一種鉬合金基體上FeCrAl鍍層的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種鉬合金基體上FeCrAl鍍層的制備方法，將鉬合金基體清洗干燥后放入磁控濺射離子鍍設備的真空室中，靶材至少包含1個316l不銹鋼靶、1個純鉻金屬靶和1個純鋁金屬靶，將真空室抽真空，然后對鉬合金基體進行離子轟擊清洗，清洗后在鉬合金基體表面沉積一層鉻打底層，最后在鉻打底層上沉積FeCrAl鍍層。本發明方法具有工藝簡捷穩定、鍍層成分控制精確、易實現工業化生產的特點。所制備的FeCrAl鍍層與鉬合金基體結合良好，結構致密，鉬合金基體無氧化現象。
【專利說明】
一種鉬合金基體上FeCrA I鍍層的制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于材料表面工程技術領域，具體涉及一種鉬合金基體上FeCrAl鍍層的制備方法。
【背景技術】
[0002]鉬作為一種難熔金屬，熔點為2620°C，易于機械加工與壓力加工。鉬及其合金具有優異的高溫力學性能、低的熱膨脹系數和高的導電、導熱系數，廣泛用作高溫結構材料和功能材料，是非常有前景的難熔金屬材料之一。但在大氣環境中，鉬合金在300?475°C溫度下開始被氧化，生成MoO2膜;在475°C?700 °C之間MoO2膜顏色變深，并伴隨著MoO2揮發，其揮發速度隨溫度的提高而增大，氧化加快。為改善鉬合金的高溫抗氧化性能且不降低其力學性能，需對其進行表面處理。
[0003]FeCrAl合金由于其優良的高溫性能及價格便宜，已被大量的用于生產和生活的各個方面。鋁含量增多，合金抗氧化性能提高，但過多的鋁會導致合金力學急劇下降。因此，研究人員將其制備成涂層以應用于更加復雜的工況。FeCrAl鍍層良好的耐蝕性及高溫抗氧化性源于其表面形成致密、穩定、連續的氧化膜。目前，FeCrAl鍍層主要通過熱噴涂法制備。熱噴涂是將固體絲材或粉末熔化成微粒以高速噴到材料表面，形成層狀堆積從而改善材料表面性能。此方法制備的鍍層氣孔較多，導致鍍層具有較低的延展性和抗拉強度，較差的延展性及導電性，耐蝕性降低;鍍層的成分由絲材或粉末決定而難以控制；噴涂過程中存在氧氣，在鉬合金基體上采用此方法會導致鉬氧化，使鍍層與基體的結合變差。因此，在鉬基體上制備FeCrAl鍍層需要尋找一種新的方法以保護基體并提高鍍層的性能以延長其使用壽命O
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種鉬合金基體上FeCrAl鍍層的制備方法，采用多靶磁控濺射離子鍍技術在鉬合金基體上制備FeCrAl鍍層，解決了現有方法存在的基體氧化、鍍層與基體的結合力較弱以及鍍層性能較差的問題。
[0005]本發明所采用的技術方案是，一種鉬合金基體上FeCrAl鍍層的制備方法，將鉬合金基體清洗干燥后放入磁控濺射離子鍍設備的真空室中，靶材至少包含I個3161不銹鋼靶、I個純鉻金屬靶和I個純鋁金屬靶，將真空室抽真空，然后對鉬合金基體進行離子轟擊清洗，清洗后在鉬合金基體表面沉積一層鉻打底層，最后在鉻打底層上沉積FeCrAl鍍層。
[0006]該方法具體包括以下步驟:
[0007]步驟1、將鉬合金基體清洗干燥后放入磁控濺射離子鍍設備的真空室中，靶材至少包含I個3161不銹鋼靶、I個純鉻金屬靶和I個純鋁金屬靶，將真空室抽真空到:(I?9) X 10一5Torr0
[0008]步驟2、對鉬合金基體進行離子轟擊清洗:通入氬氣，流量為10?28SCCm，開啟金屬靶電流，電流分別為:3161不銹鋼靶電流I316I為0.3?0.8A，純鉻靶電流Icr為0.3?0.8A，純鋁靶電流Iai為0.3?0.5A;調整工件的負偏壓為-480?-320V;時間為12?30min。
[0009]步驟3、沉積鉻打底層:調整靶電流分別為:13161為0.3?0.8A，IGr為1.0?3A，Im為
0.3?0.84;調整工件的負偏壓為-150?-100￥;時間為5?2011^11。
[0010]步驟4、沉積FeCrAl鍍層:調整靶電流分別為:I316I為2?5Α，Ι&為0.5?3A，Iai為0.6?4Α;調整工件的負偏壓為-90?-40V;時間為30?380min。鍍膜完成后，冷卻至室溫，取出試樣即可。
