CN116555716A - 不锈钢复合材料及不锈钢复合材料的制备方法 - Google Patents
不锈钢复合材料及不锈钢复合材料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116555716A CN116555716A CN202310477906.1A CN202310477906A CN116555716A CN 116555716 A CN116555716 A CN 116555716A CN 202310477906 A CN202310477906 A CN 202310477906A CN 116555716 A CN116555716 A CN 116555716A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- target
- nitriding
- stainless steel
- depositing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 131
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 title claims abstract description 131
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims abstract description 227
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 108
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 107
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims abstract description 68
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 66
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000005554 pickling Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 130
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 67
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 65
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 54
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 37
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical group N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 31
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 29
- 229910018575 Al—Ti Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 229910004339 Ti-Si Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 229910010978 Ti—Si Inorganic materials 0.000 claims description 24
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910017150 AlTi Inorganic materials 0.000 claims description 15
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910000789 Aluminium-silicon alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 claims description 6
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 3
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 62
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 56
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 26
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 186
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 35
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 35
- 229910001105 martensitic stainless steel Inorganic materials 0.000 description 22
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 15
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 12
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 5
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 5
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 5
- 229910021364 Al-Si alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000861 blow drying Methods 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 4
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 4
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 3
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 2
- XWROUVVQGRRRMF-UHFFFAOYSA-N F.O[N+]([O-])=O Chemical compound F.O[N+]([O-])=O XWROUVVQGRRRMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910007991 Si-N Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910006294 Si—N Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- -1 nitrogen ion Chemical class 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910011208 Ti—N Inorganic materials 0.000 description 1
- 102100029469 WD repeat and HMG-box DNA-binding protein 1 Human genes 0.000 description 1
- 101710097421 WD repeat and HMG-box DNA-binding protein 1 Proteins 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 238000007733 ion plating Methods 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000035772 mutation Effects 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000399 optical microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical group N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
