陶瓷铁镍合金双仿生多层膜结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了陶瓷铁镍合金双仿生多层膜的制备方法制备步骤包括：将碳钢进行渗碳处理；在渗碳后的表面刻蚀出蜂巢骨架；沿着蜂巢骨架的侧壁和底面交替沉积以具有碳化物形成能力的金属层

【技术实现步骤摘要】
陶瓷铁镍合金双仿生多层膜结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属材料表面处理
，涉及陶瓷铁镍合金双仿生多层膜，还涉及陶瓷铁镍合金双仿生多层膜制备方法。

技术介绍

[0002]科学技术的快速发展对碳钢的表面强韧性、硬度和耐磨性的要求不断提高，在碳钢表面制备陶瓷/金属多层膜是提高表面强韧性的有效性途径，陶瓷/金属多层膜是由硬质陶瓷相和韧性金属相组成的复合材料，陶瓷和金属两种不同的晶体结构和滑移系的组合，对位错的运动起到了很好的阻碍作用，进而提高薄膜的强度；其次，具有良好塑性的金属层交替插入陶瓷层，金属层可以很好地阻碍裂纹扩展，对薄膜断裂韧性的提高起到了很好的作用。目前，国内外科研工作者通过调控多层膜的调制周期、调制比进一步优化了其力学性能，可在一定程度上同时提高硬度和韧性，但受限于多层膜逐层平铺的结构特点，缺乏更多的可调参量和强韧化机制，陶瓷/金属多层膜强韧性的提升出现了新的瓶颈。
[0003]物理气相沉积(PVD)是陶瓷/金属多层膜制备的主要技术，具有无污染、沉积温度低、成膜速度快，精确控制各膜层参数，良好的工艺稳定性等优点，然而通过PVD技术制备的陶瓷/金属多层膜，陶瓷层与金属层的层间界面和膜基界面缺乏明显的元素互扩散，导致界面难以实现冶金结合，进而致使界面结合强度低，制约了表面综合力学性能的进一步提高。
[0004]综上所述，从陶瓷/金属多层膜的结构调控角度来讲，目前可调结构参量只有调制周期和调制比，缺乏更多的可调参量提高强韧性；从陶瓷/金属多层膜的制备方法角度来讲，物理气相沉积制备的多层膜层间界面和膜基界面缺乏冶金结合，界面结合强度低，这两个问题制约了陶瓷/金属多层膜强韧性的进一步提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供陶瓷铁镍合金双仿生多层膜，解决了现有技术中存在的多层膜层间界面结合强度和韧性的问题，本专利技术的另一目的是陶瓷铁镍合金双仿生多层膜制备方法，解决了现有技术中存在的碳钢表面膜层的强韧性差和界面结合强度低的问题。
[0006]本专利技术陶瓷铁镍合金双仿生多层膜，包括基体表面蜂巢结构骨架和沿蜂巢骨架内壁沉积的多层膜。
[0007]本专利技术陶瓷铁镍合金双仿生多层膜的制备方法所采用的技术方案，具体按照以下步骤实施：
[0008]步骤1、将碳钢做为基体通过渗碳炉进行渗碳处理，得到表层具有渗碳钢梯度组织的碳钢；
[0009]步骤2、将经步骤1处理的碳钢进行打磨和抛光，并对其进行蜂巢图案刻蚀，在碳钢表面形成蜂巢结构骨架；
[0010]步骤3：采用薄膜制备工艺沿蜂巢结构骨架内壁进行沉积，形成以第一金属层
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第二金属层
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第三金属层
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第四金属层为周期的多层膜，直至刻蚀凹槽被填平，获得在蜂巢骨
架内形成年轮状多层膜的碳钢；
[0011]步骤4：将经步骤3处理的碳钢放入热处理炉中进行热处理，当所有的第一金属层和第三金属层均转变为碳化物陶瓷层，且所有的第二金属层和第四金属层均转变为合金层时，热处理结束并随炉冷却，完成在碳钢表面形成陶瓷铁镍合金双仿生多层膜。
[0012]本专利技术的特点还在于：步骤1中的碳钢为低碳钢、中碳钢、高碳钢中的一种；
[0013]步骤1中的渗碳处理为固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳、等离子渗碳中的一种，渗碳处理的温度范围为800℃
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1000℃；
[0014]步骤2中的刻蚀的方法为湿法刻蚀、干法刻蚀、机械加工中的一种，刻蚀的深度范围为5μm
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300μm；
[0015]步骤3中第一金属层和第三金属层为具有碳化物形成能力的金属层，所述第二金属层为镍层，所述第四金属层为铁层；
[0016]具有碳化物形成能力的金属层为W、Mo、Cr、Ta、Nb、Ti、Zr和V中的一种或以其为主要化学成分的合金，具有碳化物形成能力的金属层的厚度范围为0.3μm
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3μm；
[0017]中镍层的镍元素的质量分数范围为90％
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99.9999％，沿侧壁沉积的镍层厚度范围为0.3μm
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3μm；
[0018]铁层的铁元素的质量分数范围为90％
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99.9999％，沿侧壁沉积的铁层厚度范围为0.3μm
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3μm；