[0011]優選地，步驟I中磁控濺射離子鍍設備中有四個靶材，分別為2個3161不銹鋼靶、I個純鉻金屬靶和I個純鋁金屬靶。
[0012]鉬合金基體可以是鉬合金棒、鉬合金管、鉬合金片及其它異型件。也可以是純鉬、鉬鎢合金、鉬鈦合金、鉬鋯合金、稀土鉬合金或多元系鉬合金。
[0013]本發明鍍層成分為:Fe(62?72%wt)-Cr(22 ?30%wt)-Al(3 ?12%wt)，厚度在 3?50μπι之間，與鉬合金基體結合力為35?55MPa，硬度為7.6?12.6GPa，耐蝕性良好。
[0014]本發明解決的技術關鍵在于采用多靶磁控濺射離子鍍設備沉積鍍層，沉積過程中始終在氬氣環境中，使鉬合金基體不會被氧化;通過離子轟擊清洗掉鉬合金基體表面的油污、氧化膜，同時開啟小電流、高偏壓，使一部分鍍層原子進入鉬合金基體，基體與鍍層間形成冶金結合界面；以鉻作為打底層，降低基體與鍍層間熱膨脹系數的差異。以上三種方式提高了基體與鍍層的結合力。沉積鍍層過程中，同時使用多個金屬靶材，對靶材的電流進行單獨控制，因此，可以對制備的鍍層的成分進行調整和控制。
[0015]對比本發明方法和傳統熱噴涂法制備的FeCrAl鍍層形貌，從圖1、2中可看出本發明方法所制備的鍍層由柱狀晶構成，結構致密、無孔洞，鍍層與基體結合處存在明顯的鉻打底層，打底層與基體及工作層結合良好。從圖3、圖4可看出，熱噴涂法所制備的涂層存在較大的氣孔，與基體結合不牢固。
[0016]本發明的有益效果是:
[0017](I)采用磁控濺射方法沉積鍍層，可通過控制靶材電流精確調整鍍層成分，使鍍層適用于更多的工況。
[0018](2)沉積鍍層過程中始終在氬氣環境中，鉬合金基體不會氧化揮發，保護基體的同時提高了基體與鍍層的結合力。
[0019](3)通過離子轟擊、打底層提高了基體與鍍層的結合力。
[0020](4)所制備的鍍層無氧化現象，結構致密，從而提高了其抗氧化性能。
[0021 ] (5)該方法工藝簡捷穩定，產量大，易于實現工業化生產。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明所制備的純鉬基體上FeCrAl鍍層的表面形貌圖；
[0023]圖2是本發明所制備的純鉬基體上FeCrAl鍍層的截面形貌圖；
[0024]圖3是電弧噴涂法所制備的純鉬基體上FeCrAl鍍層的表面形貌圖；
[0025]圖4是電弧噴涂法所制備的純鉬基體上FeCrAl鍍層的截面形貌圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明，但本發明并不限于這些實施方式。
[0027]本發明所提供的采用磁控濺射離子鍍技術制備鍍層的方法，主要制備過程為:將鉬合金試樣清洗干燥后放入多靶磁控濺射離子鍍設備的真空室中，經過抽真空、通氬氣、離子轟擊清洗、沉積鉻打底層、鍍膜階段后取出試樣即可。
[0028]實施例1:
[0029]將純鉬基體清洗干燥后放入多靶磁控濺射離子鍍設備的真空室中，靶材分別為2個3161不銹鋼靶，2個純鉻金屬靶，I個純鋁金屬靶。將真空室抽真空至9 X 10—5Torr后通入氬氣，流量為15sCCm。進行20min的離子轟擊清洗:調整負偏壓為-400V，同時開啟四個靶材電流，13161為0.3A，1&為0.8A，Im為0.3A;之后沉積20min的鉻打底層:調整負偏壓為-120V，調整四個靶材電流，I3161為0.3A，Icr為1.0A，Im為0.3A;沉積150min的FeCrAl鍍層:調整負偏壓為-40V，調整四個靶材電流，13161為2A，Icr為0.5A，Iai為0.6A。
[0030]該工藝所得到的FeCrAl鍍層成分按重量百分比為:Fe-24.4Cr_3.7A1，厚度為11.4μπι，結合力為55MPa，硬度為10.8GPa，在標準鹽霧試驗中腐蝕48h后鍍層表面形貌基本無變化。
[0031]實施例2:
