CN116121707B - 一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层及其制备方法，属于钛合金表面涂层技术领域。TiCrAlSiX系涂层中的X为Ni、Zr或Y，并且TiCrAlSiX系涂层的原子百分比组成为：Ti 15‑20％，Cr 15‑25％，Al 15‑25％，Si 15‑20％，X 20‑25％，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于10％。通过双靶共溅射或三靶共溅射制备涂层的工艺，制备得到符合组分窗口范围的TiCrAlSiX系涂层，可提高钛合金在高温长时间服役下的抗高温氧化及耐磨性能。

Description

一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金表面涂层技术领域，具体而言，涉及一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层及其制备方法。
背景技术
钛合金具有强度高、耐蚀性好、低温性能好、热强度高等特点，是航空航天领域轻量化和耐高温材料的首选，目前飞机用钛量已接近40％。然而，面向航空航天领域对高达600℃工作温度的服役需求，钛合金仍然面临高温抗氧化性不稳定和耐磨性较差的问题。在超过600℃的高温下，钛合金会过度氧化，且随着温度的升高，氧活性增大并向基体扩散，氧化膜逐渐疏松脆弱，丧失其保护作用。并且，钛合金还存在硬度较低、耐磨性不足等缺点。为了解决上述问题，目前主要通过渗碳、渗氮、渗硼及氮氧共渗和制备复合涂层等来改善钛合金耐磨性能。对于高温抗氧化性的提升，传统的钛合金高温防护涂层可分为传统金属基涂层及陶瓷涂层。传统金属基涂层包括铝系涂层、Ti-Al系涂层以及MCrAlY(M代表Ni、Co等)系热障涂层，此涂层能一定程度改善钛合金的抗氧化性能，但氧化过程中涂层与基体产生严重的互扩散现象，形成硬脆相甚至柯肯达尔孔洞，严重影响基体的力学性能和涂层使用寿命。传统的陶瓷涂层包括氧化物涂层、氮化物涂层、搪瓷涂层等，此涂层由于陶瓷固有的脆性及陶瓷与基体间的热膨胀系数相差较大，因此在高温条件下易产生裂纹甚至是脱落现象。总之，传统的钛合金高温防护涂层对改善钛合金基体的抗高温氧化性方面存在不足且相对有限，需要进一步提升钛合金在极端高温环境下的抗高温氧化性能。
目前主要通过渗碳、渗氮、渗硼及氮氧共渗和制备复合涂层等来改善钛合金耐磨性能。对于高温抗氧化性的提升，则分别有渗铝涂层、TiAl系涂层、MCrAlY(M＝Ni、Co或Ni+Co)系涂层等钛合金高温抗氧化涂层体系。虽然上述涂层在一定程度上提升了相关性能，但一些高温抗氧化涂层体系并不能在高温下保持稳定，随着温度升高，涂层元素容易与基体发生互扩散，从而缩短涂层寿命；且目前钛合金的耐磨涂层在常温下可以达到很好的耐磨性能，但是高温下耐磨性能仍不理想。
鉴于上述问题的存在，有必要提供一种新的钛合金表面TiCrAlSiX系涂层及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层及其制备方法。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提供一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层，TiCrAlSiX系涂层中的X为Ni、Zr或Y，并且TiCrAlSiX系涂层的原子百分比组成为：Ti 15-20％，Cr 15-25％，Al 15-25％，Si15-20％，X 20-25％，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于10％。
本发明还提供一种上述钛合金表面TiCrAlSiX系涂层的制备方法，其包括：以钛合金为基板，采用双靶共溅射或三靶共溅射，在基板上沉积TiCrAlSiX系钛合金涂层。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层及其制备方法，钛合金表面TiCrAlSiX系涂层是一种由五种主元组成的TiCrAlSiX系高熵钛合金涂层，TiCrAlSiX系涂层中的X为Ni、Zr或Y，并且TiCrAlSiX系涂层的原子百分比组成为：Ti 15-20％，Cr 15-25％，Al 15-25％，Si 15-20％，X20-25％，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于10％。采用磁控溅射方法制备的符合组分窗口范围的TiCrAlSiX系涂层，不仅与钛合金基体之间具有良好的结合力，而且表面具有高熵钛合金涂层的钛合金可提高其在高温长时间服役下的抗高温氧化及耐磨性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例1获得的钛合金涂层表面形貌扫描电子显微镜图；
