[发明专利]一种合金元素成分可控的铂族金属合金涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铂族金属合金涂层及其制备方法，尤其是涉及一种在难熔材料表面的合金元素成分可控的铂族金属合金涂层及其制备方法。

背景技术

难熔金属已广泛应用于各种航天器和发动机材料，它们具有优异的高温强度、抗腐蚀性和耐高温等性能，但是在高温有氧环境中会因氧化失效，影响了材料的使用寿命。通过添加合金元素或在其表面制备高温抗氧化涂层，是克服难熔金属高温氧化性差的必要途径。铂族金属具有良好的耐腐蚀性、高温抗氧化性，能适应基体弹塑性变形及高温蠕变造成的应力变形。铂族金属中，铱和铂金属具有高熔点，好的化学稳定性和优异的高温抗氧化性能等，已被广泛用作热电偶，因而，铱和铂金属可以作为高温抗氧化涂层保护难熔金属基材。然而，铂族金属通常价格昂贵，限制了铱和铂涂层的大量应用，另外，铱在高温下存在严重的再结晶和长大现象，导致晶界产生大量微孔，微孔成为氧化性气氛扩散的通道，引起基体难熔材料的氧化烧蚀。添加合金元素铪、锆、钽、铝等，借助其氧化生成氧化物的特性，以其膨胀的体积封填铱金属产生的微孔，可发挥铱和铂涂层高温氧化性能，且有助于阻止基体成分向涂层外的扩散，从而弥补难熔金属高温抗氧化性能的不足，发挥难熔金属本身和铂族金属合金涂层的优点。

国内对铂族金属高温合金及涂层有相关发明专利，有《一种铱铪铌高温合金材料及其制备方法》(专利号：ZL200510064747)、《铱铝高温抗氧化涂层的制备方法》(专利号：ZL200910168837)、《一种碳材料抗氧化用钨/铱复合涂层及其制备方法》(专利号：ZL200610041120)、《一种高温合金用纳米铂铝抗氧化涂层的制备方法》(专利号：ZL200810058933)等制备方法的发明专利，这些专利一致认为铱、铂及其合金可作为难熔材料的抗氧化涂层，但是这些方法的缺点包括制备复杂，高温下涂层与基体的结合性不好等。《High-temperature diffusion barriers for protective coatings》(Surface and Coatings Technology，2004，188-189，153-157)论文中指出，通过磁控溅射在超合金基材表面制备Hf-Ni和Hf-Pt合金涂层，合金涂层具有高温抗氧化性能，且可以阻止基体元素Cr、Re、Ta和W向涂层内扩散。美国专利《Ir-based alloys for ultra-high temperature applications》(专利号：US6982122)中指出铱铪、铱锆高温合金可用作高温抗氧化涂层。日本学者村上秀之等学者(Behaviour of Ir-24at.％Ta films on Ni based single crystal superalloys)利用磁控溅射技术或电子束物理气相沉积制备铱钽、铱铪和铱铂合金涂层。目前，该涂层的制备技术主要有电镀共沉积，电子束物理气相沉积即合金靶材或多靶材共沉积、磁控溅射技术等，他们的优点是涂层致密，缺点是成分均匀性差，涂层与基体之间的结合强度低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种铂族金属合金涂层，其特征在于，涂层主体元素为铂或铱，合金元素为锆、铪、钽、铝等但不限于这四种合金元素，以及合金元素的氧化物如ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃但不限于这四种氧化物增强成分。涂层中的合金元素可以是1种，也可以是2～3种，相应的氧化物可以是1种，也可以是2～3种。基材为难熔材料，可以是钼及其合金、钨及其合金、铌及其合金、碳化钨导电陶瓷等。该方法能克服现有技术中涂层结合强度低、涂层内含有杂质、涂层存在裂纹等缺点。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种铂族金属合金涂层的制备方法，其特征在于以铂族金属组合件为靶材，导电的难熔材料为基体材料，基体材料也可称为基体、基材或工件。将靶材和基材置于真空室内，靶材电压范围在800～1200V，基材电压范围在300～600V，使用惰性气体作为工作气氛。接通直流电源，在靶材和基材之间产生辉光放电，通过等离子溅射轰击靶材元素，经沉积和高温扩散在基材表面形成铂族合金涂层，所制合金涂层厚度为1μm～100μm。

本发明提供的铂族金属合金涂层的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：

(1)涂层沉积之前，将基体表面用金相砂纸处理、抛光并分别用超声波清洗，之后烘干；

(2)调节靶材和基体之间的距离，极间距保持在15～20mm之间；