(110)面择优取向的MAX相涂层及制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种(110)面择优取向的MAX相涂层及制备方法与应用。所述制备方法包括：采用双靶高功率脉冲磁控溅射复合同步脉冲偏压技术，以金属靶和C靶为靶材，并使金属靶与C靶之间的磁场为磁铁极性相反的闭合磁场或磁铁极性相同的镜面磁场，从而在基体表面沉积(110)面择优取向的MAX相涂层；其中，所述金属靶选自TiAl靶、CrAl靶或VAl靶。本发明专利技术提供的MAX相涂层的沉积温度低，同时(110)面择优取向的MAX相涂层的具有纯度高、表面平滑、成分均匀、结构致密等优点，在耐高温氧化或耐腐蚀防护领域有很好的应用前景。护领域有很好的应用前景。护领域有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
(110)面择优取向的MAX相涂层及制备方法与应用


[0001]本专利技术属于材料表面处理
，具体涉及一种(110)面择优取向的MAX相涂层及制备方法与应用。

技术介绍

[0002]M
n+1
AX
n
(简称MAX)相是一大类热力学稳定、具有密排六方结构的纳米层状金属碳化物或氮化物陶瓷材料，原子结构由M
n+1
X
n
片层与紧密堆积的纯A原子层在c方向上交替堆垛组成，X原子一般填充在由M原子构成的八面体间隙中。其中，M主要代表IVB
‑
VIB过渡金属，A主要来自III或IV主族元素，X代表C或N。Ti2AlC、Cr2AlC、V2AlC是MAX相材料的典型代表，其不但具有优异的耐化学腐蚀和抗高温氧化能力、良好的抗热冲击性，还具有出色的中子辐照稳定性。此外，独特的层状结构和化学键特性还使Ti2AlC、Cr2AlC和V2AlC具有较好的氧化诱导自愈合能力；并且，其还具有与不锈钢、高性能Zr合金等材料相匹配的热物理性能，这些优异特性使Al基的Ti2AlC、Cr2AlC、V2AlC涂层作为一种锆合金表面耐事故涂层受到了国内外广泛关注。
[0003]由于MAX相材料不仅具有严格的化学成分，还具有复杂的晶胞结构及较大的c轴晶胞参数(如211系Cr2AlC c轴长)，导致高纯相制备窗口窄，结晶所需原子扩散距离长，制备温度高。在MAX相涂层材料的常见制备方法中，如热喷涂(包括火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂)、冷喷涂及物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)等，MAX相的合成温度都在500℃以上，界面的结合强度相对较低，且合成产物中常常伴随着粉末氧化脱碳和杂质相(TiC
x
、Ti3AlC、Zr
x
Al、CrC
x
或AlCr
x
等化合物)生成等现象，降低了材料的高温防护性能。
[0004]对211系的Ti2AlC、Cr2AlC、V2AlC MAX相防护涂层材料来说，目前制备方法主要为磁控溅射和阴极电弧离子镀等PVD技术，但完全晶化温度常在500～900℃范围内，仍高于常用合金和锆包壳材料的最终退火温度(450～600℃)，限制了其在重大技术装备关键领域的表面防护应用。
[0005]综上，由于MAX相材料竞争相较多、结构复杂，成相温度高，如何降低MAX相涂层的制备温度，实现MAX相涂层的高纯低温晶化，是拓展MAX相材料在温度敏感基体领域的适用范围急需突破的瓶颈之一，尤其对应用于ATF锆合金包壳苛刻服役环境具有重要的研究价值和意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种(110)面择优取向的MAX相涂层及制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
[0007]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0008]本专利技术实施例提供了一种(110)面择优取向的MAX相涂层的制备方法，其包括：
[0009]采用双靶高功率脉冲磁控溅射复合同步脉冲偏压技术，以金属靶和C靶为靶材，并
使金属靶与C靶之间的磁场为磁铁极性相反的闭合磁场或磁铁极性相同的镜面磁场，从而在基体表面沉积(110)面择优取向的MAX相涂层；其中，所述金属靶选自TiAl靶、CrAl靶或VAl靶。
[0010]本专利技术实施例还提供了前述的低温制备方法制得的(110)面择优取向的MAX相涂层，所述MAX相涂层中的晶体以(110)晶面择优取向生长，所述MAX相涂层的织构系数为2～3。
[0011]本专利技术实施例还提供了前述的(110)面择优取向的MAX相涂层于基底耐高温氧化或耐腐蚀防护领域中的应用。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0013](1)本专利技术利用高功率脉冲电源对靶材进行溅射，靶材高功率放电中较低的占空比和较高的峰值功率密度提高了溅射材料离化率，增强了入射到基体表面粒子的动力学能量，延长了成膜粒子的扩散距离，在改善涂层生长动力学条件的同时，提高了成膜粒子成分控制的精确度；同时通过调控同步脉冲偏压的施加时间和电压幅值，在提升沉积离子束流迁移能的同时可显著增强荷能对成膜表面的持续轰击作用，达到改善涂层致密性及膜基结合力的目的，从而可在较低的基体加热温度下制备出(110)面择优取向的MAX相涂层；