- C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
- C23C14/0036—Reactive sputtering
- C23C14/0084—Producing gradient compositions
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
- C23C14/024—Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0641—Nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
- C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/24—Nitriding
- C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
- C23C8/38—Treatment of ferrous surfaces
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/80—After-treatment
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明提供了一种不锈钢复合材料及不锈钢复合材料的制备方法，所述制备方法包括：对不锈钢基体进行第一渗氮处理，使不锈钢基体表面形成渗氮层；对形成有渗氮层的不锈钢基体进行酸洗，之后清洗烘干；对经过酸洗处理后的不锈钢基体进行磁控溅射，以在渗氮层的表面形成WCrAlSiTiN涂层。本制备方法能够有效改善不锈钢的综合性能，通过渗氮层不仅可以提高不锈钢基体的耐腐蚀性和耐磨性，而且可以通过提高不锈钢基体的强度使不锈钢基体与WCrAlSiTiN涂层具有良好的硬度匹配性，提升涂层与不锈钢基体的结合强度，确保涂层有效性，通过沉积的WCrAlSiTiN涂层，能够使不锈钢硬度、耐磨性和耐腐蚀性得到进一步改善，延长不锈钢在海洋等高盐高湿度环境中的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及不锈钢加工技术领域，特别涉及一种不锈钢复合材料及不锈钢复合材料的制备方法。
背景技术
不锈钢因具有较高的强度和良好的力学性能而广泛应用于制备承受冲击载荷较多且兼具一定耐蚀性要求的零件，如大型轴流式压缩机叶片、汽轮机叶片，紧固件，阀体，轴泵套和轴承等。然而，不锈钢的耐磨性和耐腐蚀性相对较差，在海洋环境中极易发生腐蚀，不仅限制了其在石油化工船舶和海洋工程等领域的应用也严重影响其使用寿命。
对此，现有的解决手段为：在不锈钢上形成涂层。现有的涂层制备存在过程复杂、成本高、抗腐蚀性能和强度不佳、涂层极易失效等缺陷，不能完全满足不锈钢在海洋环境中的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不锈钢复合材料及不锈钢复合材料的制备方法，本发明提供的不锈钢复合材料具有较好的性能。
本申请提出了一种不锈钢复合材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
对不锈钢基体进行第一渗氮处理，使所述不锈钢基体表面形成渗氮层；
对形成有所述渗氮层的不锈钢基体进行酸洗，之后清洗烘干；
对经过酸洗处理后的不锈钢基体进行磁控溅射，以在所述渗氮层的表面形成WCrAlSiTiN涂层。
在本申请的一些实施例中，所述第一渗氮处理的渗氮温度为350℃～480℃；所述第一渗氮处理的渗氮气体为氨气。
在本申请的一些实施例中，所述对形成有所述渗氮层的不锈钢基体进行酸洗，之后清洗烘干，包括：
用酸性溶液对形成有所述渗氮层的不锈钢基体浸洗1min～2min，然后采用无水乙醇和/或丙酮进行超声清洗5min～10min，之后于100～150℃下烘干；
所述酸性溶液为硝酸和氢氟酸的混合溶液。
在本申请的一些实施例中，所述对经过酸洗处理后的不锈钢基体进行磁控溅射，以在所述渗氮层的表面形成WCrAlSiTiN涂层，包括：
沉积Cr层：开启Cr靶，在所述渗氮层上沉积所述Cr层，Cr靶电流为60A～90A，负偏压为500V～800V，沉积时间为1min～5min；
沉积CrN层：向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶，Cr靶电流为60A～90A，负偏压为100V～200V，沉积时间为30min～90min；
沉积CrAlSiN层：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶和AlSi靶，Cr靶和AlSi靶电流均为70A～90A，负偏压为100V～200V，沉积时间为30min～90min；
沉积CrAlTiSiN层：继续向溅射腔内通入氮气，使用Cr靶、AlTiSi靶和AlTi靶在所述CrAlSiN层上沉积所述CrAlTiSiN层；
沉积CrWAlTiN层：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启W靶、Cr靶和AlTi靶，各靶电流均为60A～90A，负偏压为200V～300V，沉积时间为60min～120min，其中所开启的Cr靶的数量大于W靶的数量；
沉积WCrAlTiN层：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启W靶、Cr靶和AlTi靶，各靶电流均为60A～90A，负偏压为200V～300V，沉积时间为60min～120min，其中所开启的Cr靶的数量小于W靶的数量；
交替进行所述沉积CrWAlTiN层的步骤和所述沉积WCrAlTiN层的步骤预设次数。
在本申请的一些实施例中，所述沉积CrAlTiSiN层的步骤，具体包括：
步骤1：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶和AlTiSi靶沉积第一子层，Cr靶和AlTiSi靶电流均为30A～60A，负偏压为200V～300V，沉积时间为5min～10min；
步骤2：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶、AlTiSi靶和AlTi靶沉积第二子层，Cr靶电流为30A～60A，Al-Ti-Si靶电流为60A～80A，Al-Ti靶电流为50A～70A，负偏压为200V～300V，沉积时间为0.1min～1min；
步骤3：在步骤2的基础上，将AlTi靶电流降低至20A～40A，其他各靶电流保持不变，于负偏压为200V～300V下沉积第三子层，沉积时间为0.1min～1min；
交替进行所述步骤2和所述步骤3预设次数；
步骤4：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶、Al-Ti-Si靶和Al-Ti靶沉积第四子层，各靶电流均为70A～90A，负偏压为100V～200V，沉积时间为0.1min～1min；
步骤5：在步骤4的基础上，减少所开启的Cr靶的数量，各靶电流保持不变，于负偏压为100V～200V下沉积第五子层，沉积时间为0.1min～1min；
交替进行所述步骤4和所述步骤5预设次数；
步骤6：在步骤4的基础上，将沉积时间设为1min～2min，沉积第六子层；
步骤7：在步骤5的基础上，将沉积时间设为1min～2min，沉积第七子层。
在本申请的一些实施例中，所述制备Cr膜层的步骤中，在所述渗氮层上沉积所述Cr层之前，还包括：
向所述溅射腔中通入渗氮气体以对形成有所述渗氮层的不锈钢基体进行第二渗氮处理；
所述第二渗氮处理的渗氮温度为350℃～480℃；所述第二渗氮处理的渗氮气体为氨气；所述第二渗氮处理的渗氮时间为5min～10min
在本申请的一些实施例中，所述对不锈钢基体进行第一渗氮处理，使所述不锈钢基体的表面形成渗氮层的步骤之前，还包括：
对不锈钢基体依次进行切割、打磨、抛光和表面清洗处理。
在本申请的一些实施例中，所述不锈钢基体为马氏体不锈钢基体。
本申请还提出了一种不锈钢复合材料，包括：不锈钢基体；设置在所述不锈钢基体表面的渗氮层；以及设置在所述渗氮层远离所述不锈钢基体一侧的WCrAlSiTiN涂层。
在本申请的一些实施例中，所述WCrAlSiTiN涂层包括依次沉积在所述渗氮层上的Cr层、CrN层、CrAlSiN层、CrAlTiSiN层及交替层叠设置的CrWAlTiN层和WCrAlTiN层，其中，所述CrWAlTiN层中Cr元素的含量大于W元素的含量，所述WCrAlTiN层中Cr元素的含量小于W元素的含量。
