TWI418643B - 被覆件及其製造方法 - Google Patents

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被覆件及其製造方法
本發明涉及一種被覆件及其製造方法。
碳纖維由於其具有低密度、高強度、高模量、低熱膨脹係數、耐腐蝕、易編織加工以及較好的熱、電性能等優良特性被廣泛用於航天航空、建築及電子元器件製造等領域。然，碳纖維的抗氧化性能較差，且與金屬、聚合物複合材料的潤濕性不佳，大大限制了碳纖維材料在上述領域的應用。
習知技術利用化學氣相沉積技術(CVD)將碳纖維(Cf)與ZrB2相結合形成Cf/ZrB2複合材料，該種Cf/ZrB2複合材料具有優良的機械性能及韌性，然其高溫抗氧化性較差。
貴金屬銥(Ir)熔點2443℃，因飽和蒸氣壓低、氧滲透率低而具有優良的高溫抗氧化性能，係唯一在1600℃以上的空氣中仍具有很好機械性能的金屬。由於碳纖維與銥塗層之間潤濕性較差，沉積於碳纖維材料上的銥塗層經高溫處理後會產生大量裂紋，因此所述銥塗層的高溫抗氧化性及抗熱震性能較差。
鑒於此，提供一種有效解決上述問題的被覆件。
另外，還提供一種上述被覆件的製造方法。
一種被覆件，包括基體、依次形成於該基體上的鉻滲入層、鉻層及銥層，該基體材質為碳纖維/ZrB2複合材料，所述鉻滲入層係在所述鉻層的形成過程中，鉻層與基體介面處的金屬鉻向基體內擴散而形成。
一種被覆件的製造方法，包括以下步驟：提供基體，該基體材質為碳纖維/ZrB2複合材料；以鉻靶為靶材，於所述基體表面磁控濺射鉻層，濺射溫度為100~200℃，濺射時間為150~250min；在磁控濺射該鉻層的過程中，該鉻層與基體介面處的金屬鉻向基體擴散，於基體與鉻層之間形成鉻滲入層；以銥靶為靶材，於所述鉻層上磁控濺射形成銥層。
所述鉻層的形成可提高所述銥層與基體之間的結合力，使被覆件經高溫處理後銥層不易剝落或裂紋，如此可提高所述銥層的高溫抗氧化性能。此外，藉由上述製造方法形成的銥層幾乎無針孔、具有良好的緻密性，如此可進一步提高所述銥層的抗氧化性。
所述銥層還具有良好的抗熱震性能，主要有如下兩方面的原因：一方面，由於所述鉻層從由靠近該基體至遠離該基體的方向呈梯度過渡，沒有成分和力學性能的突變；另一方面，所述銥層與鉻層之間過渡較好，沒有成分和力學性能的突變。
故，所述被覆件具有良好的高溫抗氧化性及抗熱震性。
10‧‧‧被覆件
11‧‧‧基體
13‧‧‧鉻滲入層
15‧‧‧鉻層
17‧‧‧銥層
100‧‧‧鍍膜機
20‧‧‧鍍膜室
30‧‧‧真空泵
21‧‧‧軌跡
22‧‧‧第一靶材
23‧‧‧第二靶材
24‧‧‧氣源通道
圖1為本發明較佳實施例的被覆件的剖視圖；圖2為製造圖1中鍍膜件所用真空鍍膜機的示意圖。
請參閱圖1，本發明一較佳實施例的被覆件10包括基體11、依次形成於該基體11上的鉻滲入層13、鉻層15及銥層17。該被覆件10可為渦輪葉片、噴嘴等航天航空機械零部件，亦可為建築、電子及汽車等交通工具的零部件。該基體11的材質為碳纖維/ZrB2複合材料。
所述鉻層15及銥層17均可藉由磁控濺射鍍膜法形成。所述鉻層15的厚度為2~3.5μm。所述銥層17的厚度為2~3.5μm。
所述鉻滲入層13係在所述鉻層15的形成過程中，鉻層15與基體11介面處的金屬鉻向基體11內擴散而形成。所述鉻滲入層13包括碳纖維(Cf)、ZrB2陶瓷相、Cr金屬相及Cr-C相。
本發明一較佳實施例的製造所述被覆件10的方法主要包括如下步驟：提供基體11，該基體11的材質為碳纖維/ZrB2複合材料。
請參閱圖2，提供一真空鍍膜機100，將所述基體11置於該真空鍍膜機100內進行電漿清洗，以進一步去除基體11表面的油污，以及改善基體11表面與後續塗層的結合力。
該鍍膜機100包括一鍍膜室20及與鍍膜室20相連接的一真空泵30，真空泵30用以對鍍膜室20抽真空。該鍍膜室20內設有轉架(未 圖示)、二第一靶材22及二第二靶材23。轉架帶動基體11沿圓形軌跡21運行，且基體11在沿軌跡21運行時亦自轉。二第一靶材22與二第二靶材23關於軌跡21的中心對稱設置，且二第一靶材22相對地設置在軌跡21的內外側，二第二靶材23相對地設置在軌跡21的內外側。每一第一靶材22及每一第二靶材23的兩端均設有氣源通道24，氣體經該氣源通道24進入所述鍍膜室20中。當基體11穿過二第一靶材22之間時，將鍍上第一靶材22表面濺射出的粒子，當基體11穿過二第二靶材23之間時，將鍍上第二靶材23表面濺射出的粒子。本實例中，所述第一靶材22為鉻靶，所述第二靶材23為銥靶。
該電漿清洗的具體操作及工藝參數為：如圖2所示，基體11安裝於鍍膜室20內，真空泵30對所述鍍膜室20進行抽真空處理至真空度為8.0×10-3Pa，然後以300~500sccm(標準狀態毫升/分鐘)的流量向鍍膜室20內通入純度為99.999%的氬氣，並施加-500~-800V的偏壓於基體11，對基體11表面進行電漿清洗，清洗時間為5~15min。
在對基體11進行電漿清洗後，於該基體11上形成鉻層15。形成該鉻層15的具體操作及工藝參數如下：以氬氣為工作氣體，調節氬氣流量為20~150sccm，於基體11上施加-100~-300V的偏壓，並加熱鍍膜室20至100~200℃(即鍍膜溫度為100~200℃)；開啟已安裝於該鍍膜機內的第一靶材22的電源，設置其功率為2~5kw，沉積鉻層15。沉積該鉻層15的時間為150~250min。
在形成所述鉻層15的過程中，由於鉻金屬與碳纖維/ZrB2複合材 料之間具有良好的潤濕性，所述鉻層15與基體11介面處的金屬鉻向基體11內擴散，形成包括碳纖維(Cf)、ZrB2陶瓷相、Cr金屬相及Cr-C相的鉻滲入層13。該鉻滲入層13提高了鉻層15與基體11之間的結合力。
於該鉻層15上形成銥層17，形成所述銥層17的具體操作及工藝參數如下：關閉所述第一靶材22的電源，保持所述氬氣的流量、施加於基體11的偏壓及鍍膜溫度不變，開啟已安裝於所述鍍膜室20內第二靶材23的電源，設置其功率為2~5kw，於所述鉻層15上沉積銥層17。沉積該銥層17的時間為150~250min。
在磁控濺射所述形成銥層17的過程中，銥金屬將擴散至所述鉻層15的表層內，如此使銥層17與鉻層15之間過渡較好，沒有成分和力學性能的突變。
本發明較佳實施例被覆件10的製造方法，先於基體11上磁控濺射形成鉻層15，再於所述鉻層15上形成銥層17。所述鉻層15的形成可提高所述銥層17與基體11之間的結合力，使被覆件10經高溫處理後銥層17不易剝落或裂紋，如此可提高所述銥層17的高溫抗氧化性能。此外，藉由上述製造方法形成的銥層17幾乎無針孔、具有良好的緻密性，如此可進一步提高所述銥層17的抗氧化性。
所述銥層17還具有良好的抗熱震性能，主要有如下兩方面的原因：一方面，由於所述鉻層15由靠近該基體11至遠離該基體11的方向呈梯度過渡，沒有成分和力學性能的突變；另一方面，所述銥層17與鉻層15之間過渡較好，沒有成分和力學性能的突變。
故，所述被覆件10具有良好的高溫抗氧化性及抗熱震性。
10‧‧‧被覆件
11‧‧‧基體
13‧‧‧鉻滲入層
15‧‧‧鉻層

