海洋环境用钛合金表面涂层及其制备方法技术

海洋环境用钛合金表面涂层及其制备方法，该涂层组织结构致密，与基体结合力好，硬度高，耐磨损和耐腐蚀性能优异。这种海洋环境用钛合金表面涂层，其为TiCrAlMoN复合涂层，由Ti金属打底层、Ti

【技术实现步骤摘要】
海洋环境用钛合金表面涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及材料表面改性的
，尤其涉及一种海洋环境用钛合金表面涂层，以及这种海洋环境用钛合金表面涂层的制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金因质轻、高强、耐腐蚀、可加工性好等优点，能够显著提升海洋装备的性能及水平，被称为“海洋金属”。钛及其合金在海洋船舶中的应用领域非常广泛，如船体结构件，深海调查船及潜艇耐压壳体、管道、阀及配件，动力驱动装置中的推进器和推进器轴，热交换器、冷凝器、冷却器，舰船声纳导流罩、螺旋桨等。海洋工程装备及船舶由于工作环境的特殊性，长期服役于海洋大气腐蚀环境中，对材料的耐腐蚀性提出了极高要求。TC4等钛合金材料存在α相和β相，在氧化性和中性介质中可生产TiO2钝化膜，具有良好的耐腐蚀性，但该类型氧化物钝化膜在还原性或含有络合物介质中(例如硫酸、盐酸以及含氟离子的溶液)不稳定。TC4钛合金中的活性V元素在腐蚀过程中生成的氧化物不稳定，易溶于酸性介质；Al和V元素的存在也促进α相和β相之间形成电偶腐蚀。
[0003]海洋工程机械构件及船舶在运行过程中需承受重力、浮力、摇荡时的惯性力、风浪的冲击力等各种外力作用，不允许产生较大的变形和破坏。相较钛合金基体，表层TiO2钝化膜脆性较大，在摩擦
‑
腐蚀耦合条件下容易快速发生失效，腐蚀防护效果迅速降低。因此，钛合金构件在摩擦
‑
腐蚀工况下的使用寿命和可靠性亟待改善。物理气相沉积(PVD)薄膜结构致密、力学性能好，膜基结合力高，能有效提高基体表面硬度、耐磨性、高温稳定性和耐腐蚀性等，可大幅提高零部件的使用寿命。迄今，针对海洋环境用钛合金表面耐磨耐腐蚀涂层材料鲜有报道。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供了一种海洋环境用钛合金表面涂层，该涂层组织结构致密，与基体结合力好，硬度高，耐磨损和耐腐蚀性能优异。
[0005]本专利技术的技术方案是：这种海洋环境用钛合金表面涂层，其为TiCrAlMoN复合涂层，由Ti金属打底层、Ti
‑
N成分过渡层、TiCrAl
‑
N成分过渡层、TiCrAlMo
‑
N成分过渡层成分过渡层和TiCrAlMoN本体层构成，各元素的成分的原子百分比范围：Ti：15％～30％；Cr：5％～20％；Al：3％～12％；Mo：5％～12％，余量为N。
[0006]本专利技术海洋环境用钛合金表面涂层为TiCrAlMoN复合涂层，由Ti金属打底层、Ti
‑
N成分过渡层、TiCrAl
‑
N成分过渡层、TiCrAlMo
‑
N成分过渡层成分过渡层和TiCrAlMoN本体层构成，各元素的成分的原子百分比范围：Ti：15％～30％；Cr：5％～20％；Al：3％～12％；Mo：5％～12％，余量为N，因此涂层组织结构致密，与基体结合力好，硬度高，耐磨损和耐腐蚀性能优异。
[0007]还提供了一种海洋环境用钛合金表面涂层的制备方法，其包括以下步骤：
[0008](1)采用不同粗糙度的砂纸由粗至细对基片表面进行研磨抛光，然后依次放入分
析纯丙酮和分析纯乙醇中进行超声清洗，去除表面污染物；再放入去离子水进行超声清洗，进一步清洁基片；最后采用热风机吹干，得到洁净的基片；
[0009](2)将Ti靶、CrAl合金弧靶、Mo弧靶固定在多弧离子镀设备的靶座上，将步骤一中得到的洁净基片装入多弧离子镀设备的真空室，并固定在转架台的样品架上，然后关闭炉门，依次打开机械泵和分子泵对真空室进行抽真空至真空度为1.0
×
10
‑3Pa～5.0
×
10
‑3Pa时，打开加热装置开关，对真空室加热至200℃～400℃；
[0010](3)继续对步骤(2)中加热至200℃～400℃的真空室抽真空至真空度低于1.0
×
10
‑3Pa～5.0
×
10
‑3Pa，然后开启氩气的控制阀门，向真空室内通入氩气并维持真空度为1.0Pa～5.0Pa，打开偏压电源向基片施加负偏压至500V～800V并调节占空比至50％～80％，对基片进行溅射清洗和活化10min～30min；上述过程结束后，关闭负偏压电源和氩气的控制阀门，并调节占空比为0，得到活化基片；所述氩气的质量纯度不小于99.99％；
[0011](4)对步骤(4)中装有活化基片的真空室进行抽真空至真空度为1.0
×
10
‑3Pa～5.0
×
10
‑3Pa，再次开启氩气的控制阀门，通入氩气并维持真空度为1.0Pa～5.0Pa，打开偏压电源并调节负偏压至100V～300V，占空比为40％～60％，然后打开Ti弧靶电源，Ti弧靶电流90A～150A，通过Ti弧靶溅射的金属Ti金属粒子在活化基片上镀制Ti金属打底层；所述Ti合金弧靶的质量纯度不小于99.99％；
