一种高硬度纳米复合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高硬度纳米复合涂层及其制备方法与应用。所述高硬度纳米复合涂层包括依次形成于基体表面的过渡层和TiAlCN层，所述TiAlCN层的物相结构包括硬质纳米金属相及非晶相，所述非晶相均匀分布于所述硬质纳米金属相中，所述硬质纳米金属相包括Ti(C，N)相、TiN相、TiC相、AlN相中的任意一种或两种以上的组合，所述非晶相包括非晶碳相。本发明专利技术制备的高硬度纳米复合涂层具有高硬度和高的韧性，在大气环境和海水环境中具有高的耐腐蚀磨损的优异性能，能够有效的延长基体的使用寿命，同时该涂层在海洋零部件以及刀具等设备的表面防护上具有巨大的潜在的应用前景。防护上具有巨大的潜在的应用前景。防护上具有巨大的潜在的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高硬度纳米复合涂层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于材料表面防护
，具体涉及一种高硬度纳米复合涂层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]海洋蕴藏着丰富的资源，具有潜在的巨大的经济利益。海洋事业的发达程度是一个国家科技力量和水平的综合体现，也是一个国家经济发展和国家地位的标识。海洋资源开发利用能力和综合制海能力必须大力发展舰船装备和海洋工程装备。但是，海洋腐蚀问题是海洋开发过程中面临的最主要的问题之一，海洋环境中的苛刻性，海水中的盐浓度高(3.5％左右)、富氧，并存在着大量海洋微生物和宏生物，加之海浪冲击和阳光照射，海洋腐蚀环境较为严酷。在海洋环境中服役的基础设施和重要的工业设施的腐蚀问题严重，特别是船舶与海洋平台的腐蚀问题更加突出，带来了巨大的经济损失和安全隐患。腐蚀已经成为影响船舶、近海工程、远洋设施服役安全、寿命、可靠性的最重要的因素，引起世界各国政府和工业界的高度重视。在近些年来，我国海洋建设发展迅猛，勘探开发海洋资源以及保护海岸带、研发具有自主知识产权的勘探开发技术是海洋科技发展的重要一环。因此，大力发展海洋防腐材料和技术，对于保障海洋工程和船舶的服役安全与可靠性，降低重大灾害事故的发生，延长海洋构筑物的使用寿命具有重大的意义。现有技术制备的硬质PVD涂层的硬度和耐磨性对比基体已经有一些提升，但是制备出的涂层仍然存在一些弊端，例如制备出的TiN涂层存在硬度低，摩擦系数高的缺点，又比如TiC和TiCN涂层存在耐磨性差的缺点，再比如，现有的制备硬质涂层的工艺复杂，制备的涂层存在耐腐蚀磨损性能差的问题等等。

技术实现思路

[0003]本专利技术的主要目的在于提供一种高硬度纳米复合涂层及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
[0004]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：
[0005]本专利技术实施例提供了一种高硬度纳米复合涂层，其包括依次形成于基体表面的过渡层和TiAlCN层，所述TiAlCN层的物相结构包括硬质纳米金属相及非晶相，所述非晶相均匀分布于所述硬质纳米金属相中，所述硬质纳米金属相包括Ti(C，N)相、TiN相、TiC相、AlN相中的任意一种或两种以上的组合，所述非晶相包括非晶碳相。
[0006]本专利技术实施例还提供了前述的高硬度纳米复合涂层的制备方法，其包括：
[0007]提供基体；
[0008]采用多弧离子镀技术，在所述基体表面依次沉积过渡层和TiAlCN层，从而形成所述高硬度纳米复合涂层。
[0009]本专利技术实施例还提供了前述的高硬度纳米复合涂层于基体表面防护领域中的用途。
[0010]本专利技术实施例还提供了一种装置，其包括：基体，以及覆盖于所述基体表面的前述
的高硬度纳米复合涂层。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0012](1)本专利技术在于采用多弧离子镀技术制备高硬度纳米复合涂层，通过调控合金靶材中Ti与Al的原子比例，实现涂层中Ti与Al的含量比例的精确控制，将Al与Ti结合为合金靶材，在沉积到硬质纳米复合涂层之后，通过非晶存在于纳米晶界限处，抑制了纳米晶体的生长，细化晶粒，提高了涂层的硬度；
[0013](2)本专利技术在于提供一种新思路，通过前期精确调控合金靶材的原子比例含量，从而在涂层中引入精确比例的新元素，同时制备的高硬度纳米复合涂层工艺简单，成本低廉，且该复合涂层在海洋防腐蚀领域具有巨大的潜在的应用前景。
[0014](3)本专利技术在于制备的高硬度纳米复合涂层在人工海水中具备优异的耐腐蚀磨损的性能，同时该复合涂层具备更为优异的耐磨性。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术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。
[0016]图1是本专利技术实例1中制备的高硬度纳米复合涂层的表面形貌；
[0017]图2为本专利技术实例1中制备的高硬度纳米复合涂层的截面形貌图；
[0018]图3为本专利技术实例1中制备的高硬度纳米复合涂层的透射电镜图；
[0019]图4为本专利技术实例2中制备的高硬度纳米复合涂层的表面形貌；
