶1，沉积温度为150～250℃，沉积时间为180～200min；优选的，所述惰性气体包括氩气。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于还包括：先对基体的表面进行预处理；优选的，所述预处理包括：将基体置于反应腔体中，抽真空至3.0×10-5Torr以下，之后将反应腔体加热至100～150℃，打开线性离子源和脉冲偏压对基体进行偏压刻蚀清洗30～45min，其中线性离子源的电流为0.1～0.3A，脉冲偏压为-100～-250V。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述基体包括金属基体；优选的，所述金属基体包括不锈钢基体；尤其优选的，所述不锈钢基体包括431不锈钢、17-4HP不锈钢或2507不锈钢。
9.权利要求1-3中任一项所述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层于深海高压高载荷环境下金属表面防护领域中的用途。
10.一种海水泵运动部件，其特征在于，所述海水泵运动部件的表面设置有权利要求1-3中任一项所述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114657510A (zh) * 2022-03-28 2022-06-24 中国科学院兰州化学物理研究所 一种用于锆管表面的防护涂层及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103029366A (zh) * 2012-12-06 2013-04-10 浙江工业大学 一种含有NiCrN三元涂层的制品及制备方法
CN108118304A (zh) * 2017-12-22 2018-06-05 富耐克超硬材料股份有限公司 纳米复合涂层及其制备工艺
CN110257771A (zh) * 2019-06-28 2019-09-20 广州大学 一种高Al含量的c-CrAlSiN硬质涂层及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103029366A (zh) * 2012-12-06 2013-04-10 浙江工业大学 一种含有NiCrN三元涂层的制品及制备方法
CN108118304A (zh) * 2017-12-22 2018-06-05 富耐克超硬材料股份有限公司 纳米复合涂层及其制备工艺
CN110257771A (zh) * 2019-06-28 2019-09-20 广州大学 一种高Al含量的c-CrAlSiN硬质涂层及其制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PUI CHING WO等: "Enhancing toughness of CrN coatings by Ni addition for safety-critical applications", 《MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING A》, no. 596, pages 264 - 274, XP028818423, DOI: 10.1016/j.msea.2013.12.064 *
RUMANA AKHTER等: "Harmonizing mechanical responses of nanostructured CrN coating via Ni additions", APPLIED SURFACE SCIENCE, no. 538, pages 147987 *
巫业栋等: "Ni含量对NiCrN涂层腐蚀磨损机理的影响", 《中国表面工程》, vol. 32, no. 6, pages 63 - 72 *
李春伟等: "复合高功率脉冲磁控溅射技术的研究进展", 《表面技术》, vol. 45, no. 6, pages 82 - 88 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114657510A (zh) * 2022-03-28 2022-06-24 中国科学院兰州化学物理研究所 一种用于锆管表面的防护涂层及其制备方法
CN114657510B (zh) * 2022-03-28 2022-12-20 中国科学院兰州化学物理研究所 一种用于锆管表面的防护涂层及其制备方法

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