專利名稱：制備(Ti,Al)BN陶瓷基非晶-納米晶耐磨耐蝕復合涂層的工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明提供了一種原位生成(Ti，Al)BN陶瓷基非晶-納米晶耐磨耐蝕涂層新方法。適用于在鈦合金表面制備先進的表面高強韌性、高耐磨、耐腐蝕復合材料制備領域，涉及到金屬-非金屬等離子濺射沉積技木、離子氮化技術、原位合成以及沉積材料種類。
背景技術：
鈦及鈦合金作為ー種重要結構材料，具有密度低、比強度高、抗腐蝕能力強和中溫性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因而被軍用以及民用領域廣泛應用。但是鈦及鈦合金的耐磨損性能差，在還原性酸溶液中易被腐蝕等弱點制約了其應用范圍。磨損與腐蝕是工程材料在使用過程中主要的失效形式，然而這些失效現象大都發(fā)生在材料表面，與材料的表面狀態(tài)密切相關。因此采用各種先進的表面技術獲得良好的改性涂層來提高鈦及鈦合金的表面性能，已經成為 延長其使用壽命、拓展其進ー步應用范圍的有效途徑。鈦硼系化合物(TiB2和TiB)具有高熔點、高硬度、低密度、耐磨性好、高的抗化學腐蝕性等諸多優(yōu)異性能，是非常具有應用潛力的應用材料。且與鈦合金的熱膨脹系數相差不大，若可作為鈦合金表面保護涂層，將大大提高鈦及鈦合金的耐磨性能和耐腐蝕性能。用BN粉末對Ti-6A1-4V合金進行激光表面合金化結果表明，BN在激光熔池中分解并與基體形成TiN和TiB等化合物，從而使合金化層的表面硬度達到1500 1700HVa2，耐磨性能得到較大提高。用PECVD技術制備的TiBN涂層相組成為TiN，TiB和TiB2，硬度達到55GPa，并具有較好的腐蝕抗カ。但鈦硼系化合物涂層的脆性大以及與基材結合力差的缺點限制其應用。

發(fā)明內容
解決的技術問題本發(fā)明的目的在于通過金屬-非金屬等離子濺射沉積技術和離子氮化技術為手段，通過調整靶材中Ti、B、Al元素的含量，在鈦合金基體上沉積得到納米晶TiB2和(Ti，Al)B2涂層。然后在含一定量N2的氣氛中進行離子氮化，可在鈦合金基體上原位生成非晶-納米晶TiBN和非晶-納米晶(Ti，Al) BN涂層。技術方案等離子濺射裝置為雙陰極結構，通過調節(jié)靶材與エ件電壓以及通入真空室中的Ar氣與N2氣氣壓，達到控制靶材(提供欲沉積的合金)的濺射量與エ件表面的溫度。制備(Ti，Al)BN陶瓷基非晶-納米晶耐磨耐蝕復合涂層的エ藝，步驟為a.首先進行雙陰極等離子濺射沉積，エ藝參數如下靶材電壓50(Γ1000 V，エ件電壓30(Γ450 V，靶材與エ件間距10 30 mm,工作氣壓20 45Pa，沉積溫度45(T650°C ；b.然后進行離子氮化，エ藝參數如下エ件電壓65(T850V，氮化溫度45(T600°C，工作氣壓20 45Pa，氮分壓O. 1-1Pa ;離子氮化I 2小時；c.濺射的靶材的種類以熱等靜壓エ藝制備的成分質量配比為Ti:B:Al=6:3:l粉末冶金燒結板；d.エ件材料的種類鈦合金。步驟a中所述靶材電壓800 V，エ件電壓400 V，靶材與エ件間距20 mm，工作氣壓35Pa，沉積溫度500°C。步驟b中所述エ件電壓800V，氮化溫度500°C，工作氣壓35Pa，氮分壓O. 5 Pa ;離子氮化I. 5小時。
有益效果