在本申请的一些实施例中，所述CrAlTiSiN层为多层结构，沿远离所述渗氮层的的方向，所述多层结构包括至少一个第一子层、M个周期交替层叠的第二子层和第三子层、N个周期交替层叠的第四子层和第五子层、至少一个第六子层以及至少一个第七子层，所述第二子层中Al元素和Ti元素的含量大于所述第一子层和第三子层中Al元素和Ti元素的含量，所述第四子层中Cr元素的含量大于所述第五子层中Cr元素的含量。
在本申请的一些实施例中，10≤M≤50，15≤N≤25。
在本申请的一些实施例中，所述CrWAlTiN层和所述WCrAlTiN层交替层叠的周期数为20个～25个。
由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：
采用本发明的制备方法所得到不锈钢复合材料能够有效改善不锈钢的综合性能，包括力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能；通过渗氮层不仅可以提高不锈钢基体的耐腐蚀性和耐磨性，而且可以通过提高不锈钢基体的强度使不锈钢基体与WCrAlSiTiN涂层具有良好的硬度匹配性，提升涂层与不锈钢基体的结合强度，确保涂层使用寿命，通过沉积的WCrAlSiTiN涂层，能够使不锈钢硬度、耐磨性和耐腐蚀性得到进一步改善，硬度可达到2000HV0.1以上，自腐蚀电流密度较低，延长了采用不锈钢作为材料的仪器设备在海洋等高盐高湿度环境中的使用寿命，整个不锈钢表面沉积的涂层结构简单，操作方便。
附图说明
图1是本发明一实施例的不锈钢复合材料的制备方法的流程图。
图2是本发明一实施例的形成的WCrAlSiTiN涂层的流程图。
图3是本发明一实施例的不锈钢复合材料的结构示意图。
图4是所制备的不锈钢复合材料的XRD图谱。
图5是光学显微镜下不同样品的横截面形貌图。
图6是所制备的不锈钢复合材料的硬度值结果图。
图7是对不同样品分别施加负载载荷进行断面硬度梯度分析的结果图。
图8是不同样品在海水溶液中进行电化学腐蚀测试的极化曲线图。
图9是通过光学显微镜观察不同样品电化学腐蚀后的表面形貌图。
图10是不同样品在海水溶液中进行电化学腐蚀测试的EIS图谱。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
钢材料，例如低合金钢、不锈钢的耐磨性和耐腐蚀性较差，对此现有技术中通常通过在钢基体上制备改性涂层来提升其耐磨性和耐腐蚀性，例如，在钢基体表面形成CrN、CrWN、CrAlN等硬质涂层。但是由于涂层本身的硬度要高于基体的表面硬度，如果基体的承载能力不够，有可能会导致涂层失效。
现有的制备涂层进行性能改良的方法多应用于低合金钢，对于不锈钢，例如马氏体不锈钢缺少有效的表面处理方法，由于马氏体不锈钢的硬度相对来说比较低，承载力较差，在通过设置涂层改良其性能的过程中，极易因基体与涂层之间没有形成平稳的过度而出现涂层碎裂的情况，导致表面改性难度较大，效果不好。
基于此，本申请提出了一种不锈钢表面复合改性层的制备方法。请参阅图1，该制备方法包括如下步骤：
S101、对不锈钢基体进行第一渗氮处理，使所述不锈钢基体的表面形成渗氮层；
S102、对形成有所述渗氮层的不锈钢基体进行酸洗，之后清洗烘干；
S103：对经过酸洗处理后的不锈钢基体进行磁控溅射，以在所述渗氮层的表面形成WCrAlSiTiN涂层。
在步骤S101中，通过第一渗氮处理可以使氮元素渗入不锈钢基体表层从而在不锈钢基体的表面形成氮化层，一方面，氮化层可以提高不锈钢基体的耐腐蚀性和耐磨性，另一方面，氮化层可以提高不锈钢基体的强度，使其承载力增强。
其中，第一渗氮处理可以采用本领域常用的任一渗氮工艺，例如气液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮等，优选采用离子渗氮。
在步骤S102中，通过酸洗可以去除附着在渗氮层表层的氮化物、氧化膜和贫“Cr”层，有利于提升渗氮层的致密度、硬度和耐腐蚀性能，并利于WCrAlSiTiN涂层的附着成型以及提升其与渗氮层的结合强度。相较于渗氮后采用抛光、喷砂等物理手段去除表面疏松层和钝化层的方式，操作过程方便快捷，去除效率和去除效果均显著提高，且不会对不锈钢基体和渗氮层表面造成损伤。
其中，在酸洗的过程中会有少数的H元素扩散到不锈钢基体和渗氮层中，通过烘干处理可以使H元素析出，以消除其对不锈钢基体和渗氮层的强度和耐腐蚀的影响。
在步骤S103中，本发明选用磁控溅射形成涂层，相比多弧离子镀膜，所形成的涂层表面更加致密、均匀和平整。这样致密、均匀和平整的表面可以更好地抵挡腐蚀介质的侵蚀。并且，所形成的涂层中含有Cr、N、Ti、Al、W和Si，上述元素协同增效使得所获得的涂层的硬度、耐腐蚀和耐摩擦性能均显著提升。举例地，WCrAlSiTiN涂层中的W、Cr、Al、Si、Ti和N六种元以相互键合的形式存在于涂层中，使得涂层强度显著增加。举例地，Si元素的加入使CrN膜层的组织形貌由柱状晶结构转变为Si3N4界面相包裹纳米晶TiN的纳米晶复合结构，使涂层的硬度和应力显著增加，并且Si的加入使涂层的抗氧性得到明显改善。举例地，W元素的加入可提高涂层的强韧性及抗摩擦性能，从而提高基体的耐磨性能，并且W元素的加入能够增加协调应变量，从而使膜层硬度提升。
在本申请的一些实施例中，所述第一渗氮处理的渗氮温度为350℃～480℃，具体的，例如可以为350℃、360℃、380℃、400℃、420℃、440℃或880℃。本发明发现，在该温度范围内实施渗氮处理，能够有效避免不锈钢基体出现贫“Cr”现象，从而可以避免渗氮后的不锈钢基体的表面硬度和耐腐蚀能力下降，该处理温度下的第一渗氮处理可以在不出现贫“Cr”现象的基础上，最大的限度提高不锈钢的表面性能。
在本申请的一些实施例中，所述第一渗氮处理的渗氮气体为氨气。
本发明的第一渗氮处理的清洗、升温过程中，单一使用氨气作为渗氮气体，氨气可以使N元素在升温过程中就能够渗入不锈钢基体，这样有助于获得更厚的渗氮层，提升渗氮效率，并且采用单一气体可以避免其他气体对工艺过程造成影响，以及节省成本。
在本申请的一些实施例中，所述第一渗氮处理的渗氮压力控制在2.5×102Pa以上，优选为2.5×102Pa～3×102Pa，具体的例如可以为2.5×102Pa、2.6×102Pa、2.7×102Pa、2.8×102Pa、2.9×102Pa或3×102Pa。在该渗氮压力下进行渗氮处理可以获得具有较高致密度的渗氮层。在实际操作过程中，压力越大，氨气浓度越高，生成的氮离子浓度也越高，氮离子轰击工件表面的反应越激烈，可以加快渗氮处理的速度，促进氮原子轰击不锈钢基体，所形成的氮化层中的氮化物含量较多且分布均匀，从而使不锈钢基体的耐腐蚀性能提高。
在本发明通过对第一渗氮处理的温度、渗氮气体以及渗氮压力等参数进行优化，可以提升渗氮效率，并有助于获得具有较高的致密度和具有较好的耐腐蚀性能的渗氮层。
本发明中所述第一渗氮处理的工艺设备可使用井式渗氮炉、钟罩式炉或者箱式炉等，但不限于此。在本发明所述的方法中，第一渗氮处理的时长可根据所要获得的渗氮层的厚度进行确定，保温反应时长越长，渗氮层厚度相对更厚，其耐腐蚀性能越好，但是渗氮层过厚，可能会导致WCrAlSiTiN涂层附着力不良，因此需结合实际应用情况进行确定。
在本申请的一些实施例中，所述对形成有所述渗氮层的不锈钢基体进行酸洗，之后清洗烘干，包括：
用酸性溶液对形成有所述渗氮层的不锈钢基体浸洗1min～2min，然后采用无水乙醇和/或丙酮进行超声清洗5min～10min，之后于100～150℃下烘干。
通过使用酸洗溶液浸洗以及使用无水乙醇和/或丙酮清洗，可有效去除钝化层和表面杂质以得到干净的表面，使得沉积上去的涂层能更好的和不锈钢基体表面结合。其中，在100～150℃下的烘干处理可使渗透至不锈钢基体中的H元素析出，以消除其对不锈钢基体强度和耐腐蚀的影响。
其中，酸性溶液可以为本领域常用的能够去除表面钝化层和疏松层的任意溶液，优选所述酸性溶液为硝酸和氢氟酸的混合溶液。
在本申请的一些实施例中，请参阅图2，所述对经过酸洗处理后的不锈钢基体进行磁控溅射，以在所述渗氮层的表面形成WCrAlSiTiN涂层，包括：
S201、沉积Cr层：开启Cr靶，在所述渗氮层上沉积所述Cr层，Cr靶电流为60A～90A，负偏压为500V～800V，沉积时间为1min～5min；
S202、沉积CrN层：向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶，Cr靶电流为60A～90A，负偏压为100V～200V，沉积时间为30min～90min；
S203、沉积CrAlSiN层：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶和AlSi靶，Cr靶和AlSi靶电流均为70A～90A，负偏压为100V～200V，沉积时间为30min～90min；
