[发明专利]高韧性纳米晶硅化物涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗氧化涂层材料的制备方法，具体地说是一种高韧性纳米晶硅化物涂层的制备方法。

背景技术

钛合金由于具有密度低、比强度高、良好的塑性和可成型性、优异的耐蚀性能等特点，被广泛应用于航空、航天、船舶、医疗器械及能源化工等领域。但是钛合金硬度较低、存在严重的粘着磨损和微动磨损倾向，导致其摩擦学性能较差。此外，高温下TC4钛合金表面易于形成易于剥落的金红石型TiO₂，对亚表层起不到良好的保护作用，导致其抗氧化性能较差，这些缺点已经成为制约其在工业领域中应用和优异的力学性能的发挥。因此，如何提高TC4钛合金的耐磨性和抗高温氧化性能成为国内外学者的关注与研究热点之一。采用先进的表面改性技术为手段，在钛合金表面制备耐磨、抗氧化涂层是解决上述问题的有效方法之一。目前钛合金表面改性多采用溶胶凝胶、离子注入、激光熔覆、PVD等方法，来达到改善钛合金抗高温氧化性能或耐磨性能，但上述方法往往存在一些不足之处，如PVD所制备的薄膜厚度较薄(一般小于5μm)，难以满足高温条件下部件长时间应用的需求。过渡金属硅化物Cr₃Si由于具有高硬度、熔点高、高温蠕变性能好、高温抗氧化性能及抗热腐蚀性能优异等优点，被誉为很有发展潜力的新一代高温结构候选材料之一。近年来有关Cr₃Si金属硅化物的研究逐渐引起众多材料研究者的关注。然而，与其他金属间化合物一样，由于Cr₃Si晶体结构复杂、对称性较低、滑移系较少，中低温(小于1200℃)脆性是其进入工业应用的主要障碍。采用加入韧性相和细化晶粒的方法是改善金属间化合物的韧性重要途径。目前针对室温条件下具有高韧性硅化物的相关研究尚处于空白阶段。本发明是基于满足反H-P关系条件下，利用纳米晶材料的高密度晶界滑移和合金元素的快速扩散为基本思想，在钛合金表面制备高韧性、高抗氧化性的纳米晶硅化物涂层，以提高钛合金的表面耐磨性和抗氧化性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高韧性纳米晶硅化物涂层的制备方法，本发明利用双阴极等离子溅射沉积技术为手段，在钛合金表面形成晶粒尺寸小于5nm的纳米晶硅化物涂层，该纳米晶硅化物涂层具有高韧性、高抗氧化性，能明显提高钛合金的耐磨性和抗氧化性能。

一种高韧性纳米晶硅化物涂层的制备方法，其特征在于：它利用双阴极等离子溅射沉积技术，通过调节靶材与工件电压以及通入真空室中的氩气(Ar)气压，来控制靶材(提供欲沉积的合金)的溅射量与工件表面的温度，在钛合金表面形成致密的纳米晶硅化物层，其中，

双阴极溅射工艺参数：

靶材电压              500~1000V

工件电压              300~450V

靶材与工件间距        10~30mm

气压(Ar气)            20~45Pa

溅射的靶材种类：

Cr-Si合金、Al-Si合金，Ni-Si合金，Co-Si合金，Nb-Si合金，Mo-Si合金中的任意一种；

(3)工件材料的种类：

钛合金。

本发明的优点如下：

1、纳米晶硅化物涂层的高韧性。众所周之，以位错间或位错与晶界间的相互作用理论为基础的Hall-Patch方程，能很好的解释许多传统多晶材料的强度与硬度随晶粒尺寸的减小而提高的现象。而已有研究表明，当材料的晶粒尺寸小于临界晶粒尺寸dc时，由于晶界滑动和扩散机制会减弱晶粒尺寸强化效应，材料的强度随晶粒尺寸的减小而降低，呈现出反Hall-Petch关系。本发明利用双阴极等离子溅射得到的纳米晶硅化物涂层，其晶粒尺寸为5nm，晶粒尺寸小于目前文献所报道的关于反Hall-Petch关系的临界尺寸dc。由于晶粒内部位错贫乏，晶界滑动和扩散蠕变是纳米晶材料的主要变形机制。已有研究证实随晶粒尺寸减小，晶界的体积分数不断增加，特别是三叉晶界数量不断提高，三叉晶界处原子扩散快，螺位错的运动会导致界面的软化，从而使纳米材料的延展性增加。同时，随着材料的晶粒尺寸的减小，能有效的降低应力集中，增加裂纹扩展路径与能量消耗。