图2为本发明实施例1获得的钛合金涂层截面形貌扫描电子显微镜图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层及其制备方法和应用进行具体说明。
第一方面，本发明实施例提供一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层，TiCrAlSiX系涂层中的X为Ni、Zr或Y，并且TiCrAlSiX系涂层的原子百分比组成为：Ti 15-20％，Cr 15-25％，Al 15-25％，Si 15-20％，X 20-25％，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于10％。
本发明实施例提供的钛合金表面TiCrAlSiX系涂层，是一种由五种主元组成的TiCrAlSiX系高熵钛合金涂层，其中X为Ni(镍)、Zr(锆)、Y(钇)金属元素，具有上述组成的高熵钛合金涂层可以在高温下保持稳定，且随着温度升高，涂层不易与钛合金基体之间发生相互扩散，阻碍了硬脆相和柯肯达尔孔洞缺陷的产生，并且钛合金涂层与钛合金基体之间具有相近的热膨胀系数，在服役过程中不易发生开裂、脱落等问题，由此提高了钛合金在高温长时间服役下的抗高温氧化及耐磨性能。
在可选的实施方式中，TiCrAlSiX系钛合金涂层厚度为2-10um。
在可选的实施方式中，钛合金为任意钛合金零件，包括钛合金母材和焊接接头，钛合金零件的材质为航空领域常用的钛合金，例如TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TC4、TC6、TC11或亚稳态β型钛合金中的任意一种。
第二方面，本发明实施例提供一种上述钛合金表面TiCrAlSiX系涂层的制备方法，其包括：以钛合金为基板，采用双靶共溅射或三靶共溅射，在基板上沉积TiCrAlSiX系钛合金涂层。
磁控溅射属于高速低温溅射技术，具有溅射沉积速率快、薄膜结构致密、重复性好的优点，本发明实施例中选择磁控溅射方法，通过多靶共溅射，调控每个靶枪电源的工艺参数，可以实现TiCrAlSiX系多主元钛合金涂层的组分调控，制备出符合组分窗口范围的高熵钛合金涂层。
在可选的实施方式中，双靶共溅射的双靶靶材分别为熔炼的TiCrAlX金属靶及Si靶，纯度均为99.99％，其中，TiCrAlX金属靶中各组分的原子百分比为：Ti 25-30％，Cr 22-25％，Al 22-25％，X 22-25％，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于5％。
在可选的实施方式中，采用双靶共溅射的步骤如下：TiCrAlX金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为60-80W；Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为45-55W，并且W1与W2之间需满足：W1-W2≤30W；溅射气压为3-6mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为10-20rpm，靶基距为100-120mm。
在可选的实施方式中，三靶共溅射的三靶靶材分别为熔炼的TiCrAl金属靶、X金属靶及Si靶，纯度均为99.99％，其中，TiCrAl金属靶中各组分的原子百分比为：Ti 35-40％，Cr 30-32％，Al 32-35％，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于5％。
在可选的实施方式中，采用三靶共溅射的步骤如下：TiCrAl金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为60-70W；Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为45-55W；X金属靶采用直流电源，直流溅射功率W3为30-40W；并且W1、W2与W3之间需满足：W1-W2≤15W，W2-W3≤10W；溅射气压为3-6mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为10-20rpm，靶基距为100-120mm。溅射气压、衬底旋转速度及靶基距三者相互影响，在未优化的工艺下获得的涂层容易出现厚度不均匀、表面存在大颗粒且粗糙度大等问题，通过协同调控、优化沉积工艺窗口，方能获得具有较优膜基结合力、晶粒细小且致密、表面平整无缺陷的优质涂层。
