【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于金属材料表面改性的涂层，具体涉及一种用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层及制备方法。
技术介绍
1、铝合金涡轮增压器叶轮是装甲车辆动力的重要组成部分，是进气系统的核心，其性能和可靠性直接决定着发动机的性能及环境适应性。然而，当砂尘吸入增压器中与高速旋转的叶轮发生相互碰撞，将会对叶轮表面产生较大的冲蚀损伤。随着坦克发动机技术的发展，第二代的坦克发动机去除了毛毡等砂尘过滤装置，这使得砂尘粒子的分离效率大大降低，进入发动机的砂粒尺寸，从70μm提升到200μm，甚至更高。发动机吸入的高硬度、高浓度砂尘，将严重损伤铝合金叶轮外形，导致其增压效果下降、使用寿命降低，影响装甲车辆的作战性能和耐久性。为提高涡轮增压器叶轮在沙漠环境下的服役性能，延长其使用寿命，减少冲蚀磨损的损伤，亟需对铝合金表面进行防砂抗疲劳的强化。
2、基于pvd(physical vapor deposition，pvd)所制备的氮化物涂层，具有较高的硬度，良好的耐磨损性能，是提高铝合金抗砂尘冲蚀性能的有效手段。然而，氮化物涂层与铝合金在热导率、强韧匹配性等方面差异较大，以及铝极易氧化使得其表面总存在一层致密的氧化膜，导致铝和氮化物涂层的界面结合差。并且，铝合金与氮化物涂层在晶格常数之间的差异，抑制了氮化物在铝合金基体上的形核过程，导致氮化物涂层生长速度较低，生长应力过大，使得氮化物涂层无法表现出理想的抗磨损性能。铝合金与氮化物陶瓷涂层在物理性能的差异，对涂层的结构设计提出了更高的要求，防砂涂层除与基体保持强结合外，冲蚀性能必须得到保证。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决现有用于铝合金表面的涂层类型和结构无法同时兼顾防砂和抗疲劳性能的技术问题，而提供一种用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层及制备方法。
2、本专利技术的技术方案是：
3、一种用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层，其特殊之处在于：包括沿厚度方向依次叠层铺设在基体表面的等离子体蚀刻层、金属离子注入层、ti金属过渡层和tin/ti纳米循环层；
4、所述tin/ti纳米循环层包括沿厚度方向叠层铺设的n个循环层，2＜n≤20，n为正整数，单个循环层的厚度均相同；每个循环层均包括tin陶瓷层和叠层铺设在tin陶瓷层外表面的ti金属层；所述多个循环层中，ti金属层的厚度沿基体至涂层外表面方向逐层递减，tin陶瓷层的厚度沿基体至涂层外表面方向逐层递增；
5、所述ti金属过渡层和tin/ti纳米循环层均采用磁过滤阴极真空弧溅射制备得到；
6、所述ti金属过渡层和tin/ti纳米循环层中均夹杂有ti离子溅射层；ti离子溅射层通过在磁过滤阴极真空弧溅射过程中每10～15分钟进行一次ti溅射形成；
7、所述等离子体蚀刻层的深度为0.2～5μm；
8、所述金属离子注入层的深度为60～200nm；
9、所述ti金属过渡层的厚度为2～5μm；
10、所述ti离子溅射层的单层厚度为10～50nm；
11、单个循环层的总厚度为0.2～3μm。
12、进一步地，所述等离子体蚀刻层的深度为0.5～3μm；所述金属离子注入层的深度为100～160nm；所述ti金属过渡层的厚度为3～4μm；ti离子溅射层8的单层厚度为20～40nm；单个循环层厚度为1～3μm。
13、进一步地，所述等离子体蚀刻层的深度为2μm；所述金属离子注入层的深度为150nm；所述ti金属过渡层的厚度为4μm；所述ti离子溅射层8的单层厚度为30nm；所述tin/ti纳米循环层的总厚度为12μm，循环层数n为9。
14、同时，本专利技术还提供了一种上述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
15、1)对待涂层的铝合金基体表面进行预处理，使其保持干燥洁净；
16、2)采用等离子体蚀刻技术在常温下对基体表面进行等离子体蚀刻处理，然后采用金属真空蒸汽离子源注入方法在常温下对等离子体蚀刻处理后的基体表面注入ti元素，形成等离子体蚀刻层和金属离子注入层；其中，等离子体蚀刻层的深度为0.2～5μm，金属离子注入层的深度为60～200nm；
17、3)采用磁过滤真空弧沉积方法在常温下对金属离子注入层表面进行ti金属过渡层的沉积，ti金属过渡层的厚度为2～5μm；
18、4)结合磁过滤真空阴极弧沉积方法和可编译流量控制器，常温下通过控制n2流量和ti金属输入量在ti金属过渡层表面制备n个交替的tin陶瓷层和ti金属层，2＜n≤20，n为正整数，得到tin/ti纳米循环层，完成用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备；
19、其中，单个循环层的总厚度为0.2～3μm；制备单个循环层过程中，制备tin陶瓷层时，n2流量为40～80sccm，制备ti金属层时，n2流量为0sccm；各循环层的厚度保持相同，多个循环层中，ti金属层的厚度沿基体至涂层外表面方向逐层递减，tin陶瓷层的厚度沿基体至涂层外表面方向逐层递增；
