一种强结合高耐蚀TiAl/Ti2AlC涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种TiAl/Ti2AlC强结合耐腐蚀涂层。首先，利用高功率脉冲磁控溅射系统，通过溅射纯度为99.95％的TiAl靶(Ti:Al＝1:1)，在基体表面沉积晶体结构为密排六方结构的TiAl层；然后，同时利用高功率脉冲磁控溅射源和直流磁控溅射源共溅射TiAl靶和石墨靶，在TiAl层表面沉积Ti

【技术实现步骤摘要】
一种强结合高耐蚀TiAl/Ti2AlC涂层的制备方法


[0001]本专利技术属于表面工程
，具体涉及一种强结合高耐蚀TiAl/Ti2AlC涂层的制备方法。

技术介绍

[0002]目前，随着科技技术的不断发展，材料器件应用的领域也越来越广泛，服役环境也越来越严苛，对耐腐蚀涂层的要求也越来越高，如海洋环境下的耐腐蚀涂层。
[0003]针对不断变化的应用环境，耐腐蚀涂层也经历了从单元到多元的发展过程，涂层结构也从单层逐步发展为复合多层。现有研究表明，众多涂层体系中过渡金属氮/碳化物是常用的涂层体系。
[0004]专利号CN113046703A的中国专利公开了一种高硬度纳米复合涂层及其制备方法与应用，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。但是这类涂层在海洋等严苛环境下的服役时耐蚀性能显得略有不足，难以满足复杂工况下的性能需求。
[0005]与传统过渡金属氮/碳化物不同，MAX相是一种兼具金属和陶瓷特性的具有热力学稳定、具有密排六方结构的层状材料，其中，M代表前过渡金属，A代表IIIA或IVA主族元素，X代表C或N，层与层之间依靠M原子和A原子之间弱的金属键结合，使其具有良好的导电导热性、自愈合性、抗氧化性能等。Ti2AlC是MAX相中常见的化合物，目前多以电弧、喷涂等技术得到，但喷涂、电弧离子镀等技术制备得到的涂层表面粗糙，且涂层中存在较多杂相，这些缺陷不仅为腐蚀离子提供了快速扩散通道，而且易产生电偶腐蚀，这都会降低涂层在实际应用过程中的氧化/腐蚀寿命。
[0006]专利号CN107620033B的中国专利公布一种高纯强致密MAX相涂层的制备方法，包括采用电弧离子镀与磁控溅射技术相结合，其中电弧提供M位元素，磁控提供A位Al元素，通入氮气或碳氢反应气体沉积，之后采用热处理，实现高纯强致密MAX相涂层的制备。该方法制备的MAX相涂层纯度高、致密性好、无微观缺陷。利用该方法制备的MAX相纯度较低，无法满足在海洋恶劣环境下耐腐蚀的要求。
[0007]因此，发展以MAX相为主的耐蚀涂层制备工艺，制备表面光滑、结构致密、相纯度较高的Ti2AlC涂层显得尤为重要。