在可选的实施方式中，基板在磁控溅射之前，依次对基板的表面进行打磨清洗处理和预溅射处理。
在可选的实施方式中，基板在沉积涂层前进行以下步骤的处理：
依次选用200#、500#、1000#、2000#、3000#、5000#砂纸将基板打磨至无划痕；依次使用丙酮和无水乙醇对将磨后的基板进行清洗，氮气干燥备用；
再将基板传送至高真空沉积腔体中，在不开启靶材保护盖的情况下，设置射频RF电源功率为40-50W，腔体气压为6mTorr，基板托盘旋转速度为10-20rpm，通过腔室中的Ar+对基板表面预溅射清洗，预溅射时长30-40min，沉积腔体的本底气压低于5.0×10-7Torr。
下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明实施例提供了一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层的制备方法，包括如下步骤：
a、基板选取：以钛合金作为沉积基板，钛合金为任意钛合金零件，包括钛合金母材和焊接接头；
b、对基板进行预处理：依次选用200#、500#、1000#、2000#、3000#、5000#砂纸打磨至无划痕；依次使用丙酮和无水乙醇对将磨后的基板进行清洗，氮气干燥备用。
c、将基板传送至高真空沉积腔体中，在不开启靶材保护盖的情况下，设置射频(RF)电源功率为40-50W，腔体气压为6mTorr，基板托盘旋转速度为10-20rpm，通过腔室中的Ar+对基板表面预溅射清洗，预溅射时长30-40min，沉积腔体的本底气压低于5.0×10- 7Torr；
d、在基板上沉积TiCrAlSiX系钛合金涂层，采用双靶或三靶共溅射。其中，双靶共溅射为：双靶分别为熔炼的TiCrAlX金属靶及Si靶，纯度均为99.99％，其中，TiCrAlX金属靶中组分原子百分比为：Ti 25-30％，Cr22-25％，Al 22-25％，X 22-25％，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于5％；金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为60-80W；Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为45-55W，并且W1与W2之间需满足：W1-W2≤30W；溅射气压为3-6mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为10-20rpm，靶基距为100-120mm。
三靶共溅射为：三靶分别为熔炼的TiCrAl金属靶、X金属靶及Si靶，纯度均为99.99％，其中，TiCrAl金属靶中组分原子百分比为：Ti 35-40％，Cr 30-32％，Al 32-35％，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于5％；TiCrAl金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为60-70W；Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为45-55W；X金属靶采用直流电源，直流溅射功率W3为30-40W；并且W1、W2与W3之间需满足：W1-W2≤15W，W2-W3≤10W；溅射气压为3-6mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为10-20rpm，靶基距为100-120mm。
TiCrAlSiX系钛合金涂层中的X为Ni(镍)、Zr(锆)、Y(钇)金属元素。TiCrAlSiX系钛合金涂层组分的原子百分比为：Ti 15-20％，Cr 15-25％，Al15-25％，Si 15-20％，X 20-25％，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于10％。
实施例1
一种钛合金表面TiCrAlSiNi涂层的制备方法，包括如下步骤：
a、基板选取：以钛合金作为沉积基板，钛合金为任意钛合金零件，包括钛合金母材和焊接接头；