20、在步骤3)和步骤4)中，采用磁过滤阴极真空弧溅射的方法每10～15分钟进行一次ti溅射，形成ti离子溅射层；
21、每次溅射的条件为：n2流量为0sccm，起弧电流为50～80a，进行三遍负偏压溅射，三遍负偏压溅射的电压按顺序依次为-500v、-300v和-200v，占空比为50％～80％，且每个负偏压下保持30～40s。
22、进一步地，步骤2)中，等离子体蚀刻处理的实施条件为：清洗功率为200～1000w，频率为5～12mhz，反应气体为ar，流量为50～200sccm，炉内真空度为0.1～50pa，常温下刻蚀5～30min。
23、进一步地，步骤2)中，离子注入的实施条件为：真空度为1.0×10-4～1.0×10-3pa，常温，注入电压为6～15kv，束流强度为4～10ma，注入离子总剂量为1.0×1016～1.0×1017mc/cm2。
24、进一步地，步骤3)中，磁过滤真空弧沉积方法具体实施条件为：真空度为1.0×10-4～1.0×10-3pa，常温，起弧电流为40～60a，磁场电流1～4a，负偏压为-50～-150v，占空比为20％～60％，束流强度为300～400ma本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层，其特征在于：包括沿厚度方向依次叠层铺设在基体(1)表面的等离子体蚀刻层(2)、金属离子注入层(3)、Ti金属过渡层(4)和TiN/Ti纳米循环层(5)；
2.根据权利要求1所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层，其特征在于：
4.一种权利要求1-3任一所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)中，等离子体蚀刻处理的实施条件为：清洗功率为200～1000W，频率为5～12MHz，反应气体为Ar，流量为50～200sccm，炉内真空度为0.1～50Pa，常温下刻蚀5～30min。
6.根据权利要求5所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)中，离子注入的实施条件为：真空度为1.0×10-4～1.0×10-3Pa，常温
7.根据权利要求6所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备方法，其特征在于，步骤3)中，磁过滤真空弧沉积方法具体实施条件为：真空度为1.0×10-4～1.0×10-3Pa，常温，起弧电流为40～60A，磁场电流1～4A，负偏压为-50～-150V，占空比为20％～60％，束流强度为300～400mA。
8.根据权利要求7所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备方法，其特征在于，步骤4)中，磁过滤真空阴极弧沉积方法具体实施条件为：真空度为1.0×10-4～8.0×10-3Pa，常温，起弧电流为50～80A，磁场电流1～4A，负偏压为-40～-100V，占空比为20％～60％，束流强度为300～500mA。
9.根据权利要求8所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备方法，其特征在于，步骤1)具体为：采用无水乙醇和丙酮对待涂层的铝合金基体(1)进行超声波清洗2次，每次10分钟，并迅速用高纯氮气吹干。
10.根据权利要求9所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备方法，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层，其特征在于：包括沿厚度方向依次叠层铺设在基体(1)表面的等离子体蚀刻层(2)、金属离子注入层(3)、ti金属过渡层(4)和tin/ti纳米循环层(5)；
2.根据权利要求1所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层，其特征在于：
4.一种权利要求1-3任一所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)中，等离子体蚀刻处理的实施条件为：清洗功率为200～1000w，频率为5～12mhz，反应气体为ar，流量为50～200sccm，炉内真空度为0.1～50pa，常温下刻蚀5～30min。
6.根据权利要求5所述的用于铝合金表面强化的防砂抗疲劳一体化涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)中，离子注入的实施条件为：真空度为1.0×10-4～1.0×10-3pa，常温，注入电压为6～15kv，束流强度为4～10ma，注...
【专利技术属性】
技术研发人员：张兆路，周志福，柴艳，任昱鑫，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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