一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层、制备方法及应用，依次包括基材、粘结层和工作层，基材为Ti‑6Al‑4V钛合金，粘结层为金属Cr，工作层为Cr/CrSiN纳米多层结构，粘结层厚度为0.15～0.2μm，工作层厚度为2～3μm，高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层的制备方法，包括以下步骤：对基材材料进行化学表面处理；对基材材料进行辉光放电清洗；Cr粘结层的沉积；工作层沉积；该涂层各界面结合良好，相互匹配，增加了钛合金材料的硬度、耐磨性和抗冲蚀性；多层交替循环，增加了界面结构，减少物理气相沉积涂层针孔缺陷，阻碍裂纹扩展，提高涂层的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层、制备方法及应用
本专利技术属于表面工程
，尤其涉及一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层、制备方法及应用。
技术介绍
复合材料能有效减轻飞行器的重量，可广泛应用于航空航天领域。在实际应用中复合材料基板常与钛合金面板胶接而组成钛合金复合材料结构，如直升机桨叶等，但其胶接强度一直是需要解决的关键问题。采用表面处理工艺改善钛合金表面形貌和化学特性是提高钛合金与复合材料胶接强度的一个主要途径。由于钛合金特殊的表面特性，采用传统的表面处理工艺：化学氧化、热喷涂等表面处理工艺虽然能够提高其硬度和耐磨性，但是仍然存在钛合金基体和涂层的结合力不够强的问题。因此为了在保证基体和镀层的结合力的前提下，提高钛合金的硬度、抗冲蚀和耐磨性，需要一种更好的镀层来提高钛合金的硬度、抗冲蚀和耐磨性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：应用现有钛合金材料表面处理技术，处理后钛合金材料硬度、耐磨性及抗冲蚀性不能满足使用要求，提供了一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层、制备方法及应用。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本专利技术的一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，依次包括基材、粘结层和工作层，基材为Ti-6Al-4V钛合金，粘结层为金属Cr，工作层为Cr/CrSiN纳米多层结构。所述的粘结层厚度为0.15～0.2μm，所述的工作层厚度为2～3μm。所述的Cr/CrSiN纳米多层结构由金属Cr层和高硬度CrSiN层交替沉积而成，重复次数为8～10次。所述的Cr/CrSiN纳米多层结构中，金属Cr层厚度为70～80nm，CrSiN层厚度为140～210nm。一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)对基材材料进行化学表面处理：将研磨抛光后的基材材料先用碱性溶液超声清洗，清洗后用去离子水冲洗并烘干，然后用酸性溶液超声清洗，清洗后用去离子水冲洗并烘干备用；(2)对基材材料进行辉光放电清洗：将化学清洗后的基材放入多弧离子镀膜室内，置于基材转架上，对真空室抽真空至10-5～10-7Pa，后充入Ar气，Ar气流量控制在150～200sccm，工作压强控制在0.3～0.4Pa；基体加热到430～450℃，然后开启脉冲电源，调节偏压-800～-1100V，基体表面发生辉光放电，辉光放电清洁样品时间15～20分钟；(3)Cr粘结层的沉积：粘结层沉积在基材辉光放电清洗后原位进行，保持工作气体、基体温度和压强，开启阴极离子弧弧源Cr靶，Cr的纯度为99.999％，基体偏压-110～-150V，转架的转速为3～5rpm，靶材电流60～65A，沉积25～35分钟，得到Cr粘结层；(4)工作层沉积：工作层沉积是在Cr粘结层沉积后进行，保持工作气体、工作压力、沉积温度、炉腔的压强和阴极离子弧弧源不变，基体偏压-60～-100V、靶材电流60～80A，沉积10～25min，得到金属Cr层；金属Cr层沉积完成后沉积CrSiN层，通入N2气，N2流量为400～800sccm,沉积温度450℃，炉腔的压强2～5Pa，基体偏压-60～-100V，开启阴极离子弧弧源CrSi靶，靶材电流60～80A，沉积时间10～15min，沉积工作层的CrSiN层；交替沉积金属Cr层和CrSiN层，重复8～10次完成工作层。所述的步骤(1)中，碱性溶液包括20～40g/LNaOH、30～40g/LNa2CO3、30～40g/LNa3PO4；酸性溶液包括100～150ml/LHF、500～1000ml/LDMF，碱性溶液清洗10～20min，酸性溶液清洗1～10min。一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层在飞机起落架和压缩机叶片上的应用。本专利技术采用多弧离子镀沉积技术高效地在钛合金表面制备由Cr粘结层、Cr/CrSiN工作层构成的复合防护涂层，显著改善钛合金的硬度、耐磨及抗冲蚀性，延长使用寿命。