CN115505881A - 离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用，所述金属涂层为沉积在金属基体上的单一涂层或复合涂层，所述离子束辅助沉积是在涂层沉积过程中进行离子束轰击。本发明方案属于离子束辅助沉积新应用的基础研究，能够使得金属基体与涂层、涂层与涂层之间的元素界面扩散在一定程度上被较好地抑制，为离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用提供了更多地可能。

Description

离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用
技术领域
本发明涉及海洋装备表面工程技术领域，具体涉及离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散（互相扩散）中的应用。
背景技术
离子束辅助沉积是一种薄膜沉积的方法，通常是指在高真空蒸发室中利用离子源所产生的离子束轰击正在进行薄膜沉积的衬底材料，以此制备得到具有某些特性的薄膜。
目前，离子束辅助沉积在金属表面处理有较多的应用，例如：文献CN108505008A公开了应用于压铸料筒工作带表面的纳米复合涂层，是采用离子束辅助沉积方法制备在料筒基体上；文献CN107937875A公开了烧结钕铁硼磁体表面防护涂层的制备方法，采用真空蒸发离子束辅助沉积技术在打底层表面制备一层类金刚石薄膜。
然而，目前对离子束辅助沉积技术的研究及应用大都停留在提高薄膜/涂层致密度和提高涂层耐腐蚀性能这几方面，导致其应用很难进一步跨越。此外，在高温涂层应用领域，如MCtAlY涂层获得了广泛研究与应用，但其在高温（温度大于600℃）条件下仍然存在涂层防护功能的减退甚至失效的风险。
发明内容
基于离子束辅助沉积技术在现有应用方面的局限以及发明人的长期探索，本发明目的在于提供离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下所述技术方案。
离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用，其特征在于：所述金属涂层为沉积在金属基体上的单一涂层或复合涂层，所述离子束辅助沉积是在涂层沉积过程中进行离子束轰击。本发明方案属于离子束辅助沉积新应用的基础研究，能够使得金属基体与涂层、涂层与涂层之间的元素界面互扩散被较好地抑制，为离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用提供了更多地可能。
作为本发明的优选应用方案，所述金属涂层是指应用于海洋环境中的涂层。
作为本发明的优选应用方案，所述离子束辅助沉积采用电弧增强辉光放电技术来实现，其工艺参数的电弧靶弧流为80-200A。
作为本发明的更优选应用方案，所述离子束辅助沉积的离子束轰击与低温退火工艺协同进行。
作为本发明的更优选应用方案，所述元素界面互扩散为粘接层中的元素Cr和/或元素Co在粘接层与涂层面层之间的互扩散。
作为本发明的更优选应用方案，所述复合涂层为沉积在钛合金基体上的MCrAlY+AlSiY复合涂层。
作为本发明的更优选应用方案，所述复合涂层为沉积在不锈钢基体上的Cr/AiSi复合涂层。
作为本发明的更优选应用方案，所述复合涂层为沉积在高温合金基体上的NiCoCRAlY/AlSiY复合涂层。
有益效果：本发明属于离子束辅助沉积新应用的基础研究，能够使得金属基体与涂层、涂层与涂层之间的元素界面互扩散被较好地抑制，为离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用提供了更多地可能；将本发明方案应用于钛合金基体上的MCrAlY+AlSiY复合涂层，经650℃、1000h热盐环境试验后，至少能够抑制MCrAlY粘接层中厚度为24.3μm的Cr元素层间扩散，同时对抑制Co元素层间扩散也具有较好的效果。
附图说明
图1是实施例1中钛合金基体上MCrAlY+AlSiY复合涂层经650℃、1000h热盐环境试验后的断面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1
离子束辅助沉积在抑制钛合金MCrAlY/AlSiY复合涂层元素界面互扩散中的应用。基材采用钛合金（牌号为Ti6Al4V），试样尺寸为20mm×10mm×10mm。在基材上采用电弧离子镀（AIP）沉积MCrAlY/AlSiY复合涂层，MCrAlY靶材成分为（质量百分比）：Co：26，Cr：22，Al：12，Y：0.5，Ni：余量；AlSiY靶成分（质量百分比）为Al：88.5，Si：11，Y：0.9。
制备该涂层的步骤：
SS1，沉积前对基材依序进行喷砂处理、超声清洗和烘干；