Claims (8)

  1. 一種被覆件，其改良在於：所述被覆件包括基體、依次形成於該基體上的鉻滲入層、鉻層及銥層，該基體的材質為碳纖維/ZrB2複合材料，所述鉻滲入層係在所述鉻層的形成過程中，鉻層與基體介面處的金屬鉻向基體內擴散而形成。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之被覆件，其中所述鉻層及銥層均藉由磁控濺射鍍膜法形成。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之被覆件，其中所述鉻層的厚度為2~3.5μm，所述銥層的厚度為2~3.5μm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之被覆件，其中所述鉻滲入層包括碳纖維、ZrB2陶瓷相、Cr金屬相及Cr-C相。
  5. 一種被覆件的製造方法，包括以下步驟：提供基體，該基體的材質為碳纖維/ZrB2複合材料；以鉻靶為靶材，於所述基體表面磁控濺射鉻層，濺射溫度為100~200℃，濺射時間為150~250min；在磁控濺射該鉻層的過程中，該鉻層與基體介面處的金屬鉻向基體擴散，於基體與鉻層之間形成鉻滲入層；以銥靶為靶材，於所述鉻層上磁控濺射形成銥層。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之被覆件的製造方法，其中磁控濺射形成所述鉻層的工藝參數為：以氬氣為工作氣體，氬氣流量為20~150sccm，施加於基體上的偏壓為-100~-300V，鉻靶的電源功率為2~5kw。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之被覆件的製造方法，其中磁控濺射形成所述銥層的工藝參數為：以氬氣為工作氣體，氬氣流量為20~150sccm，施加於基體上的偏壓為-100~-300V，銥靶的電源功率為2~5kw，鍍膜溫度為100~200℃，鍍膜時間為150~250min。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之被覆件的製造方法，其中所述被覆件的製造方法還包括在進行磁控濺射所述鉻層前對所述基體進行超聲波清洗及電漿清洗的步驟。
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