耐高温抗结焦铬铝氮/二氧化钛复合镀层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐高温抗结焦铬铝氮/二氧化钛复合镀层及其制备方法。以碳钢为基底，采用多弧离子镀在碳钢表面制备以Cr打底、CrN为过渡的CrAlN镀层作为中间层，然后采用原子层沉积在中间层表面制备TiO2镀层。本发明专利技术采用多弧离子镀和原子层沉积相结合的方法，在基底与TiO2镀层之间引入CrAlN镀层，提高了TiO2镀层在高温、有氧条件下的抗剥落性能，从而使TiO2镀层能更有效的发挥抗结焦功能。镀层能更有效的发挥抗结焦功能。

【技术实现步骤摘要】
耐高温抗结焦铬铝氮/二氧化钛复合镀层及其制备方法


[0001]本专利技术属于表面工程
，涉及航空发动机燃油管道等金属结构件内壁的表面钝化、高温抗结焦防护，具体涉及在碳钢表面制备的高温抗剥落、抗结焦的铬铝氮/二氧化钛(CrAlN/TiO2)复合镀层。

技术介绍

[0002]航空燃料在高温下容易发生不完全裂解，从而在燃油管道内壁上形成结焦，进而造成燃油流阻增加，以及燃油管道换热性能恶化，极端情况下积碳甚至与燃油管道发生渗碳反应，造成其机械性能下降。为了提高燃油管道等金属结构件在高温工作下的抗结焦性能，除了结构设计和正确选材之外，往往还需在其表面制备惰性材料镀层以抑制积炭沉积(例如，CN104498899A)。TiO2已被证实具有优异的抗结焦防护作用(例如，CN109468614A)，但是TiO2镀层在有氧条件下容易剥落，从而导致抗结焦效果减弱，使得燃油管道等金属结构件在与外界氧气接触的位置，例如，管道进出口处存在较为严重的结焦情况。因此，目前亟需设计在高温条件下具有抗剥落性能的抗结焦防护层。
[0003]通过在工件表面设计数微米到数十微米厚的CrAlN涂层，可以提高工件的机械性能、硬度、耐热性和抗氧化性能，使得CrAlN涂层在高速切削刀具、典型模具加工、燃气轮机叶片、抗高温氧化等多个领域得到广泛应用。CrAlN涂层性能虽然优异，但研究发现Al(Cr)N涂层在900℃下会分解为亚稳态的c
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AlN和CrN，而c
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AlN可继续转变为hcp
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AlN，CrN可再次分解为β
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Cr2N和Cr，从而导致涂层高温力学性能急剧下降。因此在单一的CrAlN涂层基础上，出现了针对不同的应用背景的复合涂层设计。但这些复合涂层是以CrAlN的性能为主导，复合涂层设计是为了进一步提高或优化CrAlN的性能(例如，硬度、抗氧化性能、耐磨损性能)。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种耐高温抗结焦铬铝氮/二氧化钛复合镀层及其制备方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0006]一种CrAlN/TiO2复合镀层，该复合镀层包括CrAlN镀层以及设置在CrAlN镀层表面的具有抗结焦功能的TiO2镀层。
[0007]优选的，所述CrAlN镀层的厚度为3～4μm，TiO2镀层的厚度为100～300nm。
[0008]优选的，所述复合镀层还包括设置在CrAlN镀层与碳钢基底之间的厚度为0.1～0.5μm的Cr镀层(作为打底层设置在碳钢基底表面)以及厚度为0.1～1μm的CrN镀层(作为过渡层设置在Cr镀层表面)。
[0009]优选的，所述复合镀层的总厚度为4～5μm。
[0010]上述CrAlN/TiO2复合镀层的制备方法，包括以下步骤：
[0011]该复合镀层的制备方法结合多弧离子镀及原子层沉积两种工艺，首先采用多弧离
子镀在基底表面制备中间层，其中，中间层包括位于表面的CrAlN镀层，然后采用原子层沉积在CrAlN镀层表面制备具有抗结焦功能的高质量(例如，无颗粒缺陷)TiO2镀层。
[0012]优选的，所述复合镀层的制备方法具体包括以下步骤：
[0013]1)对碳钢基底依次进行打磨、抛光处理，对打磨和抛光处理后的碳钢基底依次进行清洗、干燥(例如，吹干)等处理，使碳钢基底表面清洁；在清洁的碳钢基底表面依次制备Cr镀层及CrN镀层，再在CrN镀层表面制备一层CrAlN(即在碳钢基底表面沉积以Cr打底、CrN为过渡的CrAlN镀层)，得到镀有CrAlN的碳钢基底；
[0014]2)对镀有CrAlN的碳钢基底进行清洗后干燥(例如，吹干)。