b、对基板进行预处理：依次选用200#、500#、1000#、2000#、3000#、5000#砂纸打磨至无划痕；依次使用丙酮和无水乙醇对将磨后的基板进行清洗，氮气干燥备用。
c、将基板传送至高真空沉积腔体中，在不开启靶材保护盖的情况下，设置射频(RF)电源功率为40W，腔体气压为6mTorr，基板托盘旋转速度为20rpm，通过腔室中的Ar+对基板表面预溅射清洗，预溅射时长40min，沉积腔体的本底气压低于5.0×10-7Torr；
d、在基板上沉积TiCrAlSiNi钛合金涂层，采用熔炼的TiCrAlNi金属靶及Si靶进行双靶共溅射，其中，TiCrAlNi金属靶中组分原子百分比为：Ti 25％，Cr 25％，Al 25％，Ni25％，金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为80W；Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为50W；溅射气压为3mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为20rpm，靶基距为100mm。
通过EDS能谱表征分析，所获得的TiCrAlSiNi钛合金涂层成分原子比为Ti15.55％，Cr 24.84％，Al 23.45％，Si 15.21％，Ni 20.95％，符合本发明所期望的涂层组分窗口。
以上实施例1获得的钛合金涂层表面形貌扫描电子显微镜图参见图1。从图1中可见，所获得的钛合金涂层表面致密，无孔洞、裂纹、大颗粒等缺陷。
以上实施例获得的钛合金涂层截面形貌扫描电子显微镜图参见图2。从图2中可见，所获得的钛合金涂层与基板紧密结合，无明显空洞、界面层等缺陷。
实施例2
一种钛合金表面TiCrAlSiNi涂层的制备方法，包括如下步骤：
a、基板选取：以钛合金作为沉积基板，钛合金为任意钛合金零件，包括钛合金母材和焊接接头；
b、对基板进行预处理：依次选用200#、500#、1000#、2000#、3000#、5000#砂纸打磨至无划痕；依次使用丙酮和无水乙醇对将磨后的基板进行清洗，氮气干燥备用。
c、将基板传送至高真空沉积腔体中，在不开启靶材保护盖的情况下，设置射频(RF)电源功率为50W，腔体气压为6mTorr，基板托盘旋转速度为10rpm，通过腔室中的Ar+对基板表面预溅射清洗，预溅射时长30min，沉积腔体的本底气压低于5.0×10-7Torr；
d、在基板上沉积TiCrAlSiNi钛合金涂层，采用熔炼的TiCrAlNi金属靶及Si靶进行双靶共溅射，其中，TiCrAlNi金属靶中组分原子百分比为：Ti 28％，Cr 25％，Al 23％，Ni24％，金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为60W；Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为50W；溅射气压为6mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为10rpm，靶基距为120mm。
通过EDS能谱表征分析，所获得的TiCrAlSiNi钛合金涂层成分原子比为Ti15.22％，Cr 23.78％，Al 22.70％，Si 16.02％，Ni 22.28％，符合本发明所期望的涂层组分窗口。
实施例3
一种钛合金表面TiCrAlSiY涂层的制备方法，包括如下步骤：
a、基板选取：以钛合金作为沉积基板，钛合金为任意钛合金零件，包括钛合金母材和焊接接头；
b、对基板进行预处理：依次选用200#、500#、1000#、2000#、3000#、5000#砂纸打磨至无划痕；依次使用丙酮和无水乙醇对将磨后的基板进行清洗，氮气干燥备用。
c、将基板传送至高真空沉积腔体中，在不开启靶材保护盖的情况下，设置射频(RF)电源功率为40W，腔体气压为6mTorr，基板托盘旋转速度为20rpm，通过腔室中的Ar+对基板表面预溅射清洗，预溅射时长30min，沉积腔体的本底气压低于5.0×10-7Torr；
d、在基板上沉积TiCrAlSiY钛合金涂层，采用熔炼的TiCrAlY金属靶及Si靶进行双靶共溅射，其中，TiCrAlNi金属靶中组分原子百分比为：Ti25％，Cr 25％，Al 25％，Y 25％，金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为80W；Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为50W；溅射气压为3mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为20rpm，靶基距为100mm。