[0012](5)继续维持真空室内的负偏压为100V～300V，占空比为40％～60％，Ti弧靶电流90A～150A，开启氮气的控制阀门，向真空室内通入氮气并将氮气流量由0sccm逐渐调高至1800sccm，同时调低氩气流量，使真空室的真空度维持在1.0Pa～5.0Pa；该过程通过Ti弧靶溅射出的Ti金属粒子与氮气反应，在步骤(4)中镀制的Ti金属打底层的表面沉积Ti
‑
N成分过渡层；
[0013](6)打开CrAl合金弧靶电源，CrAl合金弧靶电流由0A逐渐增大至90A～180A，通过CrAl合金弧和Ti弧靶溅射的金属粒子与氮气反应在Ti
‑
N成分过渡层上制备TiCrAl
‑
N成分过渡层；
[0014](7)打开Mo弧靶电源，并将Mo弧靶电流由0A逐步调高至120A～200A；该过程通过Ti弧靶、CrAl合金弧靶和Mo弧靶溅射出的金属粒子与氮气反应，在步骤(5)中镀制的TiCrAl
‑
N成分过渡层的表面沉积TiCrAlMo
‑
N成分过渡层；
[0015](8)维持Mo弧靶的电流120A～200A不变，该过程通过Ti弧靶、CrAl合金弧靶和Mo弧靶溅出的金属粒子与氮气反应在步骤(7)中镀制的TiCrAlMo
‑
N成分过渡层的表面沉积TiCrAlMoN本体层；所述TiCrAlMoN本体层中各元素的成分的原子百分比范围：Ti：15％～30％；Cr：5％～20％；Al：3％～12％；Mo：5％～12％，余量为N；
[0016](9)关闭Ti弧靶、CrAl合金弧靶和Mo弧靶电源，然后关闭氮气的阀门，保持氩气控制阀门的开启，并调高氩气流量，使真空室的真空度维持在1.0Pa～3.0Pa，同时调节负偏压至500V～800V，调节占空比至50％～80％，对TiCrAlMoN本体层的表层进行溅射轰击，溅射轰击时间为5min～15min；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.海洋环境用钛合金表面涂层，其特征在于：其为TiCrAlMoN复合涂层，由Ti金属打底层、Ti
‑
N成分过渡层、TiCrAl
‑
N成分过渡层、TiCrAlMo
‑
N成分过渡层成分过渡层和TiCrAlMoN本体层构成，各元素的成分的原子百分比范围：Ti：15％～30％；Cr：5％～20％；Al：3％～12％；Mo：5％～12％，余量为N。2.根据权利要求1所述的海洋环境用钛合金表面涂层的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：(1)采用不同粗糙度的砂纸由粗至细对基片表面进行研磨抛光，然后依次放入分析纯丙酮和分析纯乙醇中进行超声清洗，去除表面污染物；再放入去离子水进行超声清洗，进一步清洁基片；最后采用热风机吹干，得到洁净的基片；(2)将Ti靶、CrAl合金弧靶、Mo弧靶固定在多弧离子镀设备的靶座上，将步骤一中得到的洁净基片装入多弧离子镀设备的真空室，并固定在转架台的样品架上，然后关闭炉门，依次打开机械泵和分子泵对真空室进行抽真空至真空度为1.0
×
10
‑3Pa～5.0
×
10
‑3Pa时，打开加热装置开关，对真空室加热至200℃～400℃；(3)继续对步骤(2)中加热至200℃～400℃的真空室抽真空至真空度低于1.0
×
10
‑3Pa～5.0
×
10
‑3Pa，然后开启氩气的控制阀门，向真空室内通入氩气并维持真空度为1.0Pa～5.0Pa，打开偏压电源向基片施加负偏压至500V～800V并调节占空比至50％～80％，对基片进行溅射清洗和活化10min～30min；上述过程结束后，关闭负偏压电源和氩气的控制阀门，并调节占空比为0，得到活化基片；所述氩气的质量纯度不小于99.99％；(4)对步骤(4)中装有活化基片的真空室进行抽真空至真空度为1.0
×
10
‑3Pa～5.0
×
10
‑3Pa，再次开启氩气的控制阀门，通入氩气并维持真空度为1.0Pa～5.0Pa，打开偏压电源并调节负偏压至100V～300V，占空比为40％～60％，然后打开Ti弧靶电源，Ti弧靶电流90A～150A，通过Ti弧靶溅射的金属Ti金属粒子在活化基片上镀制Ti金属打底层；所述Ti合金弧靶的质量纯度不小于99.99％；(5)继续维持真空室内的负偏压为100V～300V，占空比为40％～60％，Ti弧靶电流90A～150A，开启氮气的控制阀门，向真空室内通入氮气并将氮气流量由0sccm逐渐调高至1800sccm，同时调低氩气流量，使真空室的真空度维持在1.0Pa～5.0Pa；该过程通过Ti弧靶溅射出的Ti金属粒子与氮气反应，在步骤(4)中镀制的Ti金属打底层的表面沉积Ti
‑
N成分过渡层；(6)打开CrAl合金弧靶电源，CrAl合金弧靶电流由0A逐渐增大至90A～180A，通过CrAl合金弧和Ti弧靶溅射的金属粒子与氮气反应在Ti
‑
N成分过渡层上制备TiCrAl
‑
N成分过渡层；(7)打开Mo弧靶电源，并将Mo弧靶电流由0A逐步调高至120A～200A；该过程通过Ti弧靶、CrAl合金弧靶和Mo弧...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵婧，舒滢，陈肖，苏杭标，刘伟，杜宇，张晨博，李修雷，盖少飞，
申请(专利权)人：西安秦钛智造科技有限公司，
类型：发明
国别省市：