[0015]3)经过步骤2)后，利用原子层沉积在镀有CrAlN的碳钢基底表面(即在所述CrAlN镀层表面)制备TiO2镀层，从而在碳钢基底上制备得到CrAlN/TiO2复合镀层。
[0016]优选的，所述步骤1)中，将打磨和抛光处理后的碳钢基底用去离子水和无水乙醇超声清洗10～15min，然后用氮气吹干。
[0017]优选的，所述在步骤1)中，采用纯Cr靶制备厚度为0.1～0.5μm的Cr镀层(即Cr打底层)：弧电流为60～90A，偏压为80～120V；腔内气压为1～1.5Pa，氮气流量为600～800sccm，沉积温度为350～400℃。
[0018]优选的，所述在步骤1)中，采用纯Cr靶制备厚度为0.1～1μm的CrN镀层(即Cr过渡层)：弧电流为60～90A，沉积偏压为100～400V；腔内气压为1～10Pa，氮气(作为反应气体)流量为1200～1600sccm，沉积温度为350～400℃。
[0019]优选的，所述步骤1)中，采用CrAl靶制备厚度为3～4μm的CrAlN镀层：弧电流为60～90A，偏压为40～70V，腔内气压为1～10Pa，氮气(作为反应气体)流量为1200～1600sccm，沉积温度为350～400℃。
[0020]优选的，所述CrAl靶采用Cr的原子百分比为50％～75％的合金靶。
[0021]优选的，所述步骤3)中，采用异丙醇钛为钛源前驱体、双氧水(质量分数为24％～35％的H2O2水溶液)为氧源，制备厚度为100～300nm的TiO2镀层；原子层沉积过程的单次循环中采用氮气为吹扫气体，钛源前驱体、氮气、氧源、氮气的通入时间依次为1～2s、25～35s、0.2～0.4s、75～85s；原子层沉积过程的总循环次数为1500～2500次。
[0022]优选的，所述步骤3)中，钛源前驱体温度为50～70℃、镀膜区温度为200～250℃，本底真空不低于40mtorr，氮气吹扫工作气压为350～450mtorr。
[0023]上述CrAlN/TiO2复合镀层在航空发动机燃油管道内壁的表面钝化和/或高温抗结焦防护中的应用。
[0024]本专利技术的有益效果体现在：
[0025]本专利技术提出的CrAlN/TiO2复合镀层中，利用CrAlN镀层将具有抗结焦功能的TiO2镀层与基底结合，提高了TiO2抗结焦功能层在高温、有氧环境下的抗剥落性能，适用于航空发动机燃油管道等金属结构件内壁的高温抗结焦防护，对燃油管道等金属结构件容易与外界氧气接触的部分的抗结焦防护效果具有明显优势。本专利技术通过增强位于表面的TiO2抗结焦功能层的抗剥落性能，保证其充分发挥抗结焦防护性能，增强了航空发动机金属结构件在实际使用中的经济性和安全性。
[0026]本专利技术将多弧离子镀和原子层沉积相结合，可以实现在航空发动机燃油管道等金属结构件内壁制备具有优良高温抗结焦防护性能的CrAlN/TiO2复合涂层。
[0027]进一步的，本专利技术通过对镀有CrAlN的碳钢基底进行清洗、干燥，从而去除镀有CrAlN的碳钢基底在转移过程中沾污的灰尘、颗粒，保证在后续制备TiO2镀层时不会产生颗粒缺陷，有助于提高复合镀层表面的致密程度，以及TiO2镀层的抗剥落性能。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CrAlN/TiO2复合镀层的制备方法，其特征在于：该复合镀层的制备方法包括以下步骤：在基底表面制备CrAlN镀层，然后在CrAlN镀层表面制备具有抗结焦功能的TiO2镀层。2.根据权利要求1所述一种CrAlN/TiO2复合镀层的制备方法，其特征在于：所述复合镀层的制备方法具体包括以下步骤：1)采用多弧离子镀在碳钢基底表面制备作为打底层的Cr镀层及作为过渡层的CrN镀层后在CrN镀层表面制备CrAlN镀层，得到镀有CrAlN的碳钢基底；2)对镀有CrAlN的碳钢基底进行清洗后干燥；3)经过步骤2)后，利用原子层沉积在镀有CrAlN的碳钢基底表面制备TiO2镀层。3.根据权利要求2所述一种CrAlN/TiO2复合镀层的制备方法，其特征在于：所述复合镀层的制备方还包括以下步骤：在步骤1)之前，对碳钢基底表面打磨、抛光、清洗和干燥。4.根据权利要求2所述一种CrAlN/TiO2复合镀层的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，Cr镀层的制备工艺参数包括：纯Cr靶弧电流为60～90A，偏压为80～120V，沉积温度为350～400℃，Cr镀层厚度为0.1～0.5μm；CrN镀层的制备工艺参数包括：纯Cr靶弧电流为60～90A，偏压为100～400V，沉积温度为350～400℃，CrN镀层厚度为0.1～1μm。5.根据权利要求2所述一种Cr...

【专利技术属性】
技术研发人员：马大衍，王辉，蔡志斌，吴志娟，
申请(专利权)人：中国航发湖南动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：