[发明专利]一种TA15合金表面抗冲蚀磨损CrAlN-CrAl涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种TA15合金表面抗冲蚀磨损CrAlN‑CrAl涂层及其制备方法。该涂层是指在TA15合金表面采用射频磁控溅射技术依次沉积CrAl中间层和CrAlN沉积层，所述CrAlN沉积层的厚度为3~5μm；所述CrAl中间层的厚度在5~10μm，其中，CrAlN沉积层中Cr和N含量随着与CrAlN涂层的表层距离增加而降低，Al含量则是从CrAlN涂层的表层向TA15合金方向先增加后减小。利用本发明方法制备的涂层与合金具有良好的结合力，在改善基体抗冲蚀磨损性的同时也使改性层与基体具有良好的结合能力，避免涂层在服役过程中发生脱落，从而起到保护工件，延长工件寿命的效果。

技术领域

本发明属于TA15合金表面处理技术领域，具体涉及一种TA15合金表面抗冲蚀磨损CrAlN-CrAl涂层及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展、科学进步的需要，钛合金逐渐成为了一种新型的结构材料。钛及其合金作为一种性能优秀的结构材料，在航空、航天等行业中被广泛运用。它具有密度小（4.51g/cm³）、强度高、比强度大等优异的性能条件。

TA15钛合金是一种近α型钛合金，其高断裂强度、低裂纹扩展速率的优点使它在航空航天领域扮演着至关重要的角色。但是它和其他钛合金一样具有低硬度、耐磨性差的特点，这大大限制了它在航空航天领域的发挥。特别是作为航空发动机压气机叶片，在沙尘环境中会吸入沙尘造成叶片发生磨损，严重化情况下可以导致叶片失效，飞机失事。因此提高TA15钛合金的抗冲蚀磨损性能成为了改善其性能的重中之重。以一种经济有效的方法，在不改变金属内部本身结构组织，不损伤基体的优异力学性能的前提下，在金属表面及近表面区域形成保护层是十分必要的。目前，应用射频磁控溅射技术在TA15合金表面制备一层CrAlN/CrAl层，提高表层的硬度，并且由于CrAl中间层的加入显著提高了涂层与基体的结合力，进而提升材料的抗冲蚀磨损性能。CrAlN涂层中主要有CrN和AlN等硬质相的存在，故具有高的硬度和耐磨性。CrAlN涂层是在硬质涂层CrN涂层的基础上引入Al，使Al原子置换部分的Cr原子，形成硬度更高的CrAlN涂层，因此其作为一种硬质耐磨氮化物而被大量研究。在此之前，通过磁控溅射，真空电弧沉积等技术制备了CrAlN涂层，在材料表面成功的制备出了单相或者多相的均匀硬涂层，具有优秀的耐磨性，但是这些方法制备的涂层由于只是简单的物理结合，涂层与基体之间结合力低，当承受大的载荷时容易脱落。此外，基体与涂层之间成分变化较大，之间并没有一个过渡层，这将导致涂层在持续的外力冲击下和高温环境中，而产生较大的应力。这样情况的出现会导致涂层和基体的结合力降低，从而降低涂层对基体材料的保护能力，故制备具有CrAl中间层的CrAlN硬质涂层是很有必要的。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种TA15合金表面抗冲蚀磨损CrAlN-CrAl涂层及其制备方法，该涂层与合金具有良好的结合力，在改善基体抗冲蚀磨损性的同时也使改性层与基体具有良好的结合能力，避免涂层在服役过程中发生脱落，从而起到保护工件，延长工件寿命的效果。

一种TA15合金表面抗冲蚀磨损CrAlN-CrAl涂层，在TA15合金表面采用射频磁控溅射技术依次沉积CrAl中间层和CrAlN沉积层，所述CrAlN沉积层的厚度为3~5μm；所述CrAl中间层的厚度在5~10μm，其中，CrAlN沉积层中Cr和N含量随着与CrAlN涂层的表层距离增加而降低， Al含量则是从CrAlN涂层的表层向TA15合金方向先增加后减小。

作为改进的是，所述CrAlN沉积层的厚度为4μm；所述CrAl中间层的厚度在8μm。

上述TA15合金表面抗冲蚀磨损CrAlN-CrAl涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，基体材料预处理

准备TA15合金，依次在150#、400#、800#、1200#、2000#金相砂纸上逐级打磨，利用Cr₂O₃抛光剂，把TA15合金在绒布抛光至无划痕的抛光面后,置于酒精中加以超声清洗得洁净的试样；