一种用于γ-AlTi合金防护的耐高温熔盐腐蚀纳米多层复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于γ‑AlTi合金防护的耐高温熔盐腐蚀纳米多层复合涂层及其制备方法。所述涂层包括在基体表面依次设置元素和应力渐变结构的AlCrON缓冲层和纳米多层复合层，所述纳米多层复合层包括在AlCrON缓冲层表面依次交替设置的AlCrSiYN功能层和MoSiB扩散阻挡层。本发明专利技术提供的纳米多层复合涂层以双重渐变结构AlCrON涂层为缓冲层，提高了基体与涂层之间的结合力，通过交替设置的AlCrSiN功能层和MoSiB层，打断了主功能层的柱状生长模式，阻断高温下元素扩散通道，提高了抗机械磨损性能和抗高温熔盐腐蚀性能，抑制了金属重离子腐蚀和析出，对于γ‑AlTi合金的高温防护性能大幅度提高。

【技术实现步骤摘要】
一种用于γ-AlTi合金防护的耐高温熔盐腐蚀纳米多层复合涂层及其制备方法
本专利技术属于硬质涂层
，具体涉及一种用于γ-AlTi合金防护的耐高温熔盐腐蚀纳米多层复合涂层及其制备方法。
技术介绍
γ-TiAl合金低密度、高比强度、高比模量、较高的高温强度与刚度、良好的抗蠕变能力，使其成为航天、航空及航海领域中耐热结构件中极具竞争力的结构材料。γ-TiAl合金中A1含量己经高达50at.%仍无法发生A1的优先选择性氧化生成致密连续的A12O3保护膜，在高温空气中只能生成TiO2与A12O3混合膜，而TiO2膜是一种疏松的结构，使其抗高温氧化性严重不足。飞机或轮船的发动机等高温设备，前端部件温度较高，近海工作会附着大量腐蚀性盐类，那么表面覆盖一层较薄的离子态熔盐，这就导致了高温熔盐腐蚀，缩短了部件的使用寿命。γ-TiAl合金高温腐蚀性能不足已经极大地限制了γ-TiAl合金的广泛应用，如何提高γ-TiAl合金耐高温腐蚀性能的问题显得日益突出。表面改性技术可充分发挥基体材料与表面涂层材料的综合优势，既满足对结构性能(强度、韧性等)和环境性能(耐磨、耐蚀、耐高温等)的需要，也可获得理想的复合材料结构。在不影响力学性能的前提下，改善γ-TiAl合金抗高温氧化性能的有效途径是表面处理。对金属的表面处理方法几乎全部应用到了γ-TiAl合金的表面处理上，包括金属电镀、微弧氧化、热喷涂、离子注入、激光的表面合金化、离子氮化、离子镀膜、表面复合处理、表面纳米化处理等等。用双层辉光等离子表面渗金属技术在TiAl基合金表面渗Si处理，在高温环境下表面形成致密的氧化铝、氧化硅薄膜，一方面显著提高抗氧化性能，另一方面渗层出现与陶瓷层相似的缺点，易剥落，易开裂。离子注入技术可以获得耐磨及强韧的表面合金层，但合金层厚度一般小于1μm，承载能力不足，易被压塌而失效。激光表面改性技术仍存在一些亟待解决的问题，如设备条件要求高，成本高，可处理面积有限以及同一工艺处理结果的可重复性较差等。离子镀镀膜技术结合了辉光放电效应、等离子表面技术和真空蒸发镀膜技术。离子镀镀的薄膜与基体附着力强、镀膜速度快、绕射性好、靶材的可选择性强等。离子镀NiCrAlY涂层在高温下形成保护性Al2O3膜，有效降低TiAl合金的氧化增重，提高了TiAl合金的氧化抗力。但是高温氧化过程中，NiCrAlY/TiAl涂层体系中发生严重的Ni与基体的互扩散现象，形成了层状结构的互扩散带，涂层体系的力学性能恶化，导致涂层从基体表面剥落，从而缩短了其在高温环境下的使用寿命。因此，需要开发与基体结合力好，具有优良机械性能，且耐高温熔盐腐蚀的涂层具有重要的研究意义和应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中表面处理方法无法兼具与基体结合力好，具有优良机械性能，且耐高温熔盐腐蚀的缺陷和不足，提供一种用于γ-AlTi合金防护的耐高温熔盐腐蚀纳米多层复合涂层。本专利技术提供的纳米多层复合涂层与基体结合力好，具有优良机械性能，且耐高温熔盐腐蚀。本专利技术的另一目的在于提供上述纳米多层复合涂层的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供一种耐热结构材料。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于γ-AlTi合金防护的耐高温熔盐腐蚀纳米多层复合涂层，包括在基体表面依次设置元素和应力渐变结构的AlCrON缓冲层和纳米多层复合层，所述纳米多层复合层包括在AlCrON缓冲层表面依次交替设置的AlCrSiYN功能层和MoSiB扩散阻挡层；所述AlCrSiYN层中，Al元素的原子百分数为36~42%，Cr元素的原子百分数为6~12%，Si元素的原子百分数为4~8%，Y元素的原子百分数为3~7%，氮元素的原子百分数为40~47%；所述MoSiB层中，Mo元素的原子百分数为48~60%，Si元素的原子百分数为21~34%，B元素的原子百分数为10~22%。元素和应力渐变可以实现涂层结构及力学性能的逐渐过渡，减小整体涂层的残余应力，由于涂层制备过程中沉积温度较高，此种技术可以有效防止涂层和基体由于热膨胀系数不同造成的崩裂及脱落，提高涂层的服役时间，达到非渐变结构AlCrON缓冲层实现不了的效果。