[发明专利]一种高硬耐磨抗热冲击的厚钽涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及耐磨涂层领域，特别提供一种高硬耐磨抗热冲击的厚钽涂层及其制备方法。该钽涂层成分为100％的α相钽，具有较高的韧性。同时，在体心立方晶格的α相钽中固溶微量的氮原子，提高钽涂层的硬度及弹性模量，从而提高涂层的耐磨与抗热冲击性能。钽涂层的最终厚度可以达到60μm以上。本发明提供的高硬耐磨抗热冲击厚钽涂层的制备方法为氩气+氮气环境下的磁控溅射。以纯钽为靶材，在一定的真空度下，以氩气(Ar)和氮气(N₂)为溅射气体，在基体材料表面直接沉积制备一层纳米晶的厚钽涂层，该涂层具有高硬度、高韧性、耐磨、抗热冲击等优异的综合性能。

技术领域：

本发明涉及耐磨涂层领域，特别提供一种高硬耐磨抗热冲击的厚钽涂层及其制备方法。

背景技术：

在火炮身管内壁、液压活塞杆、柴油和航空器发动机气缸内的孔和液压轴等现役的军工、民用关键部件中，为了提高使用寿命，增加耐磨性和耐腐蚀性能，表面通常采用电镀铬涂层。电镀铬涂层具有高硬度、优良的耐磨性和耐腐蚀性等诸多优点，但是也存在许多缺点，如：脆性高、剪切强度和抗拉强度低、且存在微裂纹缺陷，为烧蚀气氛或者腐蚀性溶液的侵入提供短程通道等等。此外，电镀铬工艺(涉及六价铬)的致命缺点是含铬废水和废气严重致癌，属国家一类控制排放物，对环境和人类的危害极大。电镀铬的生产必须添置污水处理设备，增加生产成本。因此，电镀铬已经不能满足现代科技发展的更高需求，发展绿色的涂层工艺技术已经成为当前技术发展的大势所趋。

Ta以高熔点著称，应用广泛，其氧化物的高温力学性能、耐腐蚀性能也符合实际工况对耐磨耐腐蚀涂层的要求。Ta存在两种晶型，即体心立方结构α相和四方结构β相(亚稳相，高于750℃发生β-Ta→α-Ta相转变)。α-Ta因其塑性好，在热冲击条件下能更好地阻止裂纹的形成；而β-Ta硬而脆，热冲击条件下形成的高压应力易导致涂层的开裂剥落。

国外研究显示，采用高功率脉冲磁控溅射、调制脉冲功率磁控溅射，深振荡磁控溅射均可获得1.8～50μm的Ta涂层，但涂层含有30～60％原子百分比的掺杂β相。尤其是在涂层/基体结合处，β相的比例高达100％。⁴⁰Ar^rn+的质量以及离子轰击能量与¹⁸¹Taⁿ⁺溅射所需逸出功相差甚远，⁴⁰Ar^rn+能量的分配、动量转移有效率、离子密度及¹⁸¹Taⁿ⁺逸出功吸收率等多方面的因素使得一部分达到逸出临界条件的Ta原子温度仅够转化为β相，并且在基体温升不足的情况下，单原子在整个沉积过程中不足以达到β→α相转变条件。因此研究人员均反映利用磁控溅射技术，Ar气作为溅射气体时只能获得β-Ta。为了获得高纯度的高韧α-Ta涂层，美国军事研究人员曾选用¹³¹Xe和⁸⁴Kr两种大原子惰性气体作为溅射气体，成功地获得100～150μm的纯α-Ta涂层，并应用于枪炮内壁防护涂层。但是，Xe和Kr两种惰性气体十分稀有，且价格昂贵。此方法获得高纯度高厚度α-Ta涂层的难度很高，且成本巨大，难以实现广泛生产。同时，火炮身管、液压杆等基体合金(大部分为不锈钢)与α-Ta涂层之间硬度、弹性模量、热扩散系数及晶格常数存在较大差异，大幅影响涂层与基材之间的结合强度，进而影响涂层的服役性能。故在国内，溅射钽工艺的相关工作仍还处于实验室阶段，制备的涂层厚度、相结构及使用性能等都远不能达到预期。

根据服役要求，人们迫切希望能够获得一种厚度超过30μm，α-Ta在涂层中比例近乎100％的涂层，使其具有优良的耐热腐蚀、热冲击和耐磨等综合性能。这是本领域亟待解决的一大技术难题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高硬耐磨抗热冲击的厚钽涂层及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种高硬耐磨抗热冲击的厚钽涂层，所述厚钽涂层为纯钽涂层，纯钽涂层结构为体心立方晶格的α相，纯钽涂层的厚度为10～60μm。