S204、沉积CrAlTiSiN层：继续向溅射腔内通入氮气，使用Cr靶、AlTiSi靶和AlTi靶在所述CrAlSiN层上沉积所述CrAlTiSiN层；
S205、沉积CrWAlTiN层：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启W靶、Cr靶和AlTi靶，各靶电流均为60A～90A，负偏压为200V～300V，沉积时间为60min～120min，其中所开启的Cr靶的数量大于W靶的数量；
S206、沉积WCrAlTiN层：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启W靶、Cr靶和AlTi靶，各靶电流均为60A～90A，负偏压为200V～300V，沉积时间为60min～120min，其中所开启的Cr靶的数量小于W靶的数量；
S207、交替进行沉积CrWAlTiN层的步骤和沉积WCrAlTiN层的步骤预设次数。
一方面，本申请制备的WCrAlSiTiN涂层中含有W、Cr、Al、Si、Ti和N六种元素，这六种元素以相互键合的形式存在于涂层中，使得涂层强度提升，其中，Si的加入可以在涂层中形成Si-N，Si-N键的出现表明涂层在其生长方向上可能会形成氮化硅结构，这种结构在室温下是硬度较高的无机材料，使薄膜的整体硬度显著增加，另外Si元素的加入使CrN膜层的组织形貌由柱状晶结构转变为Si3N4界面相包裹纳米晶TiN的纳米晶复合结构，使涂层的硬度和应力显著增加，并且Si的加入使涂层的抗氧性得到明显改善。举例地，W元素的加入可提高涂层的强韧性及抗摩擦性能，从而提高基体的耐磨性能，并且W元素的加入能够增加协调应变量，从而使膜层硬度提升。
另一方面，本申请制备的WCrAlSiTiN涂层为WN相的纳米多层结构，首先，纳米化和多层化可提升膜基结合能力，其次通过多个膜层的配合可形成过渡结合区域，缓解晶格差异和热膨胀系数突变，提升稳定性和强度，且膜层之间元素扩散形成了类似于机械锁合的结构，这使膜层之间的结合更加紧密牢固，大大增加了涂层的强度、耐磨性，延长涂层使用寿命。
再一方面，涂层靠近渗氮层的一侧为Cr层，保证了较好的膜基结合力，远离渗氮层的一侧为Cr(多)W(少)AlTiN和W(多)Cr(少)AlTiN的交替层叠结构，这种交替排列结构能够出现卫星峰，从而形成具有完全共格界面的超晶格结构。超晶格薄膜是一种维持特定形式的层状精细复合材料，能有效提高薄膜的力学性能和更优异的耐磨减摩性，具有超硬度。在W-Cr-A1-Ti-N超晶格薄层中，各组成材料的晶体结构均为面心立方结构，CrN、W2N与TiN之间呈多晶外延生长模式，在界面处形成共格界面，产生协调应变，使涂层的硬度升高。非晶Si3N4大多填充在晶界区域，位错会穿过硬度较小的非晶，受阻于晶界上模量较高的非晶Si3N4相，裂纹被Si3N4阻止和反射而发生偏转，增加了膜层的韧性，提高了膜层膜基结合力。
其中，沉积CrWAlTiN层的步骤和沉积WCrAlTiN层的步骤交替进行的次数根据实际情况进行确定，本申请不予以限制。
在本申请的一些实施例中，所述制备CrAlTiSiN层的步骤，具体包括：
步骤1：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶和AlTiSi靶沉积第一子层，Cr靶和AlTiSi靶电流均为30A～60A，负偏压为200V～300V，沉积时间为5min～10min；
步骤2：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶、AlTiSi靶和AlTi靶沉积第二子层，Cr靶电流为30A～60A，Al-Ti-Si靶电流为60A～80A，Al-Ti靶电流为50A～70A，负偏压为200V～300V，沉积时间为0.1min～1min；
步骤3：在步骤2的基础上，将AlTi靶电流降低至20A～40A，其他各靶电流保持不变，于负偏压为200V～300V下沉积第三子层，沉积时间为0.1min～1min；
交替进行所述步骤2和所述步骤3预设次数；
步骤4：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶、Al-Ti-Si靶和Al-Ti靶沉积第四子层，各靶电流均为70A～90A，负偏压为100V～200V，沉积时间为0.1min～1min；
步骤5：在步骤4的基础上，减少所开启的Cr靶的数量，各靶电流保持不变，于负偏压为100V～200V下沉积第五子层，沉积时间为0.1min～1min；
交替进行所述步骤4和所述步骤5预设次数；
步骤6：在步骤4的基础上，将沉积时间设为1min～2min，沉积第六子层；
步骤7：在步骤5的基础上，将沉积时间设为1min～2min，沉积第七子层。
在本申请中，CrAlTiSiN层通过调控靶电流、靶运行数量以及沉积时间，形成为多层结构，能够使得CrAlTiSiN层中亦出现卫星峰，从而形成具有完全共格界面的超晶格结构。其中，至少第二子层和第三子层之间，以及第四子层和第五子层之间的元素含量在膜层厚度方向存在交替变化，这样能够使得CrAlTiSiN层的组织、结构和性能也都呈交替变化，从而具有极好的热应力缓和能力、优异的抗热震性能、良好的膜基附着力，优良的耐磨性等，同时在高温下可具有极好的抗氧化性能。
在本申请的一些实施例中，所述制备Cr层的步骤中，在所述渗氮层上沉积Cr层之前，还包括：
向所述溅射腔中通入渗氮气体以对形成有所述渗氮层的不锈钢基体进行第二渗氮处理；
所述第二渗氮处理的渗氮温度为350℃～480℃；所述第二渗氮处理的渗氮气体为氨气；所述第二渗氮处理的渗氮时间为5min～10min。
通过在镀膜之前对不锈钢基体进行第二次渗氮，在提高渗氮层深度的同时，能有效地保证样品表面的光洁度，有利于镀膜的顺利进行，减少因样品表面杂质对涂层结合力的影响，使得WCrAlSiTiN涂层与不锈钢基体的结合更加紧密牢固。
在本申请的一些实施例中，所述对不锈钢基体进行第一渗氮处理，使所述不锈钢基体的表面形成渗氮层的步骤之前，还包括：
对不锈钢基体依次进行切割、打磨、抛光和表面清洗处理。
切割、打磨、抛光和表面清洗处理的方式可以为本领域常规的操作方式。在具体的实施方式中，示例性地，抛光处理的实施方式可以用喷砂、抛丸等处理方式，可以有效去除不锈钢基体表面的锈蚀和杂质等，提升渗氮层的致密度和和耐腐蚀性能，其中抛光处理主要使用机械抛光方法。表面清洗处理主要是清洗去除不锈钢基体表面的油污。
在本申请的一些实施例中，所述不锈钢基体为马氏体不锈钢基体。通过本申请的方法在马氏体不锈钢表面形成了具有硬度高、结合力高、摩擦系数低、耐腐蚀的复合表层，提升了马氏体不锈钢综合性能。
根据本发明的一种具体实施方式，所述不锈钢复合材料的制备方法具体包括以下步骤：
(1)不锈钢基体预处理
将马氏体不锈钢棒材进行切割得到预处理样品；将上述处理后的马氏体不锈钢工件磨平、抛光，得到表面洁净的工件。对经过上述步骤的马氏体不锈钢分别使用丙酮、酒精进行两次超声清洗，最后进行吹干处理。
(2)第一渗氮处理
开启渗氮设备电源，开启泄压阀，保证真空室内处于第一阶段气压(9.8×104～1×105Pa)。开启离子渗氮设备的炉壳，将经过上述步骤的工件放入到所述离子渗氮设备的真空室内，检关闭炉壳。关闭泄压阀，开启机械泵，将真空室内抽至第二阶段气压(0～3×101Pa)。开启高压开关，开启温度开关，设置渗氮温度(350～480℃)，等待渗氮设备升至第一阶段温度(0～100℃)，设置第一阶段偏压(550～600V)，缓慢升至第一阶段占空比(0～25％)。等待渗氮设备运行稳定，设置第二阶段偏压(600～650V)，缓慢升至第二阶段占空比(25～35％)，等待渗氮设备稳定后缓慢升至第三阶段占空比(35～55％)，等待渗氮设备稳定后缓慢升至第四阶段占空比(55～80％)，等待渗氮设备稳定后，打开气瓶开关，通入渗氮气体，调整渗氮设备到达第三阶段气压(3×101～5×101Pa)，对表面轰击清洗10～20分钟。渗氮气体为氨气。
清洗完成后，持续通入渗氮气体，将渗氮设备气压缓慢升至第四阶段气压(5×101～1×102Pa)。等待渗氮设备到达第二阶段温度(100～150℃)，提高渗氮气体的流量，将渗氮设备内提升至第五阶段气压(1×102～1.5×102Pa)，设置第三阶段偏压(650～700V)。等待渗氮设备到达第三阶段温度(150～250℃)，提高渗氮气体的流量，将渗氮设备内提升至第六阶段气压(1.5×102～2×102Pa)。等待渗氮设备到达第四阶段温度(250～300℃)，打开循环冷却水，提高渗氮气体的流量，将渗氮设备内提升至第七阶段气压(2×102～2.5×102Pa)。等待渗氮设备到达第五阶段温度(300～450℃)，提高渗氮气体的流量，将渗氮设备内提升至第八阶段气压(2.5×102～3×102Pa)，设置第四阶段偏压(700～750V)。
