一种抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及中高温氧化与自润滑领域，特别提供一种抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层及其制备方法。利用溅射特性，通过在磁控溅射镀膜过程中实时调整温度和真空度，可由单一靶材，不借助其他工艺，一步获得晶粒尺寸从表面到内部呈梯度分布的纳米金属涂层。本发明专利技术涂层制备工艺简单，适用但不限于普通碳钢、合金钢、轴承钢、铜基、钛基、钴基或镍基高温合金，可用于耐400℃以上航空发动机、燃气轮机、航天飞行器动力系统内的高温轴承与衬套等一类在高温环境下服役的传动部件。基于纳米结构促进Al和Cr的选择性氧化、提高表面硬度、促进氧化物釉质层化的特点，使得该涂层兼具耐中高温氧化、耐磨损和自润滑等优异的综合性能。耐磨损和自润滑等优异的综合性能。耐磨损和自润滑等优异的综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于中高温氧化与自润滑
，涉及一种抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着我国航空航天与空天技术的快速发展，日益苛刻的服役环境引起的多因素耦合破坏已成为材料的主要失效方式，极大地增加了关键部件的设计难度。如航空发动机、燃气轮机、航天飞行器动力系统内的高温轴承与衬套等一类在高温环境下服役的传动部件，在承受摩擦力(表面切应力)的同时，还与环境介质(如氧)发生氧化反应，摩擦磨损与高温氧化的协同耦合加速部件失效，已经成为了影响整个系统可靠性与寿命的关键因素。
[0003]针对关键部件的高温腐蚀与摩擦磨损问题，研究者建议在耐高温金属或陶瓷材料中加入自润滑相以提高其耐磨损性能。如美国国家航空航天局(NASA)通过在NiCr、Cr2O3等金属陶瓷基体中，添加耐高温的自润滑CaF2/BaF2共晶体，从而实现材料的高温自润滑功能。然而常用的高温自润滑相，以陶瓷居多，都会大幅度降低材料的断裂韧性，且与合金、陶瓷的界面相容性差，极大限制了耐高温自润滑复合材料的应用。同时现有研究大多都忽略了高温腐蚀性能对零部件有效运行的影响。由于合金材料的高温氧化，氧化膜的生长将快速填充原本就很狭窄的关节轴承内外圈游隙(游隙宽度约10
‑
20μm)，致使轴承高温抱死、失效。这对于游隙精度要求高、游隙狭小的精密轴承尤其如此。
[0004]在不改变合金力学性能的基础上，施加涂层是实现材料耐磨抗氧化的有效措施之一。其中DLC(类金刚石)和WC
‑
Co(Ni)复合涂层因其极低的摩擦系数被认为是较理想的抗磨涂层，但其在高温下氧化挥发，极大限制了其在高温下的应用。CrTiN涂层因其极高的硬度，会加速与金属构件配合的轴、包套等对磨件的损坏。有机涂层在高温下易发生结构改变，不适合用于高温环境。因此，针对在高温环境下服役的运动、传动部件的腐蚀磨损问题，亟需开发一种抗氧化、耐磨减磨的新型防护涂层。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层及其制备方法，以期解决在高温环境下服役的传动部件的腐蚀磨损问题。
[0006]本专利技术提供一种抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层，涂层与合金基体的成分一致，涂层结构为纳米柱状晶结构，从涂层表面到内部晶粒尺寸从小增大，晶粒尺寸范围5～500nm，涂层厚度20～100μm。
[0007]在本专利技术的抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层中，所述梯度纳米金属涂层由单一的靶材，在磁控溅射镀膜过程中，通过实时调整温度和真空度，不借助其他工艺一步获得。
[0008]在本专利技术的抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层中，磁控溅射过程中温度范围为100～250℃，真空度范围为1
×
10
‑1～6
×
10
‑3Pa。
[0009]在本专利技术的抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层中，所述梯度纳米金属涂层适用于普通碳钢、合金钢、轴承钢、铜基、钛基、钴基或镍基高温合金。
[0010]在本专利技术的抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层中，针对普通碳钢、合金钢、轴承钢、铜基、钴基或镍基的轴承、衬套加工材料，涂覆该涂层后，往复摩擦系数为0.2～0.4，磨损率为5.0
×
10
‑5～5.0
×
10
‑6mm3/Nm，400～900℃时耐氧化≥1000h。
[0011]本专利技术还提供一种抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层的制备方法，包括：
[0012]步骤1：靶材制备，根据所选的基体成分，通过真空熔炼技术制备与基体成分一致的靶材，之后将其表面抛光备用；
[0013]步骤2：试样预处理，将试样表面用SiC砂纸进行打磨，再用抛光膏进行抛光，最后用丙酮和酒精的混合液超声清洗后备用；
