一种表面强韧抗冲蚀防护涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种表面强韧抗冲蚀防护涂层及其制备方法与应用。所述防护涂层包括在所述涂层厚度方向上依次层叠的第一MeN层、MeN弹簧结构层和第二MeN层；所述第一MeN层、第二MeN层均由多个竖立MeN纳米晶紧密排列形成，所述竖立纳米晶的长度方向平行于所述涂层的厚度方向；所述MeN弹簧结构层由多个小单元紧密排列形成，每一小单元包括沿所述涂层厚度方向依次排布的多个倾斜MeN纳米晶，其中Me包括Ti、Cr、Zr中的任意一种。本发明专利技术提供的防护涂层采用“垂直层+弹簧层+垂直层”结构，使得涂层具有良好的综合力学性能，在不降低硬度的条件下提高涂层的韧性以及抗冲蚀性能。

A strong, tough and erosion resistant protective coating and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种表面强韧抗冲蚀防护涂层及其制备方法与应用
本专利技术属于表面处理
，具体涉及一种表面强韧抗冲蚀防护涂层及其制备方法与应用。
技术介绍
航空发动机技术的发展对核心材料提出了轻质、高温、高强和长寿命的使用需求。而当飞机在起降、低空飞行，或在沙漠等恶劣环境中服役，砂粒、灰尘等空气中的固体颗粒在高速气流作用下将对发动机叶片表面产生高速冲击和摩擦，影响叶片的尺寸精度和表面质量，造成叶片的冲蚀损伤及损耗，从而影响发动机性能，寿命变短。如何减缓和避免发动机叶片冲蚀磨损，已是保障发动机正常工作和安全飞行迫在眉睫的问题。在开发抗冲蚀涂层初期，人们由于对冲蚀磨损机理认识的局限性，认为涂层硬度是抗冲蚀性能的主要影响因素，研究人员将涂层体系锁定在二元氮(碳)化物(TiN、CrN、ZrN、WC等)，并以TiN为主。随后，二元涂层逐渐不能满足实际需求，研究人员尝试向二元氮(碳)化物体系中添加其他元素(如Al)，并取得了抗冲蚀性能更加优异的三元涂层体系(TiAlN、CrAlN、TiCN等)。多元体系获得了优异的性能，但硬度的大幅增加降低了材料的韧性，涂层仅强不韧。小角度冲蚀率的决定因素是硬度(塑形变形抗力强)，而大角度冲蚀率的决定因素是韧性(疲劳裂纹萌生和扩展抗力强)，但飞机发动机叶片受到多角度冲击，因此，单纯通过提高硬度的方法不能起到很好的抗冲蚀效果，还需要在不损失硬度的条件下增加涂层的韧性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种抗冲蚀防护涂层及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种抗冲蚀防护涂层，其包括在所述涂层厚度方向上依次层叠的第一MeN层、MeN弹簧结构层和第二MeN层；所述第一MeN层、第二MeN层均由多个竖立MeN纳米晶紧密排列形成，所述竖立纳米晶的长度方向平行于所述涂层的厚度方向；所述MeN弹簧结构层由多个小单元紧密排列形成，每一小单元包括沿所述涂层厚度方向依次排布的多个倾斜MeN纳米晶，其中至少一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于0而小于90°的夹角，同时还有至少另一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于90°而小于180°的夹角，其中Me包括Ti、Cr、Zr中的任意一种。本专利技术实施例还提供了一种抗冲蚀防护涂层的制备方法，其包括：提供基体；以及，以金属Me靶作为靶材，并以惰性气体及氮气作为工作气体，采用直流磁控溅射技术在所述基体上依次沉积形成第一MeN层、MeN弹簧结构层和第二MeN层，制得所述表面强韧抗冲蚀防护涂层；其中，所述第一MeN层、第二MeN层均由多个竖立MeN纳米晶紧密排列形成，所述竖立纳米晶的长度方向平行于所述涂层的厚度方向；所述MeN弹簧结构层由多个小单元紧密排列形成，每一小单元包括由多个第一倾斜MeN纳米晶紧密排列形成的第一单层和由多个第二倾斜MeN纳米晶紧密排列形成的第二单层，其中至少一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于0而小于90°的夹角，同时还有至少另一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于90°而小于180°的夹角，其中Me包括Ti、Cr、Zr中的任意一种。本专利技术实施例还提供了一种由前述方法制备的表面强韧抗冲蚀防护涂层。本专利技术实施例还提供了一种材料，包括基体及形成于基体表面的涂层，所述涂层包括前述表面强韧抗冲蚀防护涂层。