一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层及其制备方法，该涂层具有等轴晶结构及微米级块状晶粒形貌，该结构可以有效改善碳氮化钛涂层与316L不锈钢基体之间的热膨胀系数失配，并降低涂层与基体之间界面应力以及涂层内应力的特点，具备等轴晶与微米级块状晶粒的碳氮化钛涂层材料可以实现高防腐、高耐磨及低应力的兼顾，该涂层与金属基体实现冶金结合，兼具高防腐、高耐磨、良好韧性与结合力等特点。本发明专利技术所述涂层可以有效改善地面管线用316L不锈钢材料的防腐蚀与耐磨损性能。316L不锈钢材料的防腐蚀与耐磨损性能。316L不锈钢材料的防腐蚀与耐磨损性能。

【技术实现步骤摘要】
一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于及金属间化合物防腐蚀耐磨损涂层
，具体涉及一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]316L不锈钢是目前油气田地面输送管道普遍采用的一种管道材质，其防腐蚀耐磨损性能主要依靠自身防腐能力以及外部涂覆环氧类防腐涂料。然而在长期的腐蚀与磨损工况下，316L不锈钢自身防腐蚀性能依然不足。环氧类防腐涂料是目前油气田金属管道表面腐蚀防护的主要手段之一，可用于316L不锈钢管道的腐蚀与磨损防护。然而环氧类防腐涂料存在耐磨损性能差、致密度低等缺点，腐蚀介质仍能对316L不锈钢管体造成较为严重的腐蚀，无法实现长期有效的腐蚀防护，因此，油气田地面管线用316L不锈钢管材的腐蚀与磨损防护能力亟需进一步增强。
[0003]碳氮化钛属于金属间化合物，其结构内部C、N原子分别占据晶格格点及晶格间隙位置。碳氮化钛涂层具有防酸碱腐蚀、耐磨损、强韧性及良好化学稳定性等优点，常用作金属、陶瓷、炭基复合材料等表面防腐蚀耐磨损涂层以提高其力学性能及使用寿命。但是，采用传统方法制备的碳化钛涂层通常存在与基体热膨胀系数失配、界面及涂层内部应力大、晶化程度低、缺陷密度高及致密度差等缺点，从而导致钢类金属构件在腐蚀耐磨工况下容易出现腐蚀、剥落与开裂等现象，其对钢材的腐蚀与磨损防护能力受到极大的限制。
[0004]针对上述不足，目前的改进方法由两类：(1)引入Al元素来制备TiAlN涂层，通过Al元素、N元素、Ti元素形成的三元化合物体系，以及TiAl、TiN、AlN等中间相来形成致密结构，以提高涂层的致密度及硬度，并增强涂层的防腐蚀耐磨损性能；该方法一定程度上增强了涂层的致密程度与硬度，提升了涂层的腐蚀防护性能；但是Al元素引入增大了晶格常数及涂层与钢基体的热膨胀系数，进而导致涂层内应力的增加并降低涂层与基体结合力，增大涂层的磨损率，导致钢材基体耐磨性能下降、使用寿命降低。(2)制备基于TiCN的复合涂层。如TiC/TiCN、TiN/TiCN、Ti/TiCN，TiC/TiCN/TiN复合涂层等。尽管TiC/TiCN/TiN复合涂层在致密度、膜基结合力及韧性方面取得较好的结果。然而复合涂层的防腐蚀与耐磨损性能容易受到各子涂层的结构、界面结合、相组成与元素分布的影响，必须通过涂层制备参数的精确控制才能获得具有较好致密度及防腐蚀耐磨损性能的涂层结构。另外，复合涂层的厚度往往显著大于单一涂层，且其加工尺寸的精密度低于单一涂层，而且制备工艺繁琐、生产成本高等。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层及其制备方法，以解决现有技术中316L不锈钢表面的涂层致密度低以及防腐蚀耐磨损性能不足的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，预处理316L不锈钢基材；
[0009]步骤2，在化学气相沉积炉的腔体中通过第一辅助气体预热预处理后的316L不锈钢基材，预热后通入氮源、碳源和钛源在316L不锈钢基材上进行化学反应沉积，所述氮源和碳源均为气态，所述钛源通过第二辅助气体载入；所述化学反应沉积温度为650
‑
850℃，时间为40
‑
120min，所述沉积压力为0.01
‑
0.08MPa；化学反应沉积后，在316L不锈钢基材表面形成碳氮化钛涂层。
[0010]本专利技术的进一步改进在于：
[0011]优选的，所述预处理的过程为：依次在316L不锈钢基材表面进行清洗、喷砂、清洗和烘干处理。
[0012]优选的，所述第一辅助气体为氮气和/或氢气，所述第二辅助气体为氮气。
[0013]优选的，所述氮源为氨气、氮气、二氧化氮，或其组合；所述碳源为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、乙炔，或其组合；所述钛源为四氯化钛、钛粉、钛酸丁酯，或其组合。
[0014]优选的，所述氮源的流量为500
‑
800sccm，所述碳源的流量为600
‑
1000sccm。