[0032]將鉬鋯合金基體清洗干燥后放入多靶磁控濺射離子鍍設備的真空室中，靶材分別為2個3161不銹鋼靶，I個純鉻金屬靶，I個純鋁金屬靶。將真空室抽真空至I X 10—5Torr后通入氬氣，流量為24sCCm。進行12min的離子轟擊清洗:調整負偏壓為-480V，同時開啟四個靶材電流，13161為0.5A，Icr為0.3A，Im為0.5A ；之后沉積5min的鉻打底層:調整負偏壓為-120V，調整四個靶材電流，13161為0.8A，Icr為2A，Im為0.8A ；沉積30min的FeCrAl鍍層:調整負偏壓為-90V，調整四個靶材電流，I316I為5A，Icr為3A，Iai為3A。
[0033]該工藝所得到的FeCrAl鍍層成分按重量百分比為:Fe-29.4Cr-6.4Al，厚度為3.7μm，結合力為46MPa，硬度為7.6GPa，在標準鹽霧試驗中腐蝕48h后鍍層表面形貌基本無變化。
[0034]實施例3:
[0035]將鉬釔合金基體清洗干燥后放入多靶磁控濺射離子鍍設備的真空室中，靶材分別為2個3161不銹鋼靶，I個純鉻金屬靶，I個純鋁金屬靶。將真空室抽真空至4 X 10—5Torr后通入氬氣，流量為28sCCm。進行30min的離子轟擊清洗:調整負偏壓為-320V，同時開啟四個靶材電流，13161為0.8A，Icr為0.5A，Im為0.3A ；之后沉積8min的鉻打底層:調整負偏壓為-150V，調整四個靶材電流，13161為0.3A，ICr*3A，Im為0.3A;沉積380min的FeCrAl鍍層:調整負偏壓為-60V，調整四個靶材電流，I316I為5A，Icr為1.4A，Iai為2A。
[0036]該工藝所得到的FeCrAl鍍層成分按重量百分比為:Fe-25Cr-4.2Al，厚度為49μπι，結合力為35MPa，硬度為9.2GPa，在標準鹽霧試驗中腐蝕48h后鍍層表面形貌基本無變化。
[0037]實施例4:
[0038]將TZM(Mo-T1-Zr-C)合金基體清洗干燥后放入多靶磁控濺射離子鍍設備的真空室中，靶材分別為2個3161不銹鋼靶，I個純鉻金屬靶，I個純鋁金屬靶。將真空室抽真空至4 X10—5Torr后通入氬氣，流量為25SCCm。進行25min的離子轟擊清洗:調整負偏壓為-450V，同時開啟四個靶材電流，I316I為0.3A，Icr為0.6A，Im為0.4A;之后沉積8min的鉻打底層:調整負偏壓為-100V，調整四個靶材電流，I316I為0.3A，Icr為1.5A，Iai為0.3A;沉積180min的FeCrAl鍍層:調整負偏壓為-70V，調整四個靶材電流，I316I為4A，Ic^lA，Im為3.5A。
[0039]該工藝所得到的FeCrAl鍍層成分按重量百分比為:Fe-22.3Cr-ll.6Al，厚度為23μm，結合力為38MPa，硬度為12.6GPa，在標準鹽霧試驗中腐蝕48h后鍍層表面形貌基本無變化。
[0040]實施例5:
[0041 ]將鉬鎢合金試樣清洗干燥后放入多靶磁控濺射離子鍍設備的真空室中，四個靶材分別為2個3161不銹鋼靶，I個純鉻金屬靶，I個純鋁金屬靶。將真空室抽真空至4 X 10—5Torr后通入氬氣，流量為20SCCm。進行15min的離子轟擊清洗:調整負偏壓為-350V，同時開啟四個靶材電流，13161為0.5A，1&為0.6A，Im為0.3A;之后沉積15min的鉻打底層:調整負偏壓為-120V，調整四個靶材電流，13161為0.5A，Icr為3A，Iai為0.5A;沉積120min的FeCrAl鍍層:調整負偏壓為-80V，調整四個靶材電流，I316I為3A，ICr為0.8A，Im為1A。
[0042]該工藝所得到的FeCrAl鍍層成分按重量百分比為:Fe-26.2Cr_9.6A1，厚度為16.4μπι，結合力為36MPa，硬度為10.6GPa，在標準鹽霧試驗中腐蝕48h后鍍層表面形貌基本無變化。
[0043]實施例6:
[0044]將鉬鈦合金基體清洗干燥后放入多靶磁控濺射離子鍍設備的真空室中，靶材分別為I個3161不銹鋼靶，I個純鉻金屬靶，I個純鋁金屬靶。將真空室抽真空至4 X 10—5Torr后通入氬氣，流量為lOsccm。進行20min的離子轟擊清洗:調整負偏壓為-380V，同時開啟四個靶材電流，13161為0.3A，1^為0.5A，Im為0.3A ；之后沉積1min的鉻打底層:調整負偏壓為-120V，調整四個靶材電流，13161為0.3A，Icr為2A，Iai為0.3A;沉積120min的FeCrAl鍍層:調整負偏壓為-70V，調整四個靶材電流，I316I為5A，1&為1.2A，Im為3.5A。