I.實現了 TiB的合金化。本發(fā)明利用雙陰極等離子濺射技術，通過調整靶材的成分和氣體之間的比例，實現了原位生成(Ti，Al)BN非晶-納米晶復合涂層。簡化了制備エ藝，提高了涂層整體性能。2. (Ti，Al)BN非晶-納米晶復合涂層高的硬度與韌性。本發(fā)明利用雙陰極等離子濺射技術得到的(Ti，A1)BN非晶-納米晶復合涂層是由平均晶粒尺寸為5nm的(Ti，Al)B和大量非晶態(tài)的BN組成，如圖2所示，由于晶粒細化與晶界上分布大量非晶，這種特殊的微觀結構賦予了涂層高的硬度與韌性。3. (Ti1Al)BN非晶-納米晶復合涂層高耐磨性能與耐腐蝕性能以及抗氧化性能。對涂層的磨損性能測試表明，(Ti，Al)BN非晶-納米晶復合涂層比磨損率較鈦合金基體降低了 3個數量級，在3. 5wt. %NaCl溶液中的腐蝕性能測試結果表明，本專利所制得的多相復合非晶-納米晶涂層較鈦合金具有更低的自腐蝕電流密度以及維鈍電流密度，高的極化電阻，從而大大提高了基體的耐腐蝕性能。(Ti，Al) BN非晶-納米晶復合涂層在600°C和700°C氧化100小時結果表明，Al元素的添加明顯提高了涂層抗氧化性能，表面生成的氧化膜致密且與涂層結合緊密。


圖I為(Ti, Al) BN非晶-納米晶涂層橫截面SEM照片；
圖2為(Ti，A1)BN非晶-納米晶涂層，其中(a)為明場相TEM照片，(b)為相應暗場相TEM照片。
具體實施方案下面結合實施例對本發(fā)明作進ー步詳細說明。實施例I :
制備(Ti，Al)BN陶瓷基非晶-納米晶耐磨耐蝕復合涂層的エ藝，步驟為
a.首先進行雙陰極等離子濺射沉積，エ藝參數如下靶材電壓800 V，エ件電壓400 V,靶材與エ件間距20 mm，工作氣壓35Pa，沉積溫度500°C ；
b.然后進行離子氮化，エ藝參數如下エ件電壓800V，エ件溫度500°C，工作氣壓35Pa，氮分壓O. 5 Pa ;離子氮化I. 5小時。c.濺射的靶材的種類以熱等靜壓エ藝制備的成分質量配比為Ti:B:Al=6:3:l粉末冶金燒結板；
d.エ件材料的種類鈦合金。圖I為以熱等靜壓エ藝制備的成分配比為Ti:B:Al=6:3:l粉末冶金燒結板為靶材，在純Ti表面所形成多元合金化(Ti，A1)BN非晶-納米晶復合涂層的SEM照片，可以看出涂層連續(xù)致密，無明顯缺陷。圖2為(Ti，Al)BN非晶-納米晶復合涂層的透射電鏡照片。通過透射電鏡觀察可以看出涂層是由平均晶粒尺寸為5nm的(Ti，A1)B和大量非晶態(tài)的BN組成。非晶-納米晶復合涂層的硬度為43GPa，弾性模量為379GPa，涂層與基體的結合力為63N。利用壓痕法證明該非晶-納米晶復合涂層具有高的韌性。對該涂層在室溫，ZrO2為摩擦副條件下磨損試驗結果表明非晶-納米晶復合涂層比磨損率較比磨損率較鈦合金基體降低了 3個數量級。在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蝕性能測試結果表明，本發(fā)明所制得的非晶-納米晶復合涂層具有較基體維鈍電流密度降低了 2個數量級，極化電阻提高了ー個數量級，明顯改善了基體的耐腐蝕性能。在600°C和700°C對非晶-納米晶復合涂層氧化100小時結果表明，涂層表面生成了一層致密且與涂層結合緊密的Al2O3氧化膜，Al元素的添加明顯提高了涂層抗氧化性能。本發(fā)明通過金屬-非金屬等離子濺射沉積技術在鈦合金表面預制備納米晶TiB2和(Ti，Al)B2涂層，然后進行離子氮化，原位形成非晶/納米晶復合涂層。分布在納米晶晶間的非晶BN化合物具有低的彈性模量，能夠在納米晶粒之間起到晶相兼容的作用，即有外力作用時容許納米顆粒有一定程度的位移，降低體系的有效彈性模量，增強材料的韌性，從 而提高材料的磨損抗カ。此外，通過在靶材中加入一定含量的Al，可對涂層進行Al合金化，有利于改善涂層的抗氧化性能。
