專利名稱：一種防護涂層及其制備方法
技術領域：
本發明涉及材料科學，特別提供了一種防護涂層及其制備方法。
背景技術：
航空發動機尾氣壓氣機葉片材料多采用不銹鋼，在通常的干燥空氣中，表面能形成致密的Cr2O3層，可阻止基體材料的進一步氧化，從而具有較好的防腐蝕性能。但由于航空發動機尾氣壓氣機葉片工作在300-600℃之間，而且還常常受到水蒸氣、活性Cl-離子腐蝕以及動靜載荷等綜合作用，致使壓氣機葉片在短時間內快速腐蝕，造成壓氣機葉片無法正常工作，給飛行安全帶來極大影響。因而通過有效的防護手段來提高飛機構件的使用壽命便成為航空工業發展中重要的研究方向。
TiAlN涂層，具有高的抗高溫氧化和高溫耐磨性能，結構致密，可對高溫零件進行有效的防護。但是，三元TiAlN涂層與不銹鋼基體間存在著較大的晶格錯配度，使得薄膜與基體的結合力急劇下降，甚至在薄膜的制備過程中就會發生剝離現象。而且在相同工藝條件下，隨Al含量的增加，TiAlN涂層與基體之間的結合強度逐漸減小，膨脹系數的差異增大，嚴重影響涂層與基體之間的結合強度。可見要使TiAlN涂層得到實際應用，必須提高涂層與基體的結合力。
近年來，研究發現通過施加中間層可提高TiAlN涂層的結合性能，中間層的加入可影響上層涂層的生長，其中TiN中間層能顯著的提高TiAlN涂層與基體的結合強度和耐磨性。但在高溫下，由于成分的差異，涂層間可產生明顯的擴散現象，生成新的脆性相，從而顯著影響涂層的使用壽命。人們渴望一種性能更好的相關防護涂層及其簡便的制備方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種防護涂層及其制備方法。
本發明一種防護涂層，其特征在于所述涂層是多層TiAlN/TiN涂層。
本發明所述防護涂層，其特征在于所述涂層是多層TiAlN/TiN涂層；涂層所用靶材為TiAl合金和純Ti，其中TiAl合金的含Al原子百分比為10％～30％。
本發明所述防護涂層，其特征在于所述多層TiAlN/TiN涂層是TiAl30N-TiAl20N-TiAl10N-TiN梯度涂層；其中TiN合金涂層(2)直接沉積在基體(1)表面，然后在TiN合金涂層(2)表面先后依次沉積有TiAl10N層(3)、TiAl20N層(4)及TiAl30N層(5)。
本發明所述防護涂層，其特征在于各層涂層厚度均為0.5～2μm，涂層總厚度為2～10μm；優選的各層單層層厚為1～2μm，優選的總厚度為6～8μm。
本發明一種如上所述防護涂層的制備方法，其特征在于選用含Al原子百分比為10％～30％的TiAl合金及純Ti作為靶材，制備多層TiAlN/TiN涂層。
本發明所述一種防護涂層的制備方法，其特征在于首先在基體(1)表面用多弧離子鍍的方法制備TiN合金涂層(2)；然后在TiN合金涂層(2)表面先后依次沉積TiAl10N層(3)、TiAl20N層(4)及TiAl30N層(5)。
本發明一種防護涂層的制備方法，其特征在于沉積過程中環境溫度300～550℃，優選范圍是400～480℃。
本發明一種防護涂層的制備方法，其特征在于在基體(1)表面沉積TiN合金涂層(2)時，鍍膜時間為1～20min，真空度＜0.01Pa，調整電子槍束流在40～100A，基體(1)偏壓為-100～700V。
本發明一種防護涂層的制備方法，其特征在于在基體(1)表面沉積TiN合金涂層(2)之后，分別在TiN合金涂層(2)表面用多弧離子鍍的方法先后依次沉積TiAl10N層(3)、TiAl20N層(4)及TiAl30N層(5)；其中TiAl10N層(3)、TiAl20N層(4)及TiAl30N層(5)的各層沉積時間均為10～20min，真空度要求為0.15～0.4Pa，鍍膜時電子槍束流為40～100A，偏壓為-20～900V，占空比為10～40％。
本發明適宜作為航空發動機壓氣機葉片、刀具及模具防護涂層。
本發明的優點是1、綜合TiN和TiAlN涂層的優點，明顯降低了TiAlN涂層與基體之間的應力并保持涂層良好的抗氧化性；2、在不需要對設備改造的前提下，利用不同成分的靶材，通過合理地調整工藝參數，來減少涂層中針孔的數量和直徑，消除了薄膜內部的空洞等缺陷，改善涂層的致密性，解決了阻礙離子鍍TiAlN涂層應用于防腐蝕領域的涂層結合力，內應力，及高溫涂層內擴散問題，以這種方法沉積的涂層，具有較高的膜結合力、高的硬度和抗磨損性能及良好的抗腐蝕性能和抗粒子沖蝕能力；3、耐腐蝕性能良好在600℃，NaCl、水蒸氣和空氣的綜合作用下腐蝕10h，基體壓氣機葉片材料(1Cr11Ni2WmoV不銹鋼)氧化增重4mg/cm2，沉積了TiAlN復合涂層的樣品表面平整，未見到明顯的腐蝕現象。
圖1防護涂層結構示意圖。