综上所述，本专利技术采用不同晶界取向的多层及弹簧结构，使裂纹在材料中扩展产生多层扰度，从而提高涂层的损伤容限，同时特定的纳米晶尺寸一方面降低了位错密度、另一方面阻碍了位错的运动，从而提高硬度，获得高硬度、强韧性、抗冲蚀的高性能涂层本专利技术的涂层。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)工艺简单，并且容易大面积均匀沉积；(2)涂层厚度可控、分布均匀、结构致密，容易满足抗冲蚀涂层的厚度要求；(3)与单一结构涂层相比，本专利技术防护涂层具有高弹性模量与硬度等机械特性，可以实现某些苛刻工况下的冲蚀防护性能。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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的附图。图1是本专利技术涂层横截面的微观结构示意图；图2是本专利技术实施例1截面示意图；图3是本专利技术实施例2截面示意图；图4是本专利技术实施例3截面示意图；图5是本专利技术对比例1截面示意图；图6是本专利技术对比例2截面示意图；图7是本专利技术实施例1、2、3及对比例1、2硬度模量图；图8是本专利技术实施例1、2、3及对比例1、2冲蚀形貌图；图9是本专利技术实施例1维氏压痕图；图10是本专利技术实施例2维氏压痕图；图11是本专利技术实施例3维氏压痕图；图12是本专利技术对比例1维氏压痕图；图13是本专利技术对比例2维氏压痕图。具体实施方式鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，其主要是通过设计MeN涂层为不同晶界取向的多层及弹簧结构，使裂纹在材料中扩展产生多层扰度，从而提高涂层的损伤容限。同时特定的纳米晶尺寸一方面降低了位错密度、另一方面阻碍了位错的运动，从而提高硬度，获得高硬度、强韧性、抗冲蚀的高性能涂层。本专利技术实施例的一个方面提供的一种抗冲蚀防护涂层，其包括在所述涂层厚度方向上依次层叠的第一MeN层、MeN弹簧结构层和第二MeN层；所述第一MeN层、第二MeN层均由多个竖立MeN纳米晶紧密排列形成，所述竖立纳米晶的长度方向平行于所述涂层的厚度方向；所述MeN弹簧结构层由多个小单元紧密排列形成，每一小单元包括沿所述涂层厚度方向依次排布的多个倾斜MeN纳米晶，其中至少一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于0而小于90°的夹角，同时还有至少另一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于90°而小于180°的夹角，其中Me包括Ti、Cr、Zr中的任意一种。本专利技术提供的防护涂层横截面的微观结构示意图如图1所示。进一步的，每一小单元包括沿所述涂层厚度方向依次连接的第一倾斜MeN纳米晶和第二倾斜MeN纳米晶，其中第一倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于0而小于90°的夹角，而第二倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于90°而小于180°的夹角。进一步的，第一倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成45°的夹角，而第二倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成135°的夹角。进一步的，所述MeN弹簧结构层包含1-3个小单元。进一步的，所述MeN弹簧结构层中的多个第一倾斜MeN纳米晶紧密排列形成第一单层，多个第二倾斜MeN纳米晶紧密排列形成第二单层，所述第一单层、第二单层于所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面强韧抗冲蚀防护涂层，其特征在于包括在所述涂层厚度方向上依次层叠的第一MeN层、MeN弹簧结构层和第二MeN层；所述第一MeN层、第二MeN层均由多个竖立MeN纳米晶紧密排列形成，所述竖立纳米晶的长度方向平行于所述涂层的厚度方向；所述MeN弹簧结构层由多个小单元紧密排列形成，每一小单元包括沿所述涂层厚度方向依次排布的多个倾斜MeN纳米晶，其中至少一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于0而小于90°的夹角，同时还有至少另一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于90°而小于180°的夹角，其中Me包括Ti、Cr、Zr中的任意一种。/n

