[发明专利]磁控溅射镀铝+加弧辉光渗铌+反冲离子注入制备Fe‑Al‑Nb合金层

说明书

技术领域

本发明属于金属表面改性领域。具体涉及采用磁控溅射镀Al、加弧辉光渗Nb和反冲离子注入相结合，制备合金元素均匀分布的Fe-Al-Nb涂层。

背景技术

Fe-Al金属间化合物是目前研究比较深入的金属间化合物之一，其比强度高、耐蚀性优异，同时具有资源丰富、成本低廉等优势。但由于其自身结合键的性质、晶体结构、缺陷敏感度、有序度及环境等因素导致Fe-Al合金涂层的塑韧性和600℃以上的高温综合性能还不能满足高温、热腐蚀和磨损共存的苛刻服役环境的要求，严重制约了Fe-Al合金涂大量投入工业化应用。

邓文等在研究Nb对Fe₃Al合金基体与缺陷处价电子密度的影响时，测量了含Nb的Fe₃Al合金的正电子寿命谱参数。试验结果表明，Nb的加入降低了合金中的有序度，提高了晶界缺陷处价电子密度，金属间结合力增强，但由于Nb的原子半径比Fe大，它置换Fe后使晶格发生畸变，体积增大，导致合金基体的价电子密度降低，基体的金属键结合力减弱，有益于韧性的提高。尹衍生等在Fe₃Al中同时加入少量Nb元素，改善了合金的高温蠕变寿命。另外，已有研究表明Nb是提高Fe-Al合金组织稳定性、高温强度和耐高温腐蚀性能的重要合金元素。

目前已有发明专利CN201410342568.1采用热浸镀表面覆盖技术以及双层辉光等离子表面冶金技术在45钢等基体表面制备出Fe-Al-Nb基合金涂层。但该种方法在真空扩散退火的过程中需要有较高的真空度且环境中不能有氧原子的存在，否则会由于柯肯达尔效应造成表面涂层中产生大量的孔洞，继而需要后处理将表面的孔洞层研磨除去才能进行下一步的双层辉光等离子表面渗Nb，该后处理过程较为耗时且涂层厚度的一致性得不到保障；另外，最终得到的涂层存在大量的纯Nb在表面形成沉积层而表面Al贫化的问题，涂层中Fe、Al、Nb等合金元素呈梯度分布，而非均匀分布，故易造成Al集中于涂层中部，形成高Al脆性相而使得涂层的使用寿命降低。

发明内容

本发明解决的关键技术问题是避免涂层中孔洞的出现，解决涂层表面沉积层纯Nb的形成以及亚表面附近高Al脆性相的析出，保证Fe、Al、Nb三种合金元素沿截面方向均匀分布，提高涂层的使用寿命，尤其改善其抗高温氧化性和耐摩擦磨损性能。

为解决以上技术问题，本发明提供了磁控溅射镀铝+加弧辉光渗铌+反冲离子注入制备Fe-Al-Nb合金层的方法，具体步骤如下：

步骤1：首先对钢材表面进行预表面处理，经超声清洗后烘干；

步骤2：采用磁控溅射技术进行镀Al；

步骤3：采用加弧辉光技术渗Nb；

步骤4：采用反冲离子注入技术轰击材料表面的薄膜。

其中步骤1中所述的表面预处理为对钢材进行研磨和抛光处理，使其表面粗糙度Ra达到0.5～1.5μm，超声时间为25min。

其中步骤2中采用磁控溅射技术在不锈钢表面镀Al，其中靶材为99.99％Al。具体选用的工艺参数是：工作气压：3.5～6.5Pa，极间距：18～22mm，沉积时间：2.5～3.5h，工作功率：145～155W。

其中步骤3中采用加弧辉光技术在步骤2中所得的多弧离子镀Al层外表面再进行渗Nb处理，其中靶材为99.99％Nb。具体选用的工艺参数是：Ar气气压：45～55Pa，电弧电流：60～80A，极间距：100～140mm，偏压：500～700V，温度：700～850℃，工作时间60～100min。

其中步骤4中采用反冲离子注入技术对上述制备所得的镀Al和渗Nb合金层进行离子轰击，具体选用的工艺参数是：离子能量：150～200keV，束流：1～5mA，注入时间20～40min。

采用以上方法制备所得的Fe-Al-Nb涂层，各合金元素沿截面方向均匀分布，形成Fe₂AlNb、Fe₃Al、FeAl、NbC等具有高硬度、高强度的化合物相。

本发明的突出优点在于充分发挥了磁控溅射技术、加弧辉光离子渗镀技术和反冲离子注入该三项技术的各自特点，利用其协同作用原理，最终实现制备出不含高Al相、元素分布均匀、性能优异的Fe-Al-Nb涂层。