具體實施例方式實施例1航空發動機壓氣機葉片，經過表面打磨、去污、丙酮超聲清洗及灑精漂洗，裝入真空室，鍍膜過程中鍍件在真空室內公轉和自轉，靶材分別為含Al 10％、20％、30％(原子百分比)的TiAl合金及純Ti。涂層總厚度約為6μm首先在基體(1)表面沉積厚度約為1μm的TiN合金涂層(2)，鍍膜時間為20min，真空度＜0.01Pa，電子槍束流100A，基體偏壓為-700V；然后分別在工件表面依次沉積TiAl10N層(3)、TiAl20N層(4)及TiAl30N層(5)，各層的厚度均在1～2μm之間，沉積時間分別為10～20min，真空度為0.3Pa，鍍膜時電子槍束流為100A，偏壓為-900V，占空比為20％，基體溫度為400-480℃。
實施例2航空發動機壓氣機葉片，經過表面打磨、去污、丙酮超聲清洗及灑精漂洗，裝入真空室，鍍膜過程中鍍件在真空室內公轉和自轉，靶材分別為含Al為10％、20％、30％(原子百分比)的TiAl合金及純Ti。涂層總厚度厚度為8μm首先在基體(1)表面沉積厚度約為2μm的TiN合金涂層(2)，鍍膜時間為20min，真空度＜0.01Pa，電子槍束流90A，基體偏壓為-600V；然后分別在工件表面依次沉積TiAl10N層(3)、TiAl20N層(4)及TiAl30N層(5)，各層厚度均為1～2μm，沉積時間分別為10～20min，真空度為0.3Pa，鍍膜時電子槍束流為900A，偏壓為-800V，占空比為20％，基體溫度為400～480℃。
實施例3航空發動機壓氣機葉片，經過表面打磨、去污、丙酮超聲清洗及灑精漂洗，裝入真空室，鍍膜過程中鍍件在真空室內公轉和自轉，靶材分別為含Al為10％、20％、30％(原子百分比)的TiAl合金及純Ti。涂層總厚度約為7μm首先在基體(1)表面沉積厚度約為1μm的TiN合金涂層(2)，鍍膜時間為20min，真空度＜0.01Pa，電子槍束流80A，基體偏壓為-700V；然后分別在工件表面依次沉積TiAl10N層(3)、TiAl20N層(4)及TiAl30N層(5)，各層厚度均約為1～2μm，沉積時間分別為10～20min，真空度為0.3Pa，鍍膜時電子槍束流為80A，偏壓為-900V，占空比為20％，基體溫度為400～480℃。
權利要求
1.一種防護涂層，其特征在于所述涂層是多層TiAlN/TiN涂層。
2.按照權利要求1所述防護涂層，其特征在于所述涂層是多層TiAlN/TiN涂層；涂層所用靶材為TiAl合金和純Ti，其中TiAl合金的含Al原子百分比為10％～30％。
3.按照權利要求2所述防護涂層，其特征在于所述多層TiAlN/TiN涂層是TiAl30N-TiAl20N-TiAl10N-TiN梯度涂層；其中TiN合金涂層(2)直接沉積在基體(1)表面，然后在TiN合金涂層(2)表面先后依次沉積有TiAl10N層(3)、TiAl20N層(4)及TiAl30N層(5)。
4.按照權利要求1～3其中之一所述防護涂層，其特征在于各層涂層厚度均為0.5～2μm，涂層總厚度為2～10μm。
5.一種如權利要求1所述防護涂層的制備方法，其特征在于選用含Al原子百分比為10％～30％的TiAl合金及純Ti作為靶材，制備多層TiAlN/TiN涂層。
6.按照權利要求5所述一種防護涂層的制備方法，其特征在于首先在基體(1)表面用多弧離子鍍的方法制備TiN合金涂層(2)；然后在TiN合金涂層(2)表面先后依次沉積TiAl10N層(3)、TiAl20N層(4)及TiAl30N層(5)。
7.按照權利要求5所述一種防護涂層的制備方法，其特征在于沉積過程中環境溫度300～550℃。
8.按照權利要求5所述一種防護涂層的制備方法，其特征在于沉積過程中環境溫度為400～480℃。
9.按照權利要求5所述一種防護涂層的制備方法，其特征在于在基體(1)表面沉積TiN合金涂層(2)時，鍍膜時間為1～20min，真空度＜0.01Pa，調整電子槍束流在40～100A，基體(1)偏壓為-100～700V。
10.按照權利要求5所述一種防護涂層的制備方法，其特征在于在基體(1)表面沉積TiN合金涂層(2)之后，分別在TiN合金涂層(2)表面用多弧離子鍍的方法先后依次沉積TiAl10N層(3)、TiAl20N層(4)及TiAl30N層(5)；其中TiAl10N層(3)、TiAl20N層(4)及TiAl30N層(5)的各層沉積時間均為10～20min，真空度要求為0.15～0.4Pa，鍍膜時電子槍束流為40～100A，偏壓為-20～900V，占空比為10～40％。
全文摘要
一種防護涂層，選用TiAl合金(含Al原子百分比為10％～30％)和純Ti為靶材。所述涂層是施加中間層的TiAlN/TiN梯度涂層。其中TiN合金涂層(2)直接沉積在基體(1)表面，然后在其表面依次沉積TiAl
文檔編號C23C14/46GK1858295SQ20051004636
公開日2006年11月8日 申請日期2005年4月30日 優先權日2005年4月30日
發明者謝冬柏, 辛麗, 朱圣龍, 馮長杰, 王世臣, 王福會, 李明升 申請人:中國科學院金屬研究所