通过EDS能谱表征分析，所获得的TiCrAlSiY钛合金涂层成分原子比为Ti16.24％，Cr 24.95％，Al 20.65％，Si 15.62％，Y 22.54％，符合本发明所期望的涂层组分窗口。
实施例4
一种钛合金表面TiCrAlSiZr涂层的制备方法，包括如下步骤：
a、基板选取：以钛合金作为沉积基板，钛合金为任意钛合金零件，包括钛合金母材和焊接接头；
b、对基板进行预处理：依次选用200#、500#、1000#、2000#、3000#、5000#砂纸打磨至无划痕；依次使用丙酮和无水乙醇对将磨后的基板进行清洗，氮气干燥备用。
c、将基板传送至高真空沉积腔体中，在不开启靶材保护盖的情况下，设置射频(RF)电源功率为50W，腔体气压为6mTorr，基板托盘旋转速度为10rpm，通过腔室中的Ar+对基板表面预溅射清洗，预溅射时长30min，沉积腔体的本底气压低于5.0×10-7Torr；
d、在基板上沉积TiCrAlSiZr钛合金涂层，采用熔炼的TiCrAl金属靶、Zr金属靶及Si靶进行三靶共溅射，其中，TiCrAl金属靶中组分原子百分比为：Ti 35％，Cr 32％，Al33％，TiCrAl金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为60W；Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为50W；Zr金属靶采用直流电源，直流溅射功率W3为40W；溅射气压为3mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为20rpm，靶基距为100mm。
通过EDS能谱表征分析，所获得的TiCrAlSiZr钛合金涂层成分原子比为Ti15.39％，Cr 23.15％，Al 21.45％，Si 19.26％，Zr 20.75％，符合本发明所期望的涂层组分窗口。
通过对制备得到的涂层进行扫描电镜测试，所得涂层具有较优膜基结合力、服役过程不脱落、晶粒细小且致密(晶粒尺寸<100nm)、表面粗糙度小于10nm、无明显孔洞和裂纹缺陷的优点，外观性能优良。
对比例1
与实施例1、2的步骤相似，不同之处仅在于：金属靶直流溅射功率W1为70W，Si靶射频溅射功率W2为40W，所获得涂层成分原子比为Ti15.70％，Cr 25.35％，Al 24.71％，Si9.34％，Ni 24.90％，不符合本发明所期望的涂层组分窗口。
对比例2
与实施例1、2的步骤相似，不同之处仅在于：金属靶直流溅射功率W1为80W，Si靶射频溅射功率W2为40W，所获得涂层成分原子比为Ti15.62％，Cr 26.48％，Al 24.26％，Si8.45％，Ni 25.19％，不符合本发明所期望的涂层组分窗口。
对比例3
与实施例3的步骤相似，不同之处仅在于：金属靶直流溅射功率W1为80W，Si靶射频溅射功率W2为30W，所获得涂层成分原子比为Ti19.31％，Cr 32.87％，Al 16.88％，Si9.24％，Y 21.70％，不符合本发明所期望的涂层组分窗口。
对比例4
与实施例3的步骤相似，不同之处仅在于：金属靶直流溅射功率W1为85W，Si靶射频溅射功率W2为55W，所获得涂层成分原子比为Ti17.59％，Cr 25.13％，Al 23.49％，Si13.46％，Y 20.33％，不符合本发明所期望的涂层组分窗口。
对比例5
与实施例4的步骤相似，不同之处仅在于：TiCrAl金属靶直流溅射功率W1为60W，Si靶射频溅射功率W2为50W，Zr金属靶直流溅射功率W3为35W，所获得涂层成分原子比为Ti14.86％，Cr 22.49％，Al 21.59％，Si 22.42％，Zr 18.64％，不符合本发明所期望的涂层组分窗口。
对比例6
与实施例4的步骤相似，不同之处仅在于：TiCrAl金属靶直流溅射功率W1为80W，Si靶射频溅射功率W2为50W，Zr金属靶直流溅射功率W3为40W，所获得涂层成分原子比为Ti15.52％，Cr 25.86％，Al 24.43％，Si 17.75％，Zr 16.44％，不符合本发明所期望的涂层组分窗口。
由以上对比例可知在共溅射功率窗口范围内所制备的涂层元素含量均满足TiCrAlSiX系钛合金涂层组分的原子百分比范围，在本功率窗口范围外无法获得期望的涂层组分。