【技术特征摘要】
1.一种表面强韧抗冲蚀防护涂层，其特征在于包括在所述涂层厚度方向上依次层叠的第一MeN层、MeN弹簧结构层和第二MeN层；所述第一MeN层、第二MeN层均由多个竖立MeN纳米晶紧密排列形成，所述竖立纳米晶的长度方向平行于所述涂层的厚度方向；所述MeN弹簧结构层由多个小单元紧密排列形成，每一小单元包括沿所述涂层厚度方向依次排布的多个倾斜MeN纳米晶，其中至少一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于0而小于90°的夹角，同时还有至少另一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于90°而小于180°的夹角，其中Me包括Ti、Cr、Zr中的任意一种。


2.根据权利要求1所述的表面强韧抗冲蚀防护涂层，其特征在于：每一小单元包括沿所述涂层厚度方向依次连接的第一倾斜MeN纳米晶和第二倾斜MeN纳米晶，其中第一倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于0而小于90°的夹角，而第二倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于90°而小于180°的夹角；优选的，第一倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成45°的夹角，而第二倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成135°的夹角。


3.根据权利要求1所述的表面强韧抗冲蚀防护涂层，其特征在于：所述MeN弹簧结构层中的多个第一倾斜MeN纳米晶紧密排列形成第一单层，多个第二倾斜MeN纳米晶紧密排列形成第二单层，所述第一单层、第二单层于所述涂层厚度方向上依次层叠。


4.根据权利要求1所述的表面强韧抗冲蚀防护涂层，其特征在于，所述第一MeN层的厚度为450～775nm；
和/或，所述MeN弹簧结构层的厚度为375～900nm；
优选的，所述MeN弹簧结构层中小单元的厚度为250～300nm；
和/或，所述第二MeN层的厚度为450～775nm；
和/或，所述表面强韧抗冲蚀防护涂层的厚度为1.8～2.0μm。


5.一种表面强韧抗冲蚀防护涂层的制备方法，其特征在于包括：
提供基体；
以及，以金属Me靶作为靶材，并以惰性气体及氮气作为工作气体，采用直流磁控溅射技术在所述基体上依次沉积形成第一MeN层、MeN弹簧结构层和第二MeN层，制得所述表面强韧抗冲蚀防护涂层；其中，所述第一MeN层、第二MeN层均由多个竖立MeN纳米晶紧密排列形成，所述竖立纳米晶的长度方向平行于所述涂层的厚度方向；所述MeN弹簧结构层由多个小单元紧密排列形成，每一小单元包括由多个第一倾斜MeN纳米晶紧密排列形成的第一单层和由多个第二倾斜MeN纳米晶紧密排列形成的第二单层，其中至少一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于0而小于90°的夹角，同时还有至少另一个倾斜MeN纳米晶的长度方向与所述涂层厚度方向成大于90°而小于180°的夹角，其中Me包括Ti、Cr、Zr中的任意一种。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于包括：
(1)提供基体；
(2)以离子束对所述基体进行刻蚀；
(3)以金属Me靶作为靶材，并以惰性气体及氮气作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽，汪爱英，孙丽丽，柯培玲，帅锦涛，
申请(专利权)人：宁波工业技术研究院，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33