[0014](2)本专利技术中的双靶高功率脉冲磁控溅射复合同步脉冲偏压技术综合了传统磁控溅射低温沉积、表面均匀光滑、无大颗粒缺陷和电弧离子镀阴极材料离化率高、膜
‑
基结合强、涂层致密的优点，同时改善了传统磁控溅射中存在的靶材低利用率、跑道区窄、内应力大等问题，使得制备的涂层表面无大颗粒聚积现象，涂层表面平滑、成分均匀、结构致密；同时具有良好的高温氧化、耐腐蚀性能。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1是本专利技术实施例1中制备的(110)面择优取向的Cr2AlC MAX相涂层中双靶高功率脉冲磁控溅射复合同步脉冲偏压的放电特征图；
[0017]图2是本专利技术实施例1与对比例1制得的MAX相涂层的XRD谱图；
[0018]图3是本专利技术实施例1与对比例1制得的MAX相涂层的拉曼光谱图；
[0019]图4是本专利技术实施例1制得的(110)面择优取向的MAX相涂层的表面形貌图；
[0020]图5是本专利技术对比例1制得的MAX相涂层的表面形貌图；
[0021]图6是本专利技术实施例2与对比例2制得的MAX相涂层的XRD谱图；
[0022]图7是本专利技术实施例2与对比例2制得的MAX相涂层的拉曼光谱图；
[0023]图8是本专利技术实施例2制得的(110)面择优取向的MAX相涂层的表面形貌图；
[0024]图9是本专利技术对比例2制得的MAX相涂层的表面形貌图；
[0025]图10是本专利技术实施例1与对比例3制得的MAX相涂层的XRD谱图；
[0026]图11是本专利技术实施例1与对比例3制得的MAX相涂层的拉曼光谱图；
[0027]图12是本专利技术实施例1与对比例1制得的MAX相涂层与Ti
‑
6Al
‑
4V基体的电化学腐
蚀图。
具体实施方式
[0028]鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，本专利技术设计使用双靶高功率脉冲磁控溅射复合同步脉冲偏压技术，来实现MAX相涂层的高纯相低温制备。利用高功率脉冲电源对TiAl/CrAl/VAl靶和C靶进行溅射，高功率放电中较低的占空比和较高的峰值功率密度提高了溅射材料离化率，增强了入射到基体表面粒子的动力学能量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种(110)面择优取向的MAX相涂层的制备方法，其特征在于，包括：采用双靶高功率脉冲磁控溅射复合同步脉冲偏压技术，以金属靶和C靶为靶材，并使金属靶与C靶之间的磁场为磁铁极性相反的闭合磁场或磁铁极性相同的镜面磁场，从而在基体表面沉积(110)面择优取向的MAX相涂层；其中，所述金属靶选自TiAl靶、CrAl靶或VAl靶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述双靶高功率脉冲磁控溅射复合同步脉冲偏压技术采用的脉冲负偏压的频率为100～1000Hz，占空比为10～15％，脉宽为150～1500μs，延时为0～250μs，幅值为0～200V；和/或，所述沉积温度为320～600℃。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括：将所述基体置于反应腔体中，并以金属靶和C靶为靶材，以保护性气体作为工作气体，采用双靶高功率脉冲磁控溅射复合同步脉冲偏压技术，对基体施加与双靶高功率脉冲磁控溅射放电脉冲同步的脉冲负偏压，在所述基体的表面沉积形成(110)面择优取向的MAX相涂层；其中，所述双靶高功率脉冲磁控溅射技术采用的电源的频率为100～1000Hz，周期1000～10000μs，金属靶的功率为75～150W，占空比为2.5～5％，脉冲时间为25～500μs；C靶的功率为90～180W，占空比为5～10％，脉冲时间为50～1000μs；工作气压为0.2～1.0Pa，沉积时间为240～1200min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括：将所述基体置于反应腔体中，抽真空至5
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10
‑4Pa以下，对所述基体加热并向腔体中通入保护性气体，同时打开金属靶与C靶的电源，利用磁控溅射技术对所述金属靶与C靶进行自清洁处理；其中，基体温度为320～600℃，反应腔体的气压为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：汪爱英，周广学，王振玉，陈仁德，王丽，
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：