[0020]图5为本专利技术实例3中制备的高硬度纳米复合涂层的截面形貌；
[0021]图6为本专利技术实例1、2、3中制备的高硬度纳米复合涂层的XRD图；
[0022]图7为本专利技术实例1、2、3中制备的高硬度纳米复合涂层在海水中的磨损率示意图；
[0023]图8为本专利技术实例1
‑
3中制备的高硬度纳米复合涂层以及Ti6Al4V基体在海水中腐蚀磨损过程中动态极化曲线；
[0024]图9是本专利技术典型实施方案中使用的工业沉积设备的俯视图。
[0025]附图标记：1
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纯Ti金属靶位置；2
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中心圆形样品台；3
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离子源；4
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TiAl合金靶位置。
具体实施方式
[0026]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，本专利技术专利经过多次研究和实践结合，提出本专利技术的技术方案，本专利技术专利的主要内容为；根据海洋工程实例应用中关键零部件的由于低硬度和在海洋环境下的腐蚀情况，进行了一种海洋关键零部件PVD涂层的制备，经过探索，PVD涂层中含有的Ti和Al会在涂层表面形成一层致密的TiO2和Al2O3氧化膜，这可能是一种提高基体耐腐蚀性以及提高涂层硬度的途径，但是在实例应用中，通过多弧离子镀过程中，通过只做纯Ti靶和纯Al靶会面临施加功率不稳定，如果电流过高，Al靶由于较低的电离能和较低的熔点，在进行离子镀过程中，会有较大的几率产生大液滴，从而影响涂层的均匀性，甚至会对涂层的性能产生较大的不利的影响。针对于此，通过将Ti和Al合金通过按照原子比例制作靶材，这样在进行多弧离
子镀靶材涂层沉积过程中，合金靶材能够较为稳定持续的在基体上沉积涂层。同时该涂层也具有以下几个优点：该涂层中含有的Ti和Al会在涂层表面形成一层致密的TiO2和Al2O3氧化膜，不仅提升了涂层的耐腐蚀性能，同时提高了涂层的硬度和耐磨性。这为海洋工程材料在海洋环境中的应用的产生稳定均匀高性能的PVD涂层的制备提供了一个新的思路与方法。
[0027]下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]本专利技术实施例的一个方面提供了一种高硬度纳米复合涂层，其包括依次形成于基体表面的过渡层和TiAlCN层，所述TiAlCN层的物相结构包括硬质纳米金属相及非晶相，所述非晶相均匀分布于所述硬质纳米金属相中，所述硬质纳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高硬度纳米复合涂层，其特征在于包括依次形成于基体表面的过渡层和TiAlCN层，所述TiAlCN层的物相组成包括硬质纳米金属相及非晶相，所述非晶相均匀分布于所述硬质纳米金属相中，所述硬质纳米金属相包括Ti(C，N)相、TiN相、TiC相、AlN相中的任意一种或两种以上的组合，所述非晶相包括非晶碳相。2.根据权利要求1所述的高硬度纳米复合涂层，其特征在于：所述硬质纳米金属相的尺寸为15～40nm；和/或，所述过渡层包括TiN层；和/或，所述过渡层的厚度为200～300nm；和/或，所述高硬度纳米复合涂层的厚度为3.5μm～4.5μm；和/或，所述TiAlCN层中Al元素的含量为14.0～23.0at.％；优选为14.0～16.0at.％；和/或，所述高硬度纳米复合涂层的硬度为35～45GPa；和/或，所述基体包括316不锈钢、304不锈钢、F690钢、Ti6A14V、Ti中的任意一种或两种以上的组合。3.如权利要求1或2所述的高硬度纳米复合涂层的制备方法，其特征在于包括：提供基体；采用多弧离子镀技术，在所述基体表面依次沉积过渡层和TiAlCN层，从而形成所述高硬度纳米复合涂层。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，沉积形成所述过渡层的方法具体包括：将基体置于反应腔体中，采用多弧离子镀技术，以Ti靶为靶材，以惰性气体和氮气为工作气体，对基体施加负偏压，从而在基体表面沉积形成所述过渡层，其中，Ti靶的靶电流为60A～70A，工作温度为230～280℃，基体负偏压为15V～30V，惰性气体的流量为300～500sccm，氮气的流量为50～80sccm，反应腔体的真空度为2
×
10
‑5Pa～6
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10
‑5Pa，沉积时间为10～15min；优选的，所述惰性气体包括氩气；优选的，所述工作温度为240～270℃。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，沉积形成所述Ti...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘克，李金龙，刘翔，常可可，
申请(专利权)人：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：