SS2，采用国产电弧离子镀设备沉积MCrAlY/AlSiY复合涂层，真空室内真空度达到4.3×10-3Pa时，向真空室通入氩气，气压控制在0.5Pa，基体加脉冲负偏压在-160V，脉冲占空比为65%，通过电弧增强气体辉光放电，对基材表面进行辉光放电离子清洗30分钟；
SS3，调整Ar气流量，将真空室内气压控制在1.5Pa，基材加脉冲负偏压在-150V，脉冲占空比为45%，同时开启MCrAlY靶弧源，MCrAlY靶弧流为105A，沉积温度为205℃，沉积时间为200min，制得的MCrAlY层厚度为31微米；
再次调整氩气流量，气压控制在1.4Pa，基材加脉冲负偏压在-110V，脉冲占空比为48%，同时开启AlSiY靶弧源，AlSiY靶弧流为75A；同时开启电弧增强气体辉光放电系统，进行Ar离子辅助沉积，电弧靶弧流为110A，沉积温度为330℃，沉积时间为105min，制得的AlSiY层厚度为33微米；
SS4，停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，打开真空室，取出工件；
SS5，对工件进行真空退火，退火温度为650℃，退火时间为3.5小时。
本实施例中，所得防护涂层与钛合金叶片基材的结合强度高，防护涂层表面及其内部无大颗粒尺寸及数量、无微孔，涂层致密性非常优异，涂层防护性能优异，尤其适用于湿热盐雾环境（如海洋服役环境）下的高温防护，而且能有效延长涂层的使用寿命。
对比实施例1
参照实施例1，其与实施例1的区别在于，本实施例中步骤SS3具体为：调整Ar气流量，将真空室内气压控制在1.3Pa，基材加脉冲负偏压在-120V，脉冲占空比为50%，同时开启MCrAlY靶弧源，MCrAlY靶弧流为105A，沉积温度为220℃，沉积时间为240min，制得的MCrAlY层厚度为31微米；再次调整氩气流量，气压控制在1.1Pa，基材加脉冲负偏压在-170V，脉冲占空比为48%，同时开启AlSiY靶弧源，AlSiY靶弧流为85A，制得AlSiY层厚度为33微米。
对实施例1和对比实施例1中的MCrAlY/AlSiY复合涂层开展650℃、1000h的热盐腐蚀试验后观察涂层断面腐蚀形貌，结果见图1：图1(a)(b)无离子束辅助沉积涂层（对比实施例1）表面形成较厚氧化层，同时粘结层发生严重元素扩散，粘结层厚度显著降低；离子束辅助沉积涂层（实施例1）结果见图1(c)(d)，AlSiY面层表面氧化物层较薄，粘结层元素扩散程度明显低于无离子束辅助沉积涂层；涂层经650℃、1000h的热盐腐蚀试验后，实施例1中MCrAlY粘接层中Cr元素密实分布的厚度约24.3μm，而对比实施例1中MCrAlY粘接层大部分已扩散，其Cr元素密实分布的厚度仅约9.1μm，可见，实施例1中方案至少能够抑制MCrAlY粘接层中厚度为24.3μm的Cr元素层间扩散，同时对抑制Co元素层间扩散也具有较好的效果（实施例1中MCrAlY粘接层中Co元素密实分布区域厚度较大，分层现象明显，对比实施例1中MCrAlY粘接层中Co元素无分层现象，表明Co元素已严重扩散）。
实施例2
离子束辅助沉积在抑制钛合金MCrAlY/AlSiY复合涂层元素界面互扩散中的应用。基材成分、工艺参数参照实施例，其与实施例1的区别在于工艺参数不同，具体如下：
SS 1，沉积前对基材进行喷砂处理，然后进行超声清洗烘干后备用；
SS2，采用国产电弧离子镀设备沉积MCrAlY/AlSiY复合涂层，真空室内真空度达到5.8×10-3Pa时，向真空室通入氩气，气压控制在1.3Pa，基体加脉冲负偏压在-180V，脉冲占空比为75%，通过电弧增强气体辉光放电，对基材表面进行辉光放电离子清洗60分钟；
SS3，调整Ar气流量，将真空室内气压控制在1.5Pa，基材加脉冲负偏压在-140V，脉冲占空比为60%，同时开启MCrAlY靶弧源，MCrAlY靶弧流为95A，沉积温度为250℃，沉积时间为240min，制得的MCrAlY层厚度为31微米；
再次调整氩气流量，气压控制在1.1Pa，基材加脉冲负偏压在-150V，脉冲占空比为55%，同时开启AlSiY靶弧源，AlSiY靶弧流为85A；同时开启电弧增强气体辉光放电系统，进行Ar离子辅助沉积，电弧靶弧流为100A，沉积温度为320℃，沉积时间为100min，制得的AlSiY层厚度为33微米；
SS4，停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，打开真空室，取出工件。
对实施例2中MCrAlY/AlSiY复合涂层开展650℃、1000h的热盐腐蚀试验后观察涂层断面腐蚀形貌，结果显示MCrAlY粘接层中Cr元素、Co元素均密实分布且分层明显，表明能够抑制MCrAlY粘接层中厚Cr元素层间扩散，同时对抑制Co元素层间扩散也具有较好的效果。
实施例3
离子束辅助沉积在抑制钛合金MCrAlY/AlSiY复合涂层元素界面互扩散中的应用。基材成分、工艺参数参照实施例，其与实施例1的区别在于：采用增强气体辉光放电系统进行进行离子束轰击过程中的电弧靶弧流为150A。
