一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述Ti材料基材上覆盖有一层与基材具有良好结合性的抗氧化Ti‑Ru合金涂层，所述Ti‑Ru合金涂层中Ru之含量为5~40wt%，涂层厚度为1~20μm；所述的制备方法包括基材前处理、基材清洗、靶材清洗，涂层溅射成形工序，获得所需具有Ti‑Ru合金涂层的Ti材料。本发明专利技术具有Ti‑Ru合金涂层的Ti材料，在升温过程中，由于涂层抗氧化且未生成氧化物，因此具有良好的冶金结合和较小的界面应力，增强了Ti材料整体的抗氧化性能。本发明专利技术方法可广泛用于金属材料表面功能涂层的制备，以获得表层性能优异的金属材料。

【技术实现步骤摘要】
一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料及其制备方法
本专利技术属于金属表面改性
，进一步属于金属表面涂层
，具体涉及一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料及其制备方法。
技术介绍
Ti材料因其低密度、高比强度、优异的抗腐蚀性、耐高温、无磁性、生物相容性好等特点，在航空航天、海洋工程、石油化工、医疗、体育运动器具等领域的应用日益广泛。常温下，Ti材料表面在室温下可形成一层致密的纳米级别厚度的氧化层，有效的防止了其进一步氧化。但是，随着温度的升高，Ti材料表面的氧化层不断增厚，由于氧化层与钛基体热膨胀系数差异，容易造成氧化层剥落，从而形成氧化-剥落-再氧化-再剥落的恶性循环效应，最终导致Ti构件失效。对Ti材料进行表面改性以增强其抗氧化性成为该领域的一个研究热点。涂层表面组成对其性能具有重要影响，为达到改善Ti材料抗氧化性的目的，设计并制备新型抗氧化涂层是目前的一个研究热点。中国专利CN105331973A，公开日2016年2月17日，专利技术创造的名称为一种钛合金表面制备高Nb钛铝基合金抗氧化涂层的方法。该申请案公开了一种在钛合金表面制备高Nb钛铝基合金抗氧化涂层的方法。该方法是利用激光束作用下Ti-Al-Nb混合元素粉末之间的原位合成反应及热处理，在钛合金表面制备高Nb钛铝基合金涂层。涂层制备步骤包括：钛合金表面预处理、粉末配制及球磨、粉末预置、粉末激光烧结、涂层热处理、抗氧化性能测试及显微组织分析七个部分。该专利技术提供了一种周期短、综合成本低、柔性化程度高的涂层制备方法；该方法能在不大幅度影响合金涂层高温抗氧化性能的前提下，对涂层成分配比进行灵活调整，得到致密度高、厚度均匀、抗氧化性能优良的高Nb钛铝基合金双相涂层。其不足之处在于该方法主要是仅考虑了获得表面抗氧化性的Ti3Al+γ-TiAl双相结构的涂层来提高Ti合金的抗氧化性，但是获得的双相结构均为脆性的金属间化合物，在服役过程中容易开裂而造成涂层早期失效。中国专利CN110184600A，公开日2019年8月30日，专利技术创造的名称为钛合金表面低应力高温抗氧化涂层的制备方法。该申请案公开了一种钛合金表面低应力高温抗氧化涂层的制备方法：在钛合金表面铺覆Al/Ti/TiBCN涂层材料并激光扫描熔覆得到高温抗氧化涂层，再次激光扫描处理得到重熔高温抗氧化涂层，从而细化涂层组织，获得均匀的表面残余应力；然后对重熔高温抗氧化涂层进行真空扩散热处理和强流脉冲电子束（HCPEB）二次重熔处理，降低涂层内应力，获得低应力高温抗氧化Al/Ti/TiBCN复合涂层。该方法的不足之处在于，首先涂层成分复杂，需要采用Al、Ti、TiBCN三种粉末进行混合并经过多次高温处理制备，同时该专利技术未指明最终得到的产物相组成；其次，制备工艺复杂，需要采用两次激光熔覆处理，真空热处理及HCPEB处理，成本高，耗时较长。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料。本专利技术的另一目的在于提供一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料制备方法。本专利技术的第一目的是这样实现的，所述具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，所述Ti材料基材上覆盖有与一层与基材具有良好结合性的Ti-Ru合金抗氧化涂层，所述Ti-Ru合金涂层中Ru之含量为5~40wt%，所述Ti-Ru合金涂层之厚度为1~20μm，所述的Ti材料为工业纯Ti或者Ti合金。本专利技术的另一目的是这样实现的，所述具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料的方法，包括基材前处理、基材清洗、靶材清洗，涂层溅射成形工序，具体包括：①基材前处理：对Ti材料进行机械抛光处理，并采用丙酮或无水酒精超声清洗3～10min，随后在真空条件下对Ti材料进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的Ti材料基材，Ti材料基材退火处理的温度为700~900℃，处理时间为1~4h，真空度为1×10-3~1×10-4Pa；②基材清洗：将步骤①处理好的Ti材料基材用清洗剂超声清洗3～10min并烘干；③靶材清洗：将烘干后的具有均匀微观结构的Ti材料基材固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti材料基材表面中心与Ti靶和Ru靶表面中心距离相等，距离为30～60mm；Ti靶材和Ru靶的纯度均不低于为99.95wt％，Ti靶采用直流溅射源系统，Ru靶采用射频溅射源系统；抽真空至1×10-3Pa后，随即对Ti材料基材进行加热，待基体温度升至25~400℃，再通入Ar气，气压调节至0.5～2Pa，用挡板隔开基材，两个溅射源功率调节为20～100W，对靶材进行溅射清洗3~10min；④涂层溅射成形：溅射清洗后，调节Ar气压至0.8～6Pa，调节Ti靶所用直流溅射源系统功率至180～300W，调节Ru靶所用射频溅射源系统功率至30～100W，移开挡板，进行Ti靶和Ru靶的共溅射，溅射时间为0.5～5h，获得所需Ti-Ru合金涂层。本专利技术具有Ti-Ru合金涂层的Ti材料，以Ti材料为基体，Ti-Ru合金涂层与基体具有良好冶金结合，有效地避免了涂层与基体的热膨胀系数差异而造成的界面应力从而抑制开裂倾向；其次，Ti-Ru合金涂层中添加的Ru为铂族金属元素，具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性，在升温的过程中涂层中的Ru进一步固溶到Ti中，增强了Ti的抗氧化性，抑制了Ti的氧化。由于升温过程中未形成氧化物，涂层与基体保持了良好的冶金结合和较小的界面应力，从而增强了Ti材料整体的抗氧化性能。这种涂层有效改善涂层与金属基体之间界面应力、提高了涂层与基体的结合，从而使Ti材料的抗氧化性能得到明显提高，本方法可广泛用于金属材料表面功能涂层的制备，以获得表层性能优异的金属材料。附图说明图1实验例1和对比例1中工业纯Ti溅射涂层后的XRD图谱；图2实验例1和对比例1中工业纯Ti溅射涂层及450℃热处理后的XRD图谱；图3实验例1和对比例1中工业纯Ti的SEM相，a-b：工业纯Ti溅射Ti-Ru涂层后；c-d：工业纯Ti溅射Ti涂层后；e-f：工业纯Ti溅射Ti-Ru涂层及450℃热处理后；g-h：工业纯Ti溅射Ti涂层及450℃热处理后；图4实验例1和对比例1中工业纯Ti的Raman光谱相。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的说明，但不以任何方式对本专利技术加以限制，基于本专利技术教导所作的任何变换或替换，均属于本专利技术的保护范围。本专利技术所述具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，所述Ti材料基材上覆盖有一层与Ti材料基材具有良好结合性的抗氧化涂层Ti-Ru合金涂层，所述Ti-Ru合金涂层中Ru之含量为5~40wt%。所述Ti-Ru合金涂层中Ru之含量为10~30wt%。所述Ti-Ru合金涂层之厚度为1~20μm。所述的Ti材料为工业纯Ti或者Ti合金。本专利技术所述具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料的方法，包括基材前处理、基材清洗、靶材清洗，涂层溅射成形工序，具体包括：①基材前处理：对Ti材料进行机械抛光处理，并采用丙酮或无水酒精超声清本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述Ti材料基材上覆盖有一层与基材具有良好结合性的抗氧化Ti-Ru合金涂层，所述Ti-Ru合金涂层中Ru之含量为5~40wt%。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述Ti材料基材上覆盖有一层与基材具有良好结合性的抗氧化Ti-Ru合金涂层，所述Ti-Ru合金涂层中Ru之含量为5~40wt%。