为验证本发明所获得TiCrAlSiX系钛合金涂层的抗高温氧化性能，选取上述涂层样品和无涂层的钛合金基板进行热处理实验，在600℃下热处理50小时，其间每隔10小时采用精密电子天平进行称重测量，结果如表1所示。结果表明，利用本发明技术制备的符合组分窗口内的涂层样品明显比对比例涂层及TC4基板的氧化增重少，具有更优异的高温抗氧化性能。
以下表1为实施例、对比例所获得TiCrAlSiX系钛合金涂层及基板热氧化增重(毫克)。
表1
退火10h 退火20h 退火30h 退火40h 退火50h
实施例1 0.2 0.2 0.3 0.5 0.5
实施例2 0.1 0.2 0.2 0.3 0.3
实施例3 0.1 0.2 0.3 0.3 0.3
实施例4 0.1 0.4 0.5 0.5 0.5
对比例1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1
对比例2 0.2 0.4 0.5 0.7 0.9
对比例3 0.4 0.8 0.9 1.2 1.3
对比例4 0.3 0.8 0.8 0.9 1.1
对比例5 0.5 0.7 0.8 0.9 0.9
对比例6 0.4 0.7 1 1.2 1.3
基板 0.4 0.9 1 1.4 1.5
为验证本发明所获得TiCrAlSiX系钛合金涂层的耐磨性能，采用销盘式摩擦磨损实验机对TiAlCrSiNi涂层及无涂层基板进行室温摩擦磨损测试，测试结果如表2所示。结果表明：利用本发明技术获得的TiCrAlSiNi系涂层试样(实施例1)具有较低的平均摩擦系数和较小的磨损率，说明在组分窗口内的试样具有最高的耐磨性能。TiAlCrSiY及TiAlCrSiZr涂层的摩擦磨损测试结果对比趋势与上述结果相近。
以下表2为代表性实施例及对比例样品的摩擦磨损测试结果。
表2
平均摩擦系数 磨痕宽度(mm) 磨痕深度(μm) 磨损率(mm3/Nm)
实施例1 0.1648 0.3313 2.4416 4.0×10-5
对比例1 0.2432 0.4906 4.5871 10.0×10-5
对比例2 0.2641 0.4969 1.9116 5.0×10-5
基板 0.2497 0.4092 3.5391 10.0×10-5
综上，本发明实施例提供的一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层及其制备方法，钛合金表面TiCrAlSiX系涂层是一种由五种主元组成的TiCrAlSiX系高熵钛合金涂层，TiCrAlSiX系涂层中的X为Ni、Zr或Y，并且TiCrAlSiX系涂层的原子百分比组成为：Ti 15-20％，Cr 15-25％，Al 15-25％，Si 15-20％，X 20-25％，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于10％。通过双靶共溅射或三靶共溅射制备涂层的工艺，调控每个靶枪电源的工艺参数，可以实现TiCrAlSiX系多主元钛合金涂层的组分调控。所制备的符合组分窗口范围的TiCrAlSiX系涂层，不仅与钛合金基体之间具有良好的结合力，而且表面具有高熵钛合金涂层的钛合金可提高其在高温长时间服役下的抗高温氧化及耐磨性能。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钛合金表面TiCrAlSiX系涂层，其特征在于，所述TiCrAlSiX系涂层中的X为Ni、Zr或Y，并且所述TiCrAlSiX系涂层的原子百分比组成为：Ti 15-20%，Cr 15-25%，Al 15-25%，Si 15-20%，X 20-25%，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于10%；
所述钛合金表面TiCrAlSiX系涂层通过以下制备方法制备得到：
以钛合金为基板，采用双靶共溅射或三靶共溅射，在所述基板上沉积TiCrAlSiX系钛合金涂层，其中：
所述双靶共溅射的双靶靶材分别为熔炼的TiCrAlX金属靶及Si靶，纯度均为99.99%，其中，所述TiCrAlX金属靶中各组分的原子百分比为：Ti 25-30%，Cr 22-25%，Al 22-25%，X22-25%，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于5%，采用双靶共溅射的步骤如下：所述TiCrAlX金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为60-80W；所述Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为45-55W，并且W1与W2之间需满足：W1-W2≤30 W；溅射气压为3-6 mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为10-20 rpm，靶基距为100-120 mm；