等待渗氮设备到达渗氮温度后，开始保温。保温时间到达后，持续通入渗氮气体，调整渗氮设备内到达第九阶段气压(0～3×101Pa)，将占空比和偏压缓慢调至为0，关闭高压开关，关闭温度开关。等待渗氮设备内温度到达第六阶段温度(25～50℃)，停止通入惰性气体，关闭气瓶，关闭机械泵，开启泄压阀，等待渗氮设备内气压到达第十阶段气压(9.8×104～1×105Pa)。打开渗氮设备炉壳，取出渗氮后的工件。
关闭炉壳，关闭泄压阀，开启真空泵，使渗氮设备内处于第十一阶段气压(0～3×101Pa)。关闭机械泵，关闭渗氮设备电源。
(3)酸洗
将将上述处理后的马氏体不锈钢工件进行酸洗(1～2min)，并依次使用无水乙醇和丙酮进行超声清洗(5～10min)，然后烘干(100～150℃)，得到表面洁净的渗氮工件。
(4)磁控溅射
开启镀膜设备电源，开启水冷机电源，开启泄压阀，保证镀膜设备内的气压在第十二阶段气压(9.8×104～1×105Pa)，打开真空室门，将经过上述步骤处理后的工件悬挂在转架上。
关闭真空室门，关闭泄压阀，开启机械泵，开启粗抽阀，将设备抽至第十三阶段气压(1×101～5×101)，关闭粗抽阀，开启前级阀、维持阀和分子泵。等待分子泵电源频率达到(300～400Hz)、电离规管亮起，开启高阀，连接前级和箱体，继续抽真空至第十四阶段气压(0～1×10-3Pa)。
设置第七阶段温度(250～350℃)，打开气瓶，缓慢通入惰性气体，使镀膜设备内到达第十五阶段气压(3×10-1～5×10-1Pa)，设置第五阶段偏压(300～500Pa)。对工件表面进行溅射清洗20～30分钟。
清洗完成后，关闭前级阀，开启粗抽阀，缓慢继续升温至第八阶段温度(350～450℃)，缓慢通入渗氮气体，使镀膜设备内到达第十六阶段气压(0～1×101Pa)，开始第二阶段渗氮处理5～10min。其中渗氮气体为氨气。
沉积Cr层：第二阶段渗氮处理完成后，停止通入渗氮气体，关闭粗抽阀，开启前级阀，开始缓慢通入镀膜气体，使镀膜设备维持在第十七阶段气压(5×10-1～5×100Pa)。设置靶弧电流(60～90A)，设置第六阶段偏压(500～800V)，开启3个Cr靶，沉积时间1～5min。
沉积CrN层：设置第七阶段偏压(100～200V)，设置靶电流(60～90A)，缓慢通入含有N元素的气体，镀膜设备维持在第十八阶段气压(5×10-1～5×100Pa)，沉积(30～90min)。其中，含有N元素的气体为氮气。
沉积CrAlSiN层：开启1个Al-Si合金靶，设置4个靶电流为(70～90A)，设置第八阶段偏压(100～200V)，设备内气压维持在第十九阶段气压(1×10-1～5×100Pa)，沉积60～90min。
沉积CrAlTiSiN层：1)关闭Al-Si合金靶和1个Cr靶，并开启1个Al-Ti-Si合金靶，镀膜设备维持在第二十阶段气压(1×100～5×100Pa)，设置各靶电流为(30～60A)，设置第九阶段偏压(200～300V)，沉积5～10min；2)增大Al-Ti-Si合金靶电流至(60～80A)，并开启1个Al-Ti合金靶，设置Al-Ti合金靶电流为(50～70A)，设置2个Cr靶电流为(30～60A)，沉积0.1～1min；3)Cr靶和Al-Ti-Si合金靶的电流保持不变，降低Al-Ti靶电流到(20～40A)，沉积0.1～1min；之后步骤2)和3)交替进行10～50次；
4)交替沉积完成后，使设备维持在第二十一阶段气压(1×100～5×100Pa)，开启3个Cr靶、1个Al-Ti-Si合金靶和1个Al-Ti合金靶，设置各靶电流在70～90A，设置第十阶段偏压(100～200V)，沉积0.1～1min；5)沉积完成后，关闭1个Cr靶，其他参数保持不变，沉积1～1.5min，之后以调制周期为30～50nm，交替重复以上步骤4)和步骤5)，直至沉积层数为30～50层；6)交替沉积完成后，设置第十一阶段偏压(100～200V)，开启3个Cr靶、1个Al-Ti-Si合金靶和1个Al-Ti合金靶，设置各靶电流在70～90A，沉积时间1～2min；7)沉积完成后，设置第十二阶段偏压(100～200V)，关闭1个Cr靶，其他参数保持不变，沉积时间1～2min。
沉积CrWAlTiN层和WCrAlTiN层：关闭Al-Ti-Si合金靶，在上一步骤基础上，开启2个W靶，1个Cr靶和3个Al-Ti合金靶，使设备维持在第二十二阶段气压(1×100～3×100Pa)，设置各靶的电流为60～90A，设置第十三阶段偏压(200～300V)；之后关闭一个Cr靶，同时再开启一个W靶，使设备维持在第二十三阶段气压(1×100～3×100Pa)，设置各靶的电流为60～90A，设置第十四阶段偏压(200～300V)，沉积60～120min；W靶和Cr靶如此交替沉积40～50层，调制周期为30～50nm。
沉积结束后，关闭所有靶材，关闭偏压，停止加热，继续通入含有N元素的气体，使设备维持在第二十四阶段气压(1×10-3～5×10-1Pa)。等待镀膜设备内达到第九阶段温度(25～50℃)，停止通入含有N元素的气体，关闭气瓶，关闭高阀，关闭前级阀，关闭机械泵，开启泄压阀，打开真空室，取出工件。关闭真空室门，关闭泄压阀，开启机械泵，将设备抽至第二十五阶段气压(1×101～5×101)，开启前级阀，开启高阀，连接前级和箱体，继续抽真空至第二十六阶段气压(0～1×10-3Pa)。关闭高阀，关闭分子泵，关闭维持阀，关闭前级阀，关闭机械泵，关闭电源。
本发明还提供了一种不锈钢复合材料，其采用如上所述的制备方法制得。
具体地，如图3所示，该不锈钢复合材料包括不锈钢基体1、设置在所述不锈钢基体表面的渗氮层2以及设置在所述渗氮层2远离所述不锈钢基体1一侧的WCrAlSiTiN涂层3。
在本申请的一些实施例中，所述WCrAlSiTiN涂层3包括依次沉积在所述渗氮层上的Cr层、CrN层、CrAlSiN层、CrAlTiSiN层及交替层叠设置的CrWAlTiN层和WCrAlTiN层(图中未示出)，其中，所述CrWAlTiN层中Cr元素的含量大于W元素的含量，所述WCrAlTiN层中Cr元素的含量小于W元素的含量。
在本申请的一些实施例中，所述CrAlTiSiN层为多层结构，沿远离所述渗氮层的的方向，所述多层结构包括至少一个第一子层、M个周期交替层叠的第二子层和第三子层、N个周期交替层叠的第四子层和第五子层、至少一个第六子层以及至少一个第七子层，所述第二子层中Al元素和Ti元素的含量大于所述第一子层和第三子层中Al元素和Ti元素的含量，所述第四子层中Cr元素的含量大于所述第五子层中Cr元素的含量。
在本申请的一些实施例中，10≤M≤50，15≤N≤25。
在本申请的一些实施例中，所述CrWAlTiN层和所述WCrAlTiN层交替层叠的周期数为20个～25个。
本申请的不锈钢复合材料包括上述任一技术方案提供的制备方法的全部有效效果，为避免重复，在此不再赘述。
这里需要指出的是：以上不锈钢复合材料的描述，与上述方法实施例的描述是类似的，对于本申请不锈钢复合材料实施例中未披露的技术细节，请参照本申请方法实施例的描述而理解。
实施例1
将2Cr13马氏体不锈钢棒材进行切割得到预处理样品；将上述处理后的2Cr13马氏体不锈钢工件磨平、抛光，得到表面洁净的工件。对经过上述步骤的2Cr13马氏体不锈钢分别使用丙酮、酒精进行两次超声清洗，最后进行吹干处理。
开启渗氮设备电源，开启泄压阀，保证真空室内处于第一阶段气压1×105Pa。开启离子渗氮设备的炉壳，将经过上述步骤的工件放入到真空室内，关闭炉壳。关闭泄压阀，开启机械泵，将真空室内抽至第二阶段气压3×101Pa。开启高压开关，开启温度开关，设置渗氮温度480℃，等待渗氮设备升至第一阶段温度100℃，设置第一阶段偏压600V，缓慢升至第一阶段占空比15％。等待渗氮设备运行稳定，设置第二阶段偏压650V，缓慢升至第二阶段占空比30％，等待渗氮设备稳定后缓慢升至第三阶段占空比52％，等待渗氮设备稳定后缓慢升至第四阶段占空比73％，等待渗氮设备稳定后，打开气瓶开关，通入氨气，调整渗氮设备到达第三阶段气压5×101Pa，对表面轰击清洗20分钟。清洗完成后，持续通入氨气，将渗氮设备气压缓慢升至第四阶段气压1×102Pa。等待渗氮设备到达第二阶段温度100，提高氨气的流量，将渗氮设备内提升至第五阶段气压1.5×102Pa，设置第三阶段偏压700V。等待渗氮设备到达第三阶段温度250℃，提高氨气的流量，将渗氮设备内提升至第六阶段气压2×102Pa。等待渗氮设备到达第四阶段温度300℃，打开循环冷却水，提高氨气的流量，将渗氮设备内提升至第七阶段气压2.5×102Pa。等待渗氮设备到达第五阶段温度400℃，提高氨气的流量，将渗氮设备内提升至第八阶段气压3×102Pa，设置第四阶段偏压750V。等待渗氮设备到达渗氮温度后，开始保温5h。保温时间到达后，持续通入氨气，调整渗氮设备内到达第九阶段气压3×101Pa，将占空比和偏压缓慢调至为0，关闭高压开关，关闭温度开关。等待渗氮设备内温度到达第六阶段温度50℃，停止通入氨气，关闭气瓶，关闭机械泵，开启泄压阀，等待渗氮设备内气压到达第十阶段气压1×105Pa。打开渗氮设备炉壳，取出渗氮后的工件。关闭炉壳，关闭泄压阀，开启真空泵，使渗氮设备内处于第十一阶段气压1×101Pa。关闭机械泵，关闭渗氮设备电源。