實施例2
制備(Ti，Al)BN陶瓷基非晶-納米晶耐磨耐蝕復合涂層的エ藝，步驟為首先進行雙陰極等離子濺射沉積，エ藝參數如下靶材電壓1000 V，エ件電壓450 V，靶材與エ件間距30mm，工作氣壓45Pa，沉積溫度650°C;然后進行離子氮化，エ藝參數如下エ件電壓850V，氮化溫度600°C，工作氣壓45Pa，氮分壓I Pa ;離子氮化2小時；濺射的靶材的種類以熱等靜壓エ藝制備的成分質量配比為Ti:B:Al=6:3:l粉末冶金燒結板；エ件材料的種類鈦合金。所得涂層性能略低于實施例I。
實施例3
制備(Ti，Al)BN陶瓷基非晶-納米晶耐磨耐蝕復合涂層的エ藝，步驟為首先進行雙陰極等離子濺射沉積，エ藝參數如下靶材電壓500 V，エ件電壓300 V，靶材與エ件間距10mm，工作氣壓20Pa，沉積溫度450°C;然后進行離子氮化，エ藝參數如下エ件電壓650V，氮化溫度450°C，工作氣壓20Pa，氮分壓O. I Pa ;離子氮化I小時；濺射的靶材的種類以熱等靜壓エ藝制備的成分質量配比為Ti:B:Al=6:3:l粉末冶金燒結板；エ件材料的種類鈦合金。所得涂層性能略低于實施例I。
權利要求
1.制備(Ti，Al)BN陶瓷基非晶-納米晶耐磨耐蝕復合涂層的エ藝，其特征在于步驟為 a.首先進行雙陰極等離子濺射沉積，エ藝參數如下靶材電壓50(Γ1000V，エ件電壓300 450 V，靶材與エ件間距10 30 mm，工作氣壓20 45Pa，沉積溫度450 650で； b.然后進行離子氮化，エ藝參數如下エ件電壓65(T850V，氮化溫度45(T600°C，エ作氣壓2(T45Pa，氮分壓O. 1-1 Pa ;離子氮化I 2小時； c.濺射的靶材的種類以熱等靜壓エ藝制備的成分質量配比為Ti:B:Al=6:3:l粉末冶金燒結板； d.エ件材料的種類鈦合金。
2.根據權利要求I所述的制備(Ti，A1)BN陶瓷基非晶-納米晶耐磨耐蝕復合涂層的エ藝，其特征在于所述步驟a中靶材電壓800 V，エ件電壓400 V，靶材與エ件間距20 mm，エ作氣壓35Pa，沉積溫度500°C。
3.根據權利要求I所述的制備(Ti，A1)BN陶瓷基非晶-納米晶耐磨耐蝕復合涂層的エ藝，其特征在于所述步驟b中エ件電壓800V，氮化溫度500°C，工作氣壓35Pa，氮分壓O. 5Pa ；尚子氮化I. 5小時。
全文摘要
制備(Ti,Al)BN陶瓷基非晶-納米晶耐磨耐蝕復合涂層的工藝，步驟為首先進行雙陰極等離子濺射沉積；然后進行離子氮化；濺射的靶材的種類以熱等靜壓工藝制備的成分質量配比為Ti:B:Al=6:3:1粉末冶金燒結板；工件材料的種類鈦合金。本發(fā)明利用雙陰極等離子濺射技術，通過調整靶材的成分和氣體之間的比例，實現了原位生成(Ti,Al)BN非晶-納米晶復合涂層。簡化了制備工藝，提高了涂層整體性能。
文檔編號C23C14/14GK102660732SQ20121013284
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權日2012年4月28日
發(fā)明者徐江 申請人:南京航空航天大學