技术实现思路

[0008]本专利技术公开了一种强结合高耐蚀TiAl/Ti2AlC涂层的制备方法，该制备方法能够制备高纯度的Ti2AlC MAX相涂层，以及具有较高耐腐蚀相，较强结合力的TiAl/Ti2AlC涂层。
[0009]一种强结合高耐蚀TiAl/Ti2AlC涂层的制备方法，包括：
[0010](1)选用TiAl合金作为靶材，氩气作为反应气体，采用高功率脉冲磁控溅射的方法
在基体表面沉积TiAl涂层；
[0011](2)然后打开C靶材，采用高功率脉冲磁控溅射和直流磁控技术共溅射方法在TiAl涂层表面沉积Ti
‑
Al
‑
C层；其中，TiAl合金靶材是采用高功率脉冲磁控溅射方法，C靶采用直流磁控技术溅射
[0012](3)通过退火工艺使Ti
‑
Al
‑
C层发生固相反应转变为Ti2AlC MAX相防护涂层。
[0013]在退火热处理过程中，通过TiAl层向Ti
‑
Al
‑
C层提供Al原子，补充热处理过程中Ti
‑
Al
‑
C层中的Al原子向外扩散而造成的损失，进而使得Ti
‑
Al
‑
C层获得足够Al原子形成Ti2AlC MAX相防护涂层，并且TiAl层阻碍了基体的杂质元素向Ti
‑
Al
‑
C层的扩散从而获得了较高纯度的Ti2AlC MAX相，达到获得较高耐腐蚀性的涂层的目的。
[0014]所述TiAl层的结构为密排六方结构，与Ti2AlC MAX相的拓扑结构类似，从而使得制备的得到的涂层具有较高的结合力。
[0015]所述基体包括TC4或不锈钢。
[0016]步骤(1)中，所述TiAl合金靶材的功率为80
‑
120W，基体偏压为
‑
150
‑
0V。进一步的，所述TiAl合金靶材的功率为110
‑
120W，基体偏压为
‑
100
‑‑
50V。
[0017]TiAl合金靶材功率过低，Al原子受到氩离子的撞击，Al原子提供过少进而影响MAX相的转变，TiAl合金靶材功率过高，使得Al原子间的碰撞增大进而造成了Al原子的缺失，进而影响MAX相的转变。
[0018]步骤(2)中，基体偏压为
‑
150
‑
0V，所述碳靶功率为20
‑
50W；
[0019]进一步的，所述TiAl靶的功率为35
‑
45W，基体偏压为
‑
100
‑‑
50V。
[0020]所述碳靶功率过低，则容易在MAX相中存在较多的TiAl杂质相，所述碳靶功率过高，则容易在MAX相表面形成大颗粒，使得表面不光滑，影响MAX相的结晶，且还会生成TiC相杂质，所述TiC相、TiAl相杂质能够与MAX相形成电势差，从而影响涂层的耐腐蚀性。
[0021]所述退火工艺为：退火温度为600
‑
900℃，时间为1
‑
5h。
[0022]所述TiAl涂层为密排六方结构，厚度为0.5
‑
1μm，元素原子比为Ti:Al＝1
‑
6:4，所述Ti
‑
Al
‑
C层厚度为3
‑
7μm，元素原子比大致在6:5:2
‑
4:3:3比例区间。
[0023]进一步的，所述TiAl层厚度为0.5
‑
0.7μm，所述Ti
‑
Al
‑
C层厚度3
‑
6μm。
[0024]在所述退火温度和时间下，当TiAl的厚度过薄则Al原子过快的扩散至外部，Ti
‑
Al
‑
C层无法获得足够的Al原子，当TiAl的厚度过厚，TiAl层的Al原子无法获得足够的能够扩散至Ti
‑
Al
‑
C层，同样Ti
‑
Al
‑
C层无法获得足够的Al原子。
[0025]在沉积TiAl层和Ti
‑
Al
‑
C层过程中，腔体的气压为0.4
‑
2Pa。进一步的，在沉积TiAl层和Ti
‑
Al
‑
C层过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种强结合高耐蚀TiAl/Ti2AlC涂层的制备方法，其特征在于，包括：(1)选用TiAl合金作为靶材，氩气作为反应气体，采用高功率脉冲磁控溅射的方法在基体表面沉积TiAl涂层；(2)然后打开C靶材，采用高功率脉冲磁控溅射和直流磁控技术共溅射方法在TiAl涂层表面沉积Ti
‑
Al
‑
C层；(3)通过退火工艺使Ti
‑
Al
‑
C层发生固相反应转变为Ti2AlC MAX相防护涂层得到强结合高耐蚀TiAl/Ti2AlC涂层。2.根据权利要求1所述的强结合高耐蚀TiAl/Ti2AlC涂层的制备方法，其特征在于，所述基体包括TC4或不锈钢。3.根据权利要求1所述的强结合高耐蚀TiAl/Ti2AlC涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述TiAl合金靶材的功率为80
‑
120W，基体偏压为
‑
150
‑
0V。4.根据权利要求3所述的强结合高耐蚀TiAl/Ti2AlC涂层的制备方法，其特征在于，所述TiAl合金靶材的功率为110
‑
120W，基体偏压为
‑
100
‑‑
50V。5.根据权利要求1所述的强结合高耐蚀TiAl/Ti2AlC涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，基体偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪爱英，周定伟，王振玉，周广学，李忠昌，
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：