[发明专利]一种抗中高温氧化的Ti/TiN多层涂层及制备方法

说明书

本发明涉及金属材料表面高温防护涂层领域，具体为一种抗中高温氧化的Ti/TiN多层涂层及制备方法。Ti/TiN多层涂层由Ti子层和TiN子层依次交替沉积在钛合金基体上，第一层和最后一层均为TiN层，每个Ti子层厚度为0.05～1.0μm，每个TiN子层厚度为1.8～2.2μm，总层数为9～21中的奇数。所述Ti/TiN多层涂层的制备步骤包括：预处理、离子清洗和子层沉积。本发明可解决氮化物涂层厚度过厚容易因内应力和脆性过大而出现的开裂、剥落等问题，该涂层与基体结合强度良好，结构致密，具有良好的抗中高温氧化性，该Ti/TiN多层涂层可为军用飞机零部件的高温防护提供选择方案。

技术领域：

本发明涉及金属材料表面高温防护涂层领域，具体为一种抗中高温氧化的Ti/TiN多层涂层及制备方法。

背景技术：

由于具有轻的质量、高的比强度和弹性模量等力学性能优点，钛合金已经用于制作飞机的部件。例如，钛合金在军用航空飞机机身材料中的比例达到50％以上。飞机的蒙皮表面与空气摩擦生热而发生氧化降低钛合金的服役寿命，此外，航空发动机压气机末级叶片目前服役温度已超过500℃，高于传统钛合金的服役温度，限制钛合金的应用范围。在钛合金表面施加高温防护涂层是改善其抗氧化性的有效方法，TiN是一种典型的抗中高温氧化氮化物陶瓷涂层，其服役温度可达600～650℃。此外，TiN还具备高硬度、较好的耐磨性及抗冲蚀磨损性、良好的化学稳定性等优点。相比其他氮化物涂层，TiN制备工艺成熟，成本较低，已广泛应用在切削刀具、航天飞机等领域。因此，TiN涂层可成为提高钛合金飞机材料抗氧化性的选择。

TiN陶瓷涂层由于其本征脆性和在沉积过程中累积的应力，在某些服役条件下很容易发生开裂，导致涂层失效。而在高温环境下服役时，由于涂层与基体热膨胀系数的差异而产生的热应力进一步加剧涂层开裂的几率。向TiN涂层周期性插入金属层如Ti层构成的Ti/TiN多层涂层，可显著降低涂层的应力，大大降低服役期间开裂的风险，从而提高涂层材料服役性能的稳定性，延长工件的使用寿命。

中国专利(公开号为CN102161106A)报道“Ti-TiNTi-MoS₂/Ti双刀面涂层工具及其制备工艺”，此专利在刀具后刀面表层为TiN高硬度涂层，TiN层与基体之间沉积Ti金属过渡层。此类涂层刀具既具有较高的硬度，又具有较低的摩擦系数，显著提高性能。

中国专利(公开号CN107012437A)报道“采用反应磁控溅射法制备高性能Ti/TiN/(AlTiCuSi)N涂层的方法”，此专利涂层是由各子层交替沉积获得。所发明的涂层表面质量高，与基体结合强度良好，结构致密均匀，涂层力学性能优异。

截止目前，有关钛合金基体Ti/TiN多层涂层的抗中高温氧化性的报道较少。

发明内容：

针对氮化物涂层厚度过厚容易因内应力和脆性过大而出现的开裂、剥落等问题，本发明的目的在于提供一种抗中高温氧化的Ti/TiN多层涂层及制备方法，该涂层与基体结合强度良好，结构致密，具有良好的抗中高温氧化性。

本发明的技术方案是：

一种抗中高温氧化的Ti/TiN多层涂层，多层涂层由Ti子层和TiN子层交替沉积在钛合金基体上形成的，该多层涂层的第一层和最外层均为TiN层。

所述的抗中高温氧化的Ti/TiN多层涂层，每个Ti子层厚度为0.05～1.0μm，每个TiN子层厚度为1.8～2.2μm，总层数为9～21中的奇数。

所述的抗中高温氧化的Ti/TiN多层涂层的制备方法，具体包括步骤如下：

(1)预处理

将钛合金基体表面抛光、去除表面油污和锈迹，之后依次放入丙酮和乙醇溶液中，超声波各清洗5～15min，进一步去除钛合金基体表面油污和其他附着物，用电吹风充分干燥后挂在样品架上，放入工作室并抽真空至6.0×10^-3～8.0×10^-3Pa；