将上述处理后的马氏体不锈钢工件使用硝酸-氢氟酸进行酸洗1min，使用酒精进行超声清洗5min，120℃烘干，得到表面洁净的渗氮工件。
开启镀膜设备电源，开启水冷机电源，开启泄压阀，保证镀膜设备内的气压在第十二阶段气压1×105Pa，打开真空室门，将经过上述步骤处理后的工件悬挂在转架上。关闭真空室门，关闭泄压阀，开启机械泵，开启粗抽阀，将设备抽至第十三阶段气压3×101，关闭粗抽阀，开启前级阀、维持阀和分子泵。等待分子泵电源频率达到400Hz、电离规管亮起，开启高阀，连接前级和箱体，继续抽真空至第十四阶段气压1×10-3Pa。
设置第七阶段温度350℃，打开气瓶，缓慢通入氩气，使镀膜设备内到达第十五阶段气压3×10-1Pa，设置第五阶段偏压500Pa。对工件表面进行溅射清洗20分钟。清洗完成，关闭前级阀，开启粗抽阀，缓慢继续升温至第八阶段温度450℃，缓慢通入氨气，使镀膜设备内到达第十六阶段气压1×101Pa，开始第二阶段渗氮处理5～10min。第二阶段渗氮处理完成后，停止通入氨气，使镀膜设备维持在第十七阶段气压2×100Pa。设置靶弧电流70A，设置第六阶段偏压800V，开启3个Cr靶，沉积时间4min。
设置第七阶段偏压140V，设置靶电流80A，开始缓慢通入氮气，镀膜设备维持在第十八阶段气压3×100Pa，沉积70min。
开启1个Al-Si合金靶，设置4个靶电流为80A，设置第八阶段偏压130V，设备内气压维持在第十九阶段气压4×100Pa，沉积75min。
关闭1个Cr靶，开启1个Al-Ti-Si合金靶，镀膜设备维持在第二十阶段气压1.5×100Pa，设置各靶电流为55A，设置第九阶段偏压200V，沉积5min，增大Al-Ti-Si合金靶电流为75A，开启1个Al-Ti合金靶，设置Al-Ti合金靶电流为60A，设置2个Cr靶电流为55A，沉积0.6min。Cr靶和Al-Ti-Si合金靶的电流保持不变，降低Al-Ti靶电流到35A，沉积0.8min。其他靶电流保持不变，只改变Al-Ti合金靶电流，此段操作反复交替沉积共30层。
沉积完成后，使设备维持在第二十一阶段气压4×100Pa，开启3个Cr靶、1个Al-Ti-Si合金靶和1个Al-Ti合金靶，设置各靶电流在80A，设置第十阶段偏压150V，沉积0.8min。沉积完成后，关闭1个Cr靶，其他参数保持不变，沉积1.1min。以调制周期为35nm，交替重复以上步骤，直至沉积层数为43层，之后开启3个Cr靶、1个Al-Ti-Si合金靶和1个Al-Ti合金靶，设置各靶电流在80A，设置第十一阶段偏压160V，沉积时间1min；之后，关闭一个Cr靶，其他参数保持不变，设置第十二阶段偏压160V，沉积时间1min。
关闭Al-Ti-Si合金靶，开启2个W靶，1个Cr靶和3个Al-Ti合金靶，使设备维持在第二十二阶段气压1.5×100Pa，设置各靶的电流为75A，设置第十三阶段偏压250V；关闭一个Cr靶，同时再开启一个W靶，使设备维持在第二十三阶段气压1.5×100Pa，设置各靶的电流为75A，设置第十四阶段偏压150V，沉积100min；W靶和Cr靶如此交替沉积工50层，调制周期为30nm。
沉积结束后，关闭所有靶材，关闭偏压，停止加热，继续通入氮气，使设备维持在第二十四阶段气压5×10-2Pa。等待镀膜设备内达到第九阶段温度50℃，停止通入氮气，关闭气瓶，关闭高阀，关闭前级阀，关闭机械泵，开启泄压阀，打开真空室，取出工件。关闭真空室门，关闭泄压阀，开启机械泵，将设备抽至第二十五阶段气压1×101，开启前级阀，开启高阀，连接前级和箱体，继续抽真空至第二十六阶段气压1×10-3Pa。关闭高阀，关闭分子泵，关闭维持阀，关闭前级阀，关闭机械泵，关闭电源。
实施例2
将2Cr13马氏体不锈钢棒材进行切割得到预处理样品；将上述处理后的2Cr13马氏体不锈钢工件磨平、抛光，得到表面洁净的工件。对经过上述步骤的2Cr13马氏体不锈钢分别使用丙酮、酒精进行两次超声清洗，最后进行吹干处理。
开启渗氮设备电源，开启泄压阀，保证真空室内处于第一阶段气压1×105Pa。开启离子渗氮设备的炉壳，将经过上述步骤的工件放入到真空室内，关闭炉壳。关闭泄压阀，开启机械泵，将真空室内抽至第二阶段气压3×101Pa。开启高压开关，开启温度开关，设置渗氮温度440℃，等待渗氮设备升至第一阶段温度100℃，设置第一阶段偏压600V，缓慢升至第一阶段占空比15％。等待渗氮设备运行稳定，设置第二阶段偏压650V，缓慢升至第二阶段占空比30％，等待渗氮设备稳定后缓慢升至第三阶段占空比52％，等待渗氮设备稳定后缓慢升至第四阶段占空比73％，等待渗氮设备稳定后，打开气瓶开关，通入氨气，调整渗氮设备到达第三阶段气压5×101Pa，对表面轰击清洗20分钟。清洗完成后，持续通入氨气，将渗氮设备气压缓慢升至第四阶段气压1×102Pa。等待渗氮设备到达第二阶段温度100，提高氨气的流量，将渗氮设备内提升至第五阶段气压1.5×102Pa，设置第三阶段偏压700V。等待渗氮设备到达第三阶段温度250℃，提高氨气的流量，将渗氮设备内提升至第六阶段气压2×102Pa。等待渗氮设备到达第四阶段温度300℃，打开循环冷却水，提高氨气的流量，将渗氮设备内提升至第七阶段气压2.5×102Pa。等待渗氮设备到达第五阶段温度400℃，提高氨气的流量，将渗氮设备内提升至第八阶段气压3×102Pa，设置第四阶段偏压750V。等待渗氮设备到达渗氮温度后，开始保温5h。保温时间到达后，持续通入氨气，调整渗氮设备内到达第九阶段气压3×101Pa，将占空比和偏压缓慢调至为0，关闭高压开关，关闭温度开关。等待渗氮设备内温度到达第六阶段温度50℃，停止通入氨气，关闭气瓶，关闭机械泵，开启泄压阀，等待渗氮设备内气压到达第十阶段气压1×105Pa。打开渗氮设备炉壳，取出渗氮后的工件。关闭炉壳，关闭泄压阀，开启真空泵，使渗氮设备内处于第十一阶段气压1×101Pa。关闭机械泵，关闭渗氮设备电源。
将上述处理后的马氏体不锈钢工件使用硝酸-氢氟酸进行酸洗1min，使用无水乙醇进行超声清洗5min，120℃烘干，得到表面洁净的渗氮工件。
开启镀膜设备电源，开启水冷机电源，开启泄压阀，保证镀膜设备内的气压在第十二阶段气压1×105Pa，打开真空室门，将经过上述步骤处理后的工件悬挂在转架上。关闭真空室门，关闭泄压阀，开启机械泵，开启粗抽阀，将设备抽至第十三阶段气压3×101，关闭粗抽阀，开启前级阀、维持阀和分子泵。等待分子泵电源频率达到400Hz、电离规管亮起，开启高阀，连接前级和箱体，继续抽真空至第十四阶段气压1×10-3Pa。
设置第七阶段温度350℃，打开气瓶，缓慢通入氩气，使镀膜设备内到达第十五阶段气压3×10-1Pa，设置第五阶段偏压500Pa。对工件表面进行溅射清洗20分钟。清洗完成，关闭前级阀，开启粗抽阀，缓慢继续升温至第八阶段温度450℃，缓慢通入氨气，使镀膜设备内到达第十六阶段气压1×101Pa，开始第二阶段渗氮处理5～10min。第二阶段渗氮处理完成后，停止通入氨气，使镀膜设备维持在第十七阶段气压2×100Pa。设置靶弧电流70A，设置第六阶段偏压800V，开启3个Cr靶，沉积时间4min。
设置第七阶段偏压140V，设置靶电流80A，,开始缓慢通入氮气，镀膜设备维持在第十八阶段气压3×100Pa，沉积70min。
开启1个Al-Si合金靶，设置4个靶电流为80A，设置第八阶段偏压130V，设备内气压维持在第十九阶段气压4×100Pa，沉积75min。
关闭1个Cr靶，开启1个Al-Ti-Si合金靶，镀膜设备维持在第二十阶段气压1.5×100Pa，设置各靶电流为55A，设置第九阶段偏压200V，沉积5min，增大Al-Ti-Si合金靶电流为75A，开启1个Al-Ti合金靶，设置Al-Ti合金靶电流为60A，设置2个Cr靶电流为55A，沉积0.6min。Cr靶和Al-Ti-Si合金靶的电流保持不变，降低Al-Ti靶电流到35A，沉积0.8min。其他靶电流保持不变，只改变Al-Ti合金靶电流，此段操作反复交替沉积共30层。
沉积完成后，使设备维持在第二十一阶段气压4×100Pa，开启3个Cr靶、1个Al-Ti-Si合金靶和1个Al-Ti合金靶，设置各靶电流在80A，设置第十阶段偏压150V，沉积0.8min。沉积完成后，关闭1个Cr靶，其他参数保持不变，沉积1.1min。以调制周期为35nm，交替重复以上步骤，直至沉积层数为43层，之后开启3个Cr靶、1个Al-Ti-Si合金靶和1个Al-Ti合金靶，设置各靶电流在80A，设置第十一阶段偏压160V，沉积时间1min；关闭一个Cr靶，其他参数保持不变，设置第十二阶段偏压160V，沉积时间1min。