2.根据权利要求1所述的一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述Ti-Ru合金涂层中Ru之含量为10~30wt%。


3.根据权利要求1所述的一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述Ti-Ru合金涂层之厚度为1~20μm。


4.根据权利要求1、2或3所述的一种具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料，其特征在于所述的Ti材料为工业纯Ti或者Ti合金。


5.一种制备权利要求1~4任意一项所述具有良好结合性抗氧化涂层的Ti材料的方法，包括基材前处理、基材清洗、靶材清洗，涂层溅射成形工序，其特征在于具体包括：
①基材前处理：对Ti材料进行机械抛光处理，并采用丙酮或无水酒精超声清洗3～10min，随后在真空条件下对Ti材料进行再结晶退火，获得具有均匀微观结构的Ti材料基材；
②基材清洗：将步骤①处理好的Ti材料基材用清洗剂超声清洗3～10min并烘干；
③靶材清洗：将烘干后的具有均匀微观结构的Ti材料基材固定于双磁控溅射源系统的样品台上，Ti材料基材表面中心与Ti靶和Ru靶表面中心距离相等，距离为30～60mm；Ti靶采用直流溅射源系统，Ru靶采用射频溅射源系统；抽真空至1×10-3Pa后，随即对Ti材料基材进行加热，待基体温度升至25~400℃，再通入Ar气，用挡板隔开基材，对靶材进行溅射清洗3~10min；
④涂层...

【专利技术属性】
技术研发人员：闻明，余登德，郭俊梅，谭志龙，王传军，周利民，管伟明，许彦亭，沈月，胡昌义，
申请(专利权)人：昆明贵金属研究所，
类型：发明
国别省市：云南;53