实施例4
离子束辅助沉积在抑制钛合金MCrAlY/AlSiY复合涂层元素界面互扩散中的应用。基材成分、工艺参数参照实施例，其与实施例1的区别在于：采用增强气体辉光放电系统进行进行离子束轰击过程中的电弧靶弧流为180A。
实施例5
离子束辅助沉积在抑制钛合金MCrAlY/AlSiY复合涂层元素界面互扩散中的应用。基材成分、工艺参数参照实施例，其与实施例1的区别在于：
基材采用TA17钛合金（牌号为Ti-4Al-2V），在基材上采用电弧离子镀（AIP）沉积MCrAlY/AlSiY复合涂层，MCrAlY靶材成分（质量百分比）为：Ni：26，Cr：18，Al：11，Y：0.5，Co余量，AlSiY靶成分（质量百分比）为Al：60，Si：39.5，Y：0.5。
本实施例中钛合金MCrAlY/AlSiY复合涂层具体制备方法：
步骤1，沉积前对基材进行喷砂处理，然后进行超声清洗烘干后备用；
步骤2，采用国产电弧离子镀设备沉积MCrAlY/AlSiY复合涂层，真空室内真空度达到5.8×10-3Pa时，向真空室通入氩气，气压控制在1.1Pa，基体加脉冲负偏压在-125V，脉冲占空比为65%，通过电弧增强气体辉光放电，对基材表面进行辉光放电离子清洗85分钟；
步骤3，调整Ar气流量，将真空室内气压控制在1.9Pa，基材加脉冲负偏压在-180V，脉冲占空比为42%，同时开启MCrAlY靶弧源，MCrAlY靶弧流为120A，沉积温度为230℃，沉积时间为260min，制得的MCrAlY层厚度为30微米；
再次调整氩气流量，气压控制在1.14Pa，基材加脉冲负偏压在-140V，脉冲占空比为63%，同时开启AlSiY靶弧源，AlSiY靶弧流为88A，同时开启电弧增强气体辉光放电系统，进行Ar离子辅助沉积，电弧靶弧流为200A，沉积温度为360℃，沉积时间为110min，制得的AlSiY层厚度为27微米；
步骤4，停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，打开真空室，取出工件；
步骤5-6，步骤4结束后，对工件进行真空退火，退火温度为710℃，退火时间为4小时；真空退火结束后进行预氧化处理，预氧化温度为620℃，时间为6小时。
实施例6
离子束辅助沉积在抑制不锈钢Cr/AiSi复合涂层元素界面扩散中的应用。制备Cr/AiSi复合涂层时，在沉积AiSi过程中开启电弧增强气体辉光放电系统，进行Ar离子辅助沉积，电弧靶弧流为80-200A。
实施例7
离子束辅助沉积在抑制高温合金NiCoCRAlY/AlSiY复合涂层元素界面扩散中的应用。制备NiCoCRAlY/AlSiY复合涂层复合涂层时，在沉积AlSiY过程中开启电弧增强气体辉光放电系统，进行Ar离子辅助沉积，电弧靶弧流为80-200A。

Claims (8)

1.离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用，其特征在于：所述金属涂层为沉积在金属基体上的单一涂层或复合涂层，所述离子束辅助沉积是在涂层沉积过程中进行离子束轰击。
2.根据权利要求1所述的离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用，其特征在于：所述金属涂层是指应用于海洋环境中的涂层。
3.根据权利要求2所述的离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用，其特征在于：所述离子束辅助沉积采用电弧增强辉光放电工艺，其电弧靶弧流为80-200A。
4.根据权利要求3所述的离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用，其特征在于：所述离子束辅助沉积的离子束轰击与低温退火工艺协同进行。
5.根据权利要求1-4任一项所述的离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用，其特征在于：所述元素界面互扩散为粘接层中的元素Cr和/或元素Co在粘接层与涂层面层之间的互扩散。
6.根据权利要求1-5任一项所述的离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用，其特征在于：所述复合涂层为沉积在钛合金基体上的MCrAlY+AlSiY复合涂层。
7.根据权利要求1-5任一项所述的离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用，其特征在于：所述复合涂层为沉积在不锈钢基体上的Cr/AiSi复合涂层。
8.根据权利要求1-5任一项所述的离子束辅助沉积在抑制金属涂层元素界面互扩散中的应用，其特征在于：所述复合涂层为沉积在高温合金基体上的NiCoCRAlY/AlSiY复合涂层。
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