关闭Al-Ti-Si合金靶，开启2个W靶，1个Cr靶和3个Al-Ti合金靶，使设备维持在第二十二阶段气压1.5×100Pa，设置各靶的电流为75A，设置第十三阶段偏压250V；关闭一个Cr靶，同时再开启一个W靶，使设备维持在第二十三阶段气压1.5×100Pa，设置各靶的电流为75A，设置第十四阶段偏压150V，沉积100min；W靶和Cr靶如此交替沉积共50层，调制周期为30nm。
沉积结束后，关闭所有靶材，关闭偏压，停止加热，继续通入氮气，使设备维持在第二十四阶段气压5×10-2Pa。等待镀膜设备内达到第九阶段温度50℃，停止通入氮气，关闭气瓶，关闭高阀，关闭前级阀，关闭机械泵，开启泄压阀，打开真空室，取出工件。关闭真空室门，关闭泄压阀，开启机械泵，将设备抽至第二十五阶段气压1×101，开启前级阀，开启高阀，连接前级和箱体，继续抽真空至第二十六阶段气压1×10-3Pa。关闭高阀，关闭分子泵，关闭维持阀，关闭前级阀，关闭机械泵，关闭电源。
对比例1
参照实施例1的方法制备不锈钢复合材料，不同之处在于，酸洗之后不进行磁控溅射处理。
对比例2
参照实施例2的方法制备不锈钢复合材料，不同之处在于，酸洗之后不进行磁控溅射处理。
对比例3
参照实施例1的方法制备不锈钢复合材料，不同之处在于，2Cr13马氏体不锈钢棒材进行切割、磨平、抛光、超声清洗和吹干处理后直接进行磁控溅射，不进行第一渗氮处理和酸洗处理。
实施例1和2及对比例1-3所制备的不锈钢复合材料的性能测试
图4为所制备的不锈钢复合材料的XRD图谱。其中，为进行比较，同时以未经处理的2Cr13马氏体不锈钢棒材作为对比，其中，Untreaed表示未处理样品、HPN+C表示实施例1所得样品，LPN+C表示实施例2所得样品，HPN表示对比例1所得样品，LPN表示对比例2所得样品，Coating表示对比例3所得样品。
Untreaed样品主要由α-Fe相组成。Coating样品在Untreated样品所含有相的基础上，出现了CrN相、W2N相、TiN相、AlN相。LPN样品与Untreated样品相比，原来的α-Fe对应的衍射峰消失，ε-Fe2-3N相、γ'-Fe4N相和αN相所对应的衍射峰占据主导地位。αN相的存在可以使其具有较高的硬度和良好地耐腐蚀性能。就HPN样品来说，除了含有ε-Fe2-3N相、γ'-Fe4N相和αN相等低温渗氮样品所含有的相之外，还析出了少量的CrN相。
图5为光学显微镜下不同样品的横截面形貌图。Coating样品的横截面图中可以看出，有一层厚度较薄、均匀致密的涂层沉积在基体表面。对比LPN样品和HPN样品的横截面可以发现，随着温度的升高，样品表面的化合物和扩散层的厚度增加。从LPN+C样品和HPN+C样品的横截面形貌图可以发现，样品横截面由较厚的氮化层和一层比较薄的涂层组成，氮化层与涂层之间有明显的分界。
图6为所制备的不锈钢复合材料的硬度值，其中硬度值采用维氏硬度计测定。可以看出，基体的表面硬度仅有223HV0.1，LPN和HPN的表面硬度分别达到1284HV0.1和1087HV0.1，是原始基体的近6倍。Coating样品的表面硬度约为526HV0.1，仅仅是原始样品的2.4倍。LPN+C样品和HPN+C样品的表面显微硬度分别约为2064HV0.1和2111HV0.1，硬度约为原始基体的10倍，这是因为经过渗氮处理的样品具有更厚更致密的氮化物层，并且较高的表面硬度给了涂层更好的支撑力，使涂层的硬度得以体现。
对LPN、HPN、LPN+C和HPN+C样品分别施加100g负载载荷进行断面硬度梯度分析，如图7所示。结果表明，HPN样品和LPN样品的氮化层厚度分别约为194.013μm和93.375μm。
图8为不同样品在海水溶液中进行电化学腐蚀测试的极化曲线，Untreated样品具有较低的自腐蚀电位、较高的自腐蚀电流密度和腐蚀速率，Untreated样品的耐腐蚀能力较差。LPN的极化曲线自腐蚀电位向正极发生移动，但是腐蚀电流密度和腐蚀速率却增加。HPN的极化曲线呈现出较宽的钝化区，与Untreated样品相比，自腐蚀电位向负极移动，腐蚀电流密度升高，腐蚀速率增加，耐腐蚀性下降，这可能是由于在高温条件下，CrN的析出导致的。Coating样品的极化曲线并未表现出明显的钝化现象，自腐蚀电位向阳极移动，腐蚀电流密度和腐蚀速率下降，表现出优秀的耐腐蚀性。LPN+C样品自腐蚀电位均升高，腐蚀电流密度和腐蚀速率下降，呈现出优秀腐蚀性能。HPN+C样品的自腐蚀电位相比Untreated样品和HPN样品上升，腐蚀电流密度和腐蚀速率下降，耐腐蚀性能提高。
图9是通过光学显微镜(500倍)观察不同样品电化学腐蚀后的表面形貌。Untreated样品的耐腐蚀性能最差，表面已经被腐蚀出多个密集而明显的坑洞。Coating样品表面出现长条状的腐蚀沟壑，而且部分涂层已经发生溶解，这种现象主要是因为Cl-侵入涂层表面的缺陷而产生的腐蚀现象。LPN样品呈现出较好的腐蚀形貌，样品的表面只出现较浅的点状腐蚀坑。HPN样品虽然相比LPN样品腐蚀坑数量少，但是腐蚀介质的扩散程度更深，。HPN+C和LPN+C样品呈现出不错的耐腐蚀能，坑洞小而浅，说明涂层的存在可以很好地保护基体。腐蚀坑洞比较密集，这可能是由于沉积在表面的涂层在缺陷位置发生了腐蚀，出现点蚀现象，但是渗氮层的存在有效地阻止腐蚀介质的扩散和涂层中的电荷转移，降低了腐蚀电流密度和腐蚀速率。
图10为不同样品在海水溶液中进行电化学腐蚀测试的EIS图谱，Untreated样品呈现单容抗弧特征，经过处理的样品容抗弧半径均有所增加，说明阻抗增加，腐蚀速率降低，耐腐蚀性增加。其中，LPN+C样品的容抗弧半径最大，耐腐蚀性最好，Coating样品次之。
由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：
采用本发明的制备方法所得到不锈钢复合材料能够有效改善马氏体不锈钢表面的综合性能，包括力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能；通过渗氮层不仅可以提高不锈钢基体的耐腐蚀性和耐磨性，而且可以通过提高不锈钢基体的强度使不锈钢基体与WCrAlSiTiN涂层具有良好的硬度匹配性，提升涂层与不锈钢基体的结合强度，确保涂层使用寿命，通过沉积的WCrAlSiTiN涂层，能够使不锈钢硬度、耐磨性和耐腐蚀性得到进一步改善，硬度可达到2000HV0.1以上，自腐蚀电流密度较低，延长了采用不锈钢作为材料的仪器设备在海洋等高盐高湿度环境中的使用寿命，整个不锈钢表面沉积的涂层结构简单，操作方便。
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种不锈钢复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
对不锈钢基体进行第一渗氮处理，使所述不锈钢基体表面形成渗氮层；
对形成有所述渗氮层的不锈钢基体进行酸洗，之后清洗烘干；
对经过酸洗处理后的不锈钢基体进行磁控溅射，以在所述渗氮层的表面形成WCrAlSiTiN涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一渗氮处理的渗氮温度为350℃～480℃；所述第一渗氮处理的渗氮气体为氨气。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对形成有所述渗氮层的不锈钢基体进行酸洗，之后清洗烘干，包括：
用酸性溶液对形成有所述渗氮层的不锈钢基体浸洗1min～2min，然后采用无水乙醇和/或丙酮进行超声清洗5min～10min，之后于100～150℃下烘干；
所述酸性溶液为硝酸和氢氟酸的混合溶液。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对经过酸洗处理后的不锈钢基体进行磁控溅射，以在所述渗氮层的表面形成WCrAlSiTiN涂层，包括：
沉积Cr层：开启Cr靶，在所述渗氮层上沉积所述Cr层，Cr靶电流为60A～90A，负偏压为500V～800V，沉积时间为1min～5min；
沉积CrN层：向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶，Cr靶电流为60A～90A，负偏压为100V～200V，沉积时间为30min～90min；
沉积CrAlSiN层：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶和AlSi靶，Cr靶和AlSi靶电流均为70A～90A，负偏压为100V～200V，沉积时间为30min～90min；
沉积CrAlTiSiN层：继续向溅射腔内通入氮气，使用Cr靶、AlTiSi靶和AlTi靶在所述CrAlSiN层上沉积所述CrAlTiSiN层；
沉积CrWAlTiN层：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启W靶、Cr靶和AlTi靶，各靶电流均为60A～90A，负偏压为200V～300V，沉积时间为60min～120min，其中所开启的Cr靶的数量大于W靶的数量；