所述三靶共溅射的三靶靶材分别为熔炼的TiCrAl金属靶、X金属靶及Si靶，纯度均为99.99%，其中，所述TiCrAl金属靶中各组分的原子百分比为：Ti 35-40%，Cr 30-32%，Al 32-35%，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于5%，采用三靶共溅射的步骤如下：所述TiCrAl金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为60-70 W；所述Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为45-55W；所述X金属靶采用直流电源，直流溅射功率W3为30-40 W；并且W1、W2与W3之间需满足：W1-W2≤15 W，W2-W3≤10W；溅射气压为3-6 mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为10-20 rpm，靶基距为100-120 mm。
2.根据权利要求1所述的钛合金表面TiCrAlSiX系涂层，其特征在于，所述TiCrAlSiX系钛合金涂层厚度为2-10 μm。
3.根据权利要求1所述的钛合金表面TiCrAlSiX系涂层，其特征在于，所述钛合金包括钛合金母材和焊接接头。
4.一种根据权利要求1-3中任一项所述钛合金表面TiCrAlSiX系涂层的制备方法，其特征在于，以钛合金为基板，采用双靶共溅射或三靶共溅射，在所述基板上沉积TiCrAlSiX系钛合金涂层，其中：
所述双靶共溅射的双靶靶材分别为熔炼的TiCrAlX金属靶及Si靶，纯度均为99.99%，其中，所述TiCrAlX金属靶中各组分的原子百分比为：Ti 25-30%，Cr 22-25%，Al 22-25%，X22-25%，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于5%；采用双靶共溅射的步骤如下：所述TiCrAlX金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为60-80W；所述Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为45-55W，并且W1与W2之间需满足：W1-W2≤30 W；溅射气压为3-6 mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为10-20 rpm，靶基距为100-120 mm；
所述三靶共溅射的三靶靶材分别为熔炼的TiCrAl金属靶、X金属靶及Si靶，纯度均为99.99%，其中，所述TiCrAl金属靶中各组分的原子百分比为：Ti 35-40%，Cr 30-32%，Al 32-35%，并且两两元素之间的原子百分比的差值不高于5%；采用三靶共溅射的步骤如下：所述TiCrAl金属靶采用直流电源，直流溅射功率W1为60-70 W；所述Si靶采用射频电源，射频溅射功率W2为45-55W；所述X金属靶采用直流电源，直流溅射功率W3为30-40 W；并且W1、W2与W3之间需满足：W1-W2≤15 W，W2-W3≤10W；溅射气压为3-6 mTorr，生长温度为室温，衬底旋转速度为10-20 rpm，靶基距为100-120 mm。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述基板在磁控溅射之前，依次对所述基板的表面进行打磨清洗处理和预溅射处理。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述基板在沉积涂层前进行以下步骤的处理：
依次选用200#、500#、1000#、2000#、3000#、5000#砂纸将所述基板打磨至无划痕；依次使用丙酮和无水乙醇对打磨后的基板进行清洗，氮气干燥备用；
再将所述基板传送至高真空沉积腔体中，在不开启靶材保护盖的情况下，设置射频RF电源功率为40-50 W，腔体气压为6 mTorr，基板托盘旋转速度为10-20 rpm，通过腔室中的Ar+对基板表面预溅射清洗，预溅射时长30-40 min，所述沉积腔体的本底气压低于5.0×10-7 Torr。
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