[0045]該工藝所得到的FeCrAl鍍層成分按重量百分比為:Fe-27Cr-10.2Al，厚度為14μπι，結合力為46MPa，硬度為12.3GPa，在標準鹽霧試驗中腐蝕48h后鍍層表面形貌基本無變化。
[0046]對比例
[0047]采用電弧噴涂工藝制備涂層FeCrAl涂層。所用絲材化學成分按質量百分比為:Fe-20Cr-9Al。首先對純鑰基體進彳丁嗔砂處理，提尚基體的粗糖度，從而提尚基體與涂層之間的機械嚙合力。清洗純鉬基體后開始噴涂FeCrAl涂層，噴涂工藝參數為電壓:30V;電流強度:150A ；噴涂距離:30cm噴涂氣流:0.4MPa0
[0048]經檢測，該工藝所得到的FeCrAl涂層成分按重量百分比為:Fe_18.2Cr_8.6A1。厚度約30μπι，結合力為32MPa，硬度為410Hv0.05，在標準鹽霧試驗中腐蝕48h后涂層表面已發生銹蝕。
[0049]本發明以上描述只是部分實施例，但是本發明并不局限于上述的【具體實施方式】。上述的【具體實施方式】是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本發明的材料和方法，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，所有具體拓展均屬本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種鉬合金基體上FeCrAl鍍層的制備方法，其特征在于，將鉬合金基體清洗干燥后放入磁控濺射離子鍍設備的真空室中，靶材至少包含I個3161不銹鋼靶、I個純鉻金屬靶和I個純鋁金屬靶，將真空室抽真空，然后對鉬合金基體進行離子轟擊清洗，清洗后在鉬合金基體表面沉積一層鉻打底層，最后在鉻打底層上沉積FeCrAl鍍層。2.根據權利要求1所述的鉬合金基體上FeCrAl鍍層的制備方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施: 步驟1、將鉬合金基體清洗干燥后放入磁控濺射離子鍍設備的真空室中，靶材至少包含I個3161不銹鋼靶、I個純鉻金屬靶和I個純鋁金屬靶，將真空室抽真空到:(I?9) X 10一5Torr; 步驟2、對鉬合金基體進行離子轟擊清洗:通入氬氣，流量為10?28sccm，開啟金屬革巴電流，電流分別為:3161不銹鋼靶電流I316I為0.3?0.8A，純鉻靶電流Icr為0.3?0.8A，純鋁靶電流Iai為0.3?0.5A;調整工件的負偏壓為-480?-320V;時間為12?30min; 步驟3、沉積鉻打底層:調整靶電流分別為:13161為0.3?0.8A，Icr為1.0?3A，Im為0.3?0.8A;調整工件的負偏壓為-150?-100V;時間為5?20min; 步驟4、沉積FeCrAl鍍層:調整靶電流分別為:I3i6i為2?5A，Icr為0.5?3A，Iai為0.6?4A;調整工件的負偏壓為-90?-40V;時間為30?380min。鍍膜完成后，冷卻至室溫，取出試樣即可。3.根據權利要求1所述的鉬合金基體上FeCrAl鍍層的制備方法，其特征在于，步驟I中所述靶材有四個，分別為2個3161不銹鋼靶、I個純鉻金屬靶和I個純鋁金屬靶。4.根據權利要求1-3中任一項所述的鉬合金基體上FeCrAl鍍層的制備方法，其特征在于，所述鉬合金基體為純鉬、鉬鎢合金、鉬鈦合金、鉬鋯合金、稀土鉬合金或多元系鉬合金。5.根據權利要求1-3中任一項所述的鉬合金基體上FeCrAl鍍層的制備方法，其特征在于，所述鍍層成分為:Fe:62?72%wt，Cr:22?30%wt，Al:3?12%wt，三組分百分含量總和為 100%。6.根據權利要求1-3中任一項所述的鉬合金基體上FeCrAl鍍層的制備方法，其特征在于，所述鍍層厚度在3?50μηι之間。
【文檔編號】C23C14/16GK105862003SQ201610403883
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】張國君, 曹琳琳, 王濤, 任帥
【申請人】西安理工大學