本专利技术提供的纳米多层复合涂层中，AlCrON缓冲层与纳米多层复合层与基体之间具有良好的晶格匹配，能够提高纳米多层复合层与基体之间的结合力，减少内应力，增强涂层的韧性，提高涂层的使用寿命。为了进一步调节涂层的显微结构，提高涂层韧性、耐高温熔盐腐蚀，降低涂层的应力，可对单层纳米多层复合涂层中的单层膜厚和涂层周期进行进一步调控。优选地，每层AlCrSiYN层和MoSiB层的厚度分别独立地选自20~80nm和5~20nm。更为优选地，每层AlCrSiYN层和MoSiB层的厚度分别独立地选自30~55nm和6~18nm。更为优选地，每层AlCrSiYN层和MoSiB层的厚度分别独立地选自35~45nm和10~12nm。优选地，所述AlCrSiYN层的数量为10~80层。更为优选地，所述AlCrSiYN层的数量为30~60层。更为优选地，所述AlCrSiYN层的数量为40~50层。优选地，所述最外层的MoSiB层上还设置有一层AlCrSiYN层。优选地，所述AlCrSiYN层为（Al,Cr）N纳米晶、非晶Si3N4和非晶YN结构组成的复合结构。优选地，所述(Al,Cr）N纳米晶的晶粒度为4~40nm。更为优选地，所述(Al,Cr）N纳米晶的晶粒度为6~12nm。AlCrSiYN层为纳米晶镶嵌非晶结构，纳米晶可以提升涂层的硬度，而非晶结构可以提升涂层的延展性及韧性，降低整体涂层的内应力，尤其是YN非晶结构具有限制涂层颗粒高温长大的作用，保持涂层的红硬性。优选地，所述MoSiB层为非晶结构。非晶结构的MoSiB层可以缓冲整体涂层的内应力，提升整体涂层的韧性，同时阻断高温下元素扩散的通道，提高整体涂层的寿命。优选地，所述基体为γ-AlTi合金。本专利技术对所述γ-AlTi合金的成分没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的发动机高温部件用γ-AlTi合金即可。上述纳米多层复合涂层的制备方法，包括如下步骤：S1：在基体表面沉积元素和应力渐变结构的AlCrON缓冲层；S2：在S1得到的的AlCrON缓冲层的表面依次交替沉积AlCrSiYN功能层和MoSiB扩散阻挡层，即得所述纳米多层复合涂层。优选地，S1中利用阴极电弧离子镀技术在基体表面沉积AlCrON缓冲层。本专利技术对所述AlCrON缓冲层的阴极电弧离子镀沉积的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的阴极电弧离子镀沉积的技术方案即可。优选地，所述阴极电弧离子镀沉积的参数为：基体与靶间距20~100mm，基体转速3~8rpm，沉积温度200~450℃，电弧靶电流40-100A，沉积时间5~35min，反应气体氮气和氧气，反应气体压力0.8~2.0Pa，在沉积过程中氮气气流量从10~30sccm升到40~80sccm，氧气气流量从30-80sccm降到20~0sccm，偏压从250~300V渐变到100~200V。更为优选地，所述阴极电弧离子镀沉积的参数为：基体与靶间距40~50mm，基体转速6~8rpm，沉积温度400~450℃，沉积时间10~15min，反应气体氮气和氧气，反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于γ‑AlTi合金防护的耐高温熔盐腐蚀纳米多层复合涂层，其特征在于，包括在基体表面依次设置元素和应力渐变结构的AlCrON缓冲层和纳米多层复合层，所述纳米多层复合层包括在AlCrON缓冲层表面依次交替设置的AlCrSiYN功能层和MoSiB扩散阻挡层；所述AlCrSiYN层中，Al元素的原子百分数为36~42%，Cr元素的原子百分数为6~12 %，Si元素的原子百分数为4~8 %，Y元素的原子百分数为3~7%，氮元素的原子百分数为40~47 %；所述MoSiB层中，Mo元素的原子百分数为48~60%，Si元素的原子百分数为 21~34%，B元素的原子百分数为10~22 %。

【技术特征摘要】
1.一种用于γ-AlTi合金防护的耐高温熔盐腐蚀纳米多层复合涂层，其特征在于，包括在基体表面依次设置元素和应力渐变结构的AlCrON缓冲层和纳米多层复合层，所述纳米多层复合层包括在AlCrON缓冲层表面依次交替设置的AlCrSiYN功能层和MoSiB扩散阻挡层；所述AlCrSiYN层中，Al元素的原子百分数为36~42%，Cr元素的原子百分数为6~12%，Si元素的原子百分数为4~8%，Y元素的原子百分数为3~7%，氮元素的原子百分数为40~47%；所述MoSiB层中，Mo元素的原子百分数为48~60%，Si元素的原子百分数为21~34%，B元素的原子百分数为10~22%。2.根据权利要求1所述纳米多层复合涂层，其特征在于，每层AlCrSiYN层和MoSiB层的厚度分别独立地选自20~80nm和5~20nm。3.根据权利要求1所述纳米多层复合涂层，其特征在于，所述AlCrSiYN层的数量为10~80层。4.根据权利要求1所述纳米多层复合涂层，其特征在于，所述最外层的Mo...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹长伟，唐晓山，梁枫，田灿鑫，
申请(专利权)人：岭南师范学院，
类型：发明
国别省市：广东,44