[0014]步骤3：采用磁控溅射技术制备纳米金属涂层，在磁控溅射镀膜过程中，通过实时调整温度和真空度，控制涂层内纳米晶粒尺寸，从涂层表面到内部逐渐增大。
[0015]在本专利技术的抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层的制备方法中，步骤3具体为：
[0016]步骤3.1：制备前将基体试样悬挂在距靶材10～20cm的转架上，制备过程中旋转样品以确保基材表面涂层厚度均匀；靶材安装于阴极水冷靶套上，关闭腔室，用机械泵和分子泵抽真空，当真空度达到2
×
10
‑5Pa时开加热；
[0017]步骤3.2：当腔室真空度达到6
×
10
‑3Pa以上时，温度达到250℃时，通入氩气引燃阴极电弧，氩气流量通过流量计控制，流量范围3～6Sccm，氩压0.1～0.2Pa；
[0018]步骤3.3：在溅射期间通过开关加热设备和分子泵，实时降低腔室的温度和提高腔室的真空度，以调节晶粒尺寸；
[0019]步骤3.4：沉积结束时，当腔室温度降低至50℃以下时，关闭分子泵和机械泵，取出样品。
[0020]在本专利技术的抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层的制备方法中，步骤3中：
[0021]当真空度≥6
×
10
‑3Pa，温度250～200℃时，晶粒尺寸范围为70～500nm；
[0022]当真空度6
×
10
‑3～3
×
10
‑2Pa，温度200～150℃时，晶粒尺寸范围为10～70nm；
[0023]当真空度3
×
10
‑2～1
×
10
‑1Pa，温度150～100℃时，晶粒尺寸范围为5～10nm。
[0024]在本专利技术的抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层的制备方法中，步骤3中溅射采用恒功率模式，功率为：2000～4000W；溅射速率为3～6μm/h，沉积时间：6～15h。
[0025]本专利技术的设计思想是：
[0026]由Hall
‑
Petch可知多晶体的室温强度随晶粒尺寸的减小而增大，表面施加纳米涂层有利于提高材料硬度而提高耐磨性。其次纳米化有利于促进Al和Cr的选择性氧化从而提高合金的抗氧化性能。最后氧化物优先在晶界等缺陷处形核，晶界增多有利于降低氧化物晶粒度，从而促进其烧结，即釉质层化，最终达到降低摩擦系数的目标。
[0027]本专利技术的优点及技术效果是：
[0028]1、本专利技术制备的涂层，工艺简单，且不受合金基体结构的限制，可用于结构复杂工件的表面涂覆，涂层适用但不限于普通碳钢、合金钢、轴承钢、铜基、钛基、钴基或镍基高温合金等多种基材。
[0029]2、本专利技术制备的涂层在长期使用后，可进行去除再涂敷，对基材力学性能影响较小。
[0030]3、本专利技术制备的涂层结构致密，在高温环境中具备优异的抗氧化性能。
[0031]4、本专利技术制备的涂层具有较优异的抗磨损性能，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层，其特征在于，涂层与合金基体的成分一致，涂层结构为纳米柱状晶结构，从涂层表面到内部晶粒尺寸从小增大，晶粒尺寸范围5～500nm，涂层厚度20～100μm。2.如权利要求1所述的抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层，其特征在于，所述梯度纳米金属涂层由单一的靶材，在磁控溅射镀膜过程中，通过实时调整温度和真空度，不借助其他工艺一步获得。3.如权利要求1所述的抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层，其特征在于，磁控溅射过程中温度范围为100～250℃，真空度范围为1
×
10
‑1～6
×
10
‑3Pa。4.如权利要求1所述的抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层，其特征在于，所述梯度纳米金属涂层适用于普通碳钢、合金钢、轴承钢、铜基、钛基、钴基或镍基高温合金。5.如权利要求1所述的抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层，其特征在于，针对普通碳钢、合金钢、轴承钢、铜基、钴基或镍基的轴承、衬套加工材料，涂覆该涂层后，往复摩擦系数为0.2～0.4，磨损率为5.0
×
10
‑5～5.0
×
10
‑6mm3/Nm，400～900℃时耐氧化≥1000h。6.一种抗氧化、耐磨减摩的梯度纳米金属涂层的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：靶材制备，根据所选的基体成分，通过真空熔炼技术制备与基体成分一致的靶材，之后将其表面抛光备用；步骤2：试样预处理，将试样表面用SiC砂纸进行打磨，再用抛光膏进行抛光，最后用丙酮和酒精的混合液超声清洗后备用；步骤3：采用磁控溅射技术制备纳米金属涂层，在磁控溅射镀膜过程中，通过实时调整温度和真空度，控制涂层内纳米晶粒尺寸，从涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙文瑶，陈明辉，王群昌，王金龙，周文，王福会，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：