[0015]优选的，步骤2后还包括冷却步骤，所述冷却步骤为：
[0016](3
‑
1)第一阶段冷却过程：停止通入氮源、碳源、钛源及第一辅助气体，第二辅助气体的流量调整为100
‑
200sccm，降温速率为5
‑
10℃/min，降温至500
‑
600℃。
[0017](3
‑
2)第二阶段冷却过程：降温至500
‑
600℃时，停止通入第二和第三辅助气体；降温至300
‑
500℃时，停止通入所有辅助气体，随后冷却至室温。
[0018]一种通过上述制备方法制得的316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层，所述涂层附着在316L不锈钢表面，所述涂层由碳氮化钛微米晶粒组成，所述微米晶粒为块状，所述微米晶粒的平均长度为1
‑
3μm，平均宽度为1
‑
4μm，平均厚度为1
‑
15μm。
[0019]优选的，所述微米晶粒的平均长度为1
‑
2.5μm，平均宽度为1
‑
2μm，平均厚度为6
‑
8μm。
[0020]优选的，以原子总数计，涂层中氮元素的原子百分比为20
‑
30％，碳元素的原子百分比为30
‑
50％，钛元素的原子百分比为20
‑
30％，三个元素原子百分比之和≤100％。
[0021]优选的，所述微米晶粒为等轴晶。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术公开了一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层的制备方法，本专利技术的制备方法通过低温化学气相沉积法制备的碳氮化钛涂层具有高致密度、均匀性、高晶化度及低缺陷等特点；并且显著降低涂层与钢基体之间因热膨胀系数失配而产生的应力，并增强与金属管道基体冶金结合强度，具有很强的膜基结合力，从而显著增强油气田地面管线用316L不锈钢的腐蚀与磨损防护性能。
[0024]本专利技术还公开了一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层，该涂层具有等轴晶结构及微米级块状晶粒形貌，该结构可以有效改善碳氮化钛涂层与316L不锈钢基体之间的热膨胀系数失配，并降低涂层与基体之间界面应力以及涂层内应力的特点，具备等轴晶与微米级块状晶粒的碳氮化钛涂层材料可以实现高防腐、高耐磨及低应力的兼顾，该涂层与金属基体实现冶金结合，兼具高防腐、高耐磨、良好韧性与结合力等特点。本专利技术所述涂层可以有效改善地面管线用316L不锈钢材料的防腐蚀与耐磨损性能。
附图说明
[0025]图1为实施例1制备的油气田地面管线用316L不锈钢表面碳氮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，预处理316L不锈钢基材；步骤2，在化学气相沉积炉的腔体中通过第一辅助气体预热预处理后的316L不锈钢基材，预热后通入氮源、碳源和钛源在316L不锈钢基材上进行化学反应沉积，所述氮源和碳源均为气态，所述钛源通过第二辅助气体载入；所述化学反应沉积温度为650
‑
850℃，时间为40
‑
120min，所述沉积压力为0.01
‑
0.08MPa；化学反应沉积后，在316L不锈钢基材表面形成碳氮化钛涂层。2.根据权利要求1所述的一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层的制备方法，其特征在于，所述预处理的过程为：依次在316L不锈钢基材表面进行清洗、喷砂、清洗和烘干处理。3.根据权利要求1所述的一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层的制备方法，其特征在于，所述第一辅助气体为氮气和/或氢气，所述第二辅助气体为氮气。4.根据权利要求1所述的一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层的制备方法，其特征在于，所述氮源为氨气、氮气、二氧化氮，或其组合；所述碳源为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、乙炔，或其组合；所述钛源为四氯化钛、钛粉、钛酸丁酯，或其组合。5.根据权利要求1所述的一种316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层的制备方法，其特征在于，所述氮源的流量为500
‑
800sccm，所述碳源的流量为600
‑
1000sccm。6.根据权利要求1
‑
5任意一项所述的316L不锈钢表面的碳氮化钛涂层的制备方法，其特征在于，步骤2后还包括冷却步骤，所述冷却步骤为：(3

【专利技术属性】
技术研发人员：王少龙，付安庆，尹成先，苏峰，李轩鹏，朱凯峰，李青，崔鹏，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：