[发明专利]一种纳米叠层TiN梯度膜及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及离子镀膜技术，具体为一种能够提高膜基结合强度、抑制裂纹生成和扩展的纳米叠层TiN膜及其制备方法和应用，可作为工作温度低于600℃，由高温合金制成的汽车发动机阀门、飞机叶片等零部件的耐磨、耐腐蚀防护涂层得到应用。

背景技术：

汽车发动机的气阀是最重要的部件之一，在很大程度上决定了发动机的性能。其工作环境也相当苛刻，因此对阀门材料选择和制备加工以及最终的表面处理技术都有很高的要求。对气阀来说一个特别的要求就是质轻，较轻部件的惯性小，可以使得机动性提高。此外，发动机的工作温度越高，热效率就越高，燃烧也就越充分，从而对提高发动机的效率和环保都具有重要的意义。

TiAl基合金具有比重轻、比强度高、工作温度高、阻燃性能好等突出优点，是制作汽车发动机阀门的优异材料。目前已有锻造TiAl的汽车排气阀在F1方程式赛车上得到成功应用，但是问题是成本太高，无法推广。金属研究所采用铸造的办法，成功地制备了小批量的TiAl阀门，成本大大降低，应用前景看好。

然而，由于汽车阀门的工作条件，TiAl阀门必须经过表面处理，才能满足应用的要求，特别是对阀门座环、尾部顶端和导杆部位的表面处理有较高的要求，要求涂层同时具有高的硬度、耐磨性，冲击韧性、抗疲劳性能和耐高温氧化的性能，对涂层的厚度和均匀性也有很高的要求。目前对于TiAl阀门的表面处理技术还不成熟，还在摸索阶段。已经尝试过的涂层体系包括表面的碳化，氮化，激光表面处理，物理气相沉积，和表面氧化处理，这些表面处理方法都有这样那样的问题。比如，激光表面处理后，阀门表面的粗糙度变差而不能满足使用要求，也难于进行热处理。常规物理气相沉积镀膜由于涂层硬而脆，常常会开裂，并引起基体的开裂而导致早期失效。表面氧化处理工艺在高温排气阀侧取得了一定进展。因此，用TiAl制造汽车发动机气阀的产业化发展的前景已经到来，而发展适合于TiAl阀门的表面处理技术已经迫在眉睫

普通的PVD表面处理，由于涂层硬而脆，涂层易于开裂，因此最大的问题是如何改变涂层的结构，使涂层的脆性开裂倾向减小，以及设计合理的基体-涂层界面梯度，使涂层与基体有良好的结合力。

中国发明专利(公开号CN1648286A)公开一种TiN-TiAlN系列硬质纳米结构多层膜镀层属于纳米新材料，将其镀制在材料表面用作表面改性。本发明利用物理气相沉积技术在材料表面交叉进行纳米尺寸的TiN膜和TiAlN膜的沉积，因纳米尺寸效应使镀层性能最佳化，可显著提高工具、模具、零部件等的表面性能。例如，镀层的维氏硬度HV要显著高于TiN和TiAlN的值，HV≥3200。技术要点：1、利用特殊的工艺程序可保证各纳米膜间有良好的结合强度。2、在镀膜炉中不同区域内产生不同金属离子，实现同炉不同材料的镀膜。本发明可以显著提高材料的耐磨、硬度、耐热和抗腐蚀等性能，提高其使用性能、延长使用寿命等。其不足之处在于：(1)TiN-TiAlN纳米结构多层膜镀层属于硬膜与硬膜相匹配，脆性倾向大。(2)其TiN膜和TiAlN膜都属于均质硬膜，容易产生微裂纹和裂纹扩展。

中国发明专利(公开号CN1470671 A)公开一种SiC/TiN超硬纳米多层膜及其制作工艺，属于陶瓷薄膜领域。SiC/TiN超硬纳米多层膜由TiN层和SiC层交替沉积在金属或陶瓷的基体上组成，TiN层的厚度为4～50nm，SiC层的厚度为0.4～0.8nm，纳米多层膜总厚度为2～4μm。本发明SiC/TiN超硬纳米多层膜制作工艺首先将金属或陶瓷的基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷的基体上采用双靶溅射交替沉积TiN层和SiC层制取SiC/TiN超硬纳米多层膜，SiC和TiN材料采用溅射靶材提供。本发明选取了晶格匹配良好的两种氮化物和碳化物作为体系，使该种薄膜具有高硬度的优异力学性能，这种高硬度薄膜在工具、模具和其他耐磨工件上具有很大的实用价值，最高硬度可达60.5GPa，弹性模量达470GPa。其不足之处在于：(1)与离子镀膜相比其沉积速率低且镀膜与基体的结合强度偏低，镀膜容易剥落；(2)SiC/TiN超硬纳米多层膜属于硬膜与硬膜相匹配，虽然镀膜比较硬但脆性倾向大；(3)其SiC膜和TiN膜都属于均质硬膜，容易产生微裂纹和裂纹扩展；(4)镀膜工艺对基体表面质量要求较高。