本专利技术的优点及有益效果是：1、钛合金基体表面研磨抛光后，用碱性和酸性溶液超声清洗能够有效清除钛合金表面的氧化物，增加了膜基结合强度；2、本专利技术复合防护涂层由不同功能的各层组成：Cr粘结层、Cr/CrSiN工作层；Cr粘结层能有效地连接钛合金基体和Cr/CrSiN工作层，Cr粘结层为金属软质相，当受到载荷时，可发现塑性变形，降低工作层中应力，降低剪切力，提高结合强度，实现工作层和基体的良好结合；Cr/CrSiN工作层由依次沉积的Cr层、CrSiN层，交替重复8～10次形成，其中Cr层为金属相，CrSiN层为陶瓷相，使Cr/CrSiN工作层具有很好的耐磨性、硬度和抗腐蚀性，各界面结合良好，相互匹配，增加了钛合金材料的硬度、耐磨性和抗冲蚀性；多层交替循环，增加了界面结构，减少物理气相沉积涂层针孔缺陷，阻碍裂纹扩展，提高涂层的性能。附图说明图1是本专利技术的结构示意图，1-Ti-6Al-4V钛合金基体材料，2-Cr粘结层，3-Cr/CrSiN纳米多层结构工作层；图2为实施例1的钛合金材料涂层前后的摩擦系数曲线及磨损率；图3为实施例1的钛合金材料涂层前后的冲蚀深度变化曲线及冲蚀率；图4为实施例2复合涂层XRD图；图5为实施例3复合涂层SEM图。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1如图1所示，本实施例制备高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，包括Ti-6Al-4V钛合金基体1、Cr粘结层2、交替沉积10次的Cr/CrSiN纳米多层结构工作层3，所述的Cr粘结层位于Ti-6Al-4V钛合金基体与Cr/CrSiN纳米多层结构工作层之间。粘结层厚度为0.15μm，工作层厚度为2.85μm。上述低应力高耐磨抗冲蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)对基体进行研磨抛光，然后用由20g/LNaOH、30g/LNa2CO3、30g/LNa3PO4组成的碱性溶液超声清洗10min后用去离子水冲洗并烘干，再用由100ml/LHF、500ml/LDMF组成的酸性溶液超声清洗10分钟后用去离子水冲洗并烘干；(2)将清洗后的基体放入多弧离子镀膜室内，置于基材转架上，对真空室抽真空至10-5Pa后充入Ar气，Ar气流量控制在150sccm，工作压强控制为0.3Pa；基体加热到430℃，然后开启脉冲电源，调节偏压-800V，基体表面发生辉光放电，辉光放电清洁样品15分钟；(3)沉积Cr粘结层：在步骤(2)后原位进行，保持工作气体、基体温度和压强，开启阴极离子弧弧源Cr靶，Cr的纯度为99.999％，基体偏压-110V，转架的转速为3rpm，靶材电流60A，沉积25分钟，得到Cr粘结层，厚度为0.15μm；(4)沉积工作层：沉积Cr粘结层后，保持工作气体、工作压力、沉积温度、炉腔的压强和阴极离子弧弧源不变，基体偏压-60V，靶材电流60A，沉积10min，得到金属Cr层，厚度为80nm；金属Cr层沉积完成后沉积CrSiN层，通入N2气，N2流量为400sccm,沉积温度450℃，炉腔的压强2Pa，基体偏压-60V，开启阴极离子弧弧源CrSi靶，靶材电流60A，沉积时间10min，沉积工作层的CrSiN层，CrSiN层的厚度为205nm；交替沉积金属Cr层和CrSiN层，重复10次完成工作层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，其特征在于，依次包括基材、粘结层和工作层，所述的基材为Ti‑6Al‑4V钛合金，粘结层为金属Cr，工作层为Cr/CrSiN纳米多层结构，所述的Cr/CrSiN纳米多层结构由金属Cr层和高硬度CrSiN层交替沉积而成。

【技术特征摘要】
1.一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，其特征在于，依次包括基材、粘结层和工作层，所述的基材为Ti-6Al-4V钛合金，粘结层为金属Cr，工作层为Cr/CrSiN纳米多层结构，所述的Cr/CrSiN纳米多层结构由金属Cr层和高硬度CrSiN层交替沉积而成。2.根据权利要求1所述的一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，其特征在于，所述的粘结层厚度为0.15～0.2μm，所述的工作层厚度为2～3μm。3.根据权利要求1所述的一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，其特征在于，所述的交替沉积重复次数为8～10次。4.根据权利要求1所述的一种高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层，其特征在于，所述的Cr/CrSiN纳米多层结构中，金属Cr层厚度为70～80nm，CrSiN层厚度为140～210nm。5.一种如权利要求1～4所述的高硬度抗冲蚀耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对基材材料进行化学表面处理：将研磨抛光后的基材材料先用碱性溶液超声清洗，清洗后用去离子水冲洗并烘干，然后用酸性溶液超声清洗，清洗后用去离子水冲洗并烘干备用；(2)对基材材料进行辉光放电清洗：将化学清洗后的基材放入多弧离子镀膜室内，置于基材转架上，对真空室抽真空至10-5～10-7Pa，后充入Ar气，Ar气流量控制在150～200sccm，工作压强控制在0.3～0.4Pa，基体加热到430～450℃，然后开启脉冲电源，调节偏压-800～-1100V，基体表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡飞，张世宏，王启民，张林，杨英，方炜，
申请(专利权)人：安徽工业大学，安徽多晶涂层科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34