[0019]步骤3中的薄膜沉积技术采用溅射镀、离子镀、电镀中的一种；
[0020]步骤4中热处理的温度范围为900℃
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1200℃。
[0021]本专利技术的有益效果是：(1)蜂巢正六棱柱体结构具有优秀的几何力学性能，以其极佳的抗压、抗弯和抗断裂特性而闻名于世，三维连通的蜂巢结构基体骨架能够提升抗剪强度；(2)将多层膜进行蜂巢
‑
年轮立体构型化，能够有效阻碍裂纹沿三个维度的扩展，进而提高抗剪强度和减少层间应力，解决了现有技术中存在的多层膜层状结构只沿单一方向排列的结构特点造成的强韧性不足的问题；(3)热处理过程中，碳化物陶瓷由金属与碳原位反应形成，陶瓷层致密无孔、陶瓷相体积分数高、晶界结合力强；(4)铁、镍、具有碳化物形成能力的金属在高温作用下相互扩散，形成粗糙度较高的不规则锯齿状界面，进而导致多层结构层间界面具有冶金结合，提高了多层膜层间界面结合强度和韧性；(5)热处理过程中，铁元素和镍元素的扩散作用将原铁层转变为以铁元素为主要成分的具有体心立方结构的铁镍合金层；将原镍层转变为以镍元素为主要成分的具有面心立方结构的铁镍合金层，使多层膜中具有周期性分布的组织，进一步调控金属层的塑韧性；(6)碳原子从基体表面的蜂巢骨架中向多层膜中扩散，使得陶瓷层晶粒尺寸随着与蜂巢骨架的距离增加而增大，在垂直于蜂巢侧面和底面的方向上具有晶粒梯度；(7)由于渗碳的作用，具有蜂巢结构的高碳钢骨架本身具有梯度组织，使表面强韧性兼备。
附图说明
[0022]图1是本专利技术陶瓷铁镍合金双仿生多层膜制备方法的流程图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0024]本专利技术陶瓷铁镍合金双仿生多层膜，包括基体表面蜂巢结构骨架和沿蜂巢骨架内壁沉积的多层膜。
[0025]本专利技术陶瓷铁镍合金双仿生多层膜制备方法的方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：
[0026]步骤1：将碳钢基体进行渗碳处理，使表层转变为渗碳钢梯度组织；
[0027]碳钢包括低碳钢、中碳钢、高碳钢中的一种；渗碳处理包括固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳、等离子渗碳中的一种；渗碳温度范围为800℃
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1000℃。
[0028]步骤2：将步骤1中得到的渗碳钢梯度组织表面进行打磨和抛光，并对其进行蜂巢图案刻蚀，在碳钢表面形成高碳钢蜂巢结构骨架；蜂巢图案的蜂巢六边形边长范围为10μm
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300μm，蜂巢壁厚范围为5μm
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200μm；刻蚀方法包括湿法刻蚀、干法刻蚀、机械加工中的一种；刻蚀的刻蚀深度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.陶瓷铁镍合金双仿生多层膜，其特征在于，包括基体表面蜂巢结构骨架和沿蜂巢骨架内壁沉积的多层膜。2.陶瓷铁镍合金双仿生多层膜的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、将碳钢做为基体通过渗碳炉进行渗碳处理，得到表层具有渗碳钢梯度组织的碳钢；步骤2、将经步骤1处理的碳钢进行打磨和抛光，并对其进行蜂巢图案刻蚀，在碳钢表面形成蜂巢结构骨架；步骤3：采用薄膜制备工艺沿蜂巢结构骨架内壁进行沉积，形成以第一金属层
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第二金属层
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第三金属层
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第四金属层为周期的多层膜，直至刻蚀凹槽被填平，获得在蜂巢骨架内形成年轮状多层膜的碳钢；步骤4：将经步骤3处理的碳钢放入热处理炉中进行热处理，当所有的第一金属层和第三金属层均转变为碳化物陶瓷层，且所有的第二金属层和第四金属层均转变为合金层时，热处理结束并随炉冷却，完成在碳钢表面形成陶瓷铁镍合金双仿生多层膜。3.根据权利要求2所述的陶瓷铁镍合金双仿生多层膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的碳钢为低碳钢、中碳钢、高碳钢中的一种。4.根据权利要求2所述的陶瓷铁镍合金双仿生多层膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的渗碳处理为固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳、等离子渗碳中的一种，所述渗碳处理的温度范围为800℃
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1000℃。5.根据权利要求2所述的陶瓷铁镍合金双仿生多层膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵梓源，梁飞，沈欢，薛翌倩，赵明轩，李均明，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：