沉积WCrAlTiN层：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启W靶、Cr靶和AlTi靶，各靶电流均为60A～90A，负偏压为200V～300V，沉积时间为60min～120min，其中所开启的Cr靶的数量小于W靶的数量；
交替进行所述沉积CrWAlTiN层的步骤和所述沉积WCrAlTiN层的步骤预设次数。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述沉积CrAlTiSiN层的步骤，具体包括：
步骤1：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶和AlTiSi靶沉积第一子层，Cr靶和AlTiSi靶电流均为30A～60A，负偏压为200V～300V，沉积时间为5min～10min；
步骤2：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶、AlTiSi靶和AlTi靶沉积第二子层，Cr靶电流为30A～60A，Al-Ti-Si靶电流为60A～80A，Al-Ti靶电流为50A～70A，负偏压为200V～300V，沉积时间为0.1min～1min；
步骤3：在步骤2的基础上，将AlTi靶电流降低至20A～40A，其他各靶电流保持不变，于负偏压为200V～300V下沉积第三子层，沉积时间为0.1min～1min；
交替进行所述步骤2和所述步骤3预设次数；
步骤4：继续向溅射腔内通入氮气，同时开启Cr靶、Al-Ti-Si靶和Al-Ti靶沉积第四子层，各靶电流均为70A～90A，负偏压为100V～200V，沉积时间为0.1min～1min；
步骤5：在步骤4的基础上，减少所开启的Cr靶的数量，各靶电流保持不变，于负偏压为100V～200V下沉积第五子层，沉积时间为0.1min～1min；
交替进行所述步骤4和所述步骤5预设次数；
步骤6：在步骤4的基础上，将沉积时间设为1min～2min，沉积第六子层；
步骤7：在步骤5的基础上，将沉积时间设为1min～2min，沉积第七子层。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备Cr膜层的步骤中，在所述渗氮层上沉积所述Cr层之前，还包括：
向所述溅射腔中通入渗氮气体以对形成有所述渗氮层的不锈钢基体进行第二渗氮处理；
所述第二渗氮处理的渗氮温度为350℃～480℃；所述第二渗氮处理的渗氮气体为氨气；所述第二渗氮处理的渗氮时间为5min～10min。
7.一种不锈钢复合材料，其特征在于，包括：
不锈钢基体；
设置在所述不锈钢基体表面的渗氮层；以及
设置在所述渗氮层远离所述不锈钢基体一侧的WCrAlSiTiN涂层。
8.根据权利要求7所述的不锈钢复合材料，其特征在于，所述WCrAlSiTiN涂层包括依次沉积在所述渗氮层上的Cr层、CrN层、CrAlSiN层、CrAlTiSiN层及交替层叠设置的CrWAlTiN层和WCrAlTiN层，其中，所述CrWAlTiN层中Cr元素的含量大于W元素的含量，所述WCrAlTiN层中Cr元素的含量小于W元素的含量。
9.根据权利要求8所述的不锈钢复合材料，其特征在于，所述CrAlTiSiN层为多层结构，沿远离所述渗氮层的的方向，所述多层结构包括至少一个第一子层、M个周期交替层叠的第二子层和第三子层、N个周期交替层叠的第四子层和第五子层、至少一个第六子层以及至少一个第七子层，所述第二子层中Al元素和Ti元素的含量大于所述第一子层和第三子层中Al元素和Ti元素的含量，所述第四子层中Cr元素的含量大于所述第五子层中Cr元素的含量。
10.根据权利要求9所述的不锈钢复合材料，其特征在于，10≤M≤50，15≤N≤25；和/或，
所述CrWAlTiN层和所述WCrAlTiN层交替层叠的周期数为20个～25个。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310477906.1A CN116555716A (zh) | 2023-04-24 | 2023-04-24 | 不锈钢复合材料及不锈钢复合材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310477906.1A CN116555716A (zh) | 2023-04-24 | 2023-04-24 | 不锈钢复合材料及不锈钢复合材料的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116555716A true CN116555716A (zh) | 2023-08-08 |
Family
ID=87501072
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310477906.1A Pending CN116555716A (zh) | 2023-04-24 | 2023-04-24 | 不锈钢复合材料及不锈钢复合材料的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116555716A (zh) |
-
2023
- 2023-04-24 CN CN202310477906.1A patent/CN116555716A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113073293B (zh) | 一种改善e690钢摩擦学性能的结构及方法 | |
| KR20010104660A (ko) | 비정질 경질 탄소막, 기계부품, 및 비정질 경질 탄소막의제조방법 | |
| CN110894605A (zh) | 耐腐蚀碳基涂层 | |
| CN106544631A (zh) | 一种基体表面的碳化铬多层梯度复合涂层及其制备方法 | |
| CN108728793A (zh) | 一种强韧耐蚀CrAlN/Cr2AlC多层膜涂层及其制备方法 | |
| CN105220120B (zh) | 一种多层复合类富勒烯薄膜在汽车发动机上产业化的方法 | |
| CN1066781C (zh) | 滑动部件及其制造方法 | |
| KR20150077451A (ko) | 코팅을 가진 부품 및 이의 제조방법 | |
| CN113584438B (zh) | 一种周期性多层结构涂层带锯条及其制备方法和应用 | |
| CN110117774A (zh) | 一种tc4钛合金表面涂层及其制备方法和tc4钛合金产品 | |
| CN112210756B (zh) | 一种铁基合金表面强耐蚀性高铬复合渗氮层的制备方法 | |
| CN113512710A (zh) | 一种45钢表面CrN-Cr梯度涂层及其制备方法与应用 | |
| CN116555716A (zh) | 不锈钢复合材料及不锈钢复合材料的制备方法 | |
| CN112941463B (zh) | 一种纳米多层氧氮化物耐蚀防护涂层及其制备方法和应用 | |
| CN114182213A (zh) | 一种钛合金耐磨抗氧化复合涂层及其制备方法 | |
| CN112708859A (zh) | 一种具有减摩抗磨的CrAlVN涂层的刀具及其制备方法 | |
| CN113463096A (zh) | 一种绳轮表面TD-Cr/PVD-CrN耐磨涂层及其制备方法 | |
| KR100923291B1 (ko) | 에어컴프레서용 베인의 저온 질화 및 디엘씨 코팅방법 | |
| CN117802452A (zh) | 一种Ti/TiN/(TiN+TiAlN)/TiAlN纳米复合涂层及其制备方法 | |
| Danisman et al. | The effect of ceramic coatings on corrosion and wear behaviour | |
| CN115961259B (zh) | 一种强韧耐蚀max相多层复合涂层及其制备方法与应用 | |
| CN114875360B (zh) | 一种抗高温氧化的NiAl/AlSiON多层复合涂层及制备方法 | |
| US20220243318A1 (en) | Coated forming tools with enhanced performance and increased service life | |
| CN116770218A (zh) | 一种金属表面高耐磨耐蚀复合强化层及其制备方法 | |
| CN117070896A (zh) | 一种Cr/CrN/CrN-TiAlN/TiAlN-CrAlN/CrAlN纳米陶瓷复合涂层及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |