[发明专利]一种锆合金包壳表面多层复合涂层及其制备方法

权利要求书

1.一种锆合金包壳表面多层复合涂层，其特征在于，所述复合涂层抗高温水蒸气氧化，硬度高耐摩擦；具有三层结构，最内层为金属Cr过渡涂层，中间层为CrTiSiN陶瓷工作涂层，最外层为金属Cr保护涂层；最内侧的金属Cr涂层作为锆合金基体与CrTiSiN陶瓷工作涂层之间的过渡层，通过元素互扩散能够有效提高工作涂层与基体之间的结合力，防止在高温下由于应力作用而导致涂层剥落；最外层的金属Cr保护涂层在氧化过程中生成大晶粒尺寸的Cr₂O₃，晶界少，致密性更好，能够有效保护锆基体不被氧化；

所述复合涂层中的CrTiSiN陶瓷工作涂层中，Cr元素所占原子含量为：42±1％，Ti元素所占的原子含量为：27±1％，Si元素所占的元子含量为3±0.5％，N元素所占的原子含量为28±1％；CrTiSiN陶瓷工作涂层中的Cr、Ti元素在高温高压水以及高温蒸汽氧化过程中生成致密的Cr₂O₃和TiO₂氧化层，这些氧化层能够有效阻止外侧的氧向基体内扩散，保护锆合金基体不被氧化；Si元素能够与N元素反应生成纳米尺寸的Si₃N₄，能够有效增强涂层的硬度以及抗摩擦性能。

2.根据权利要求1所述的锆合金包壳表面多层复合涂层，其特征在于，所述复合涂层中金属Cr过渡涂层的厚度为0.5-1.5μm，CrTiSiN陶瓷工作涂层的厚度为5-15μm，金属Cr保护涂层的厚度为0.5-1.5μm。

3.权利要求1-2任一项所述的锆合金包壳表面多层复合涂层的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀方法进行制备，具体步骤包括：

(1)对锆合金包壳进行表面预处理：依次对锆合金包壳进行磨抛和清洗；

(2)对表面预处理后的锆合金包壳进行表面离子刻蚀，降低锆合金包壳表面的粗糙度，提高涂层材料与锆合金包壳基体之间的结合力，提高涂层厚度的均匀性；

(3)对离子刻蚀后的锆合金包壳表面采用多弧离子镀方法进行金属Cr过渡层的沉积；

(4)在步骤(3)所得沉积金属Cr过渡层的表面采用多弧离子镀方法沉积CrTiSiN陶瓷工作涂层；

(5)在步骤(4)所得沉积CrTiSiN陶瓷工作涂层的表面采用多弧离子镀方法沉积金属Cr保护涂层。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述磨抛条件包括：砂纸打磨后，依次用粒度1μm的氧化铝抛光液及粒度0.06μm的二氧化硅抛光液进行抛光，抛光后用酒精擦拭，并干燥，确认锆合金包壳表面无裂纹、锈蚀、毛刺和划痕缺陷。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述清洗条件包括：清洗液为由硅酸钠、金属表面活性剂及工业去离子水配制成的弱碱性溶液，清洗过程依次为喷淋清洗、超声清洗以及纯水漂洗，清洗后立即用压缩空气将锆合金包壳表面水分吹干并干燥。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述锆合金包壳表面离子刻蚀的条件包括：电流为100A，真空腔内充入Ar气，气压为0.3Pa，气体流量为300sccm，温度为400℃，刻蚀时间为30min。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述多弧离子镀方法的参数包括：电流为50-100A，真空腔内充入Ar气，气压为0.1-0.5Pa，气体流量为300sccm，温度为350-400℃，喷涂时长为15-25min。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述多弧离子镀方法的参数包括：电流为50-100A，真空腔内充入N2气，气压为1-2Pa，气体流量为1000sccm，温度为350-400℃，喷涂时长为150-200min。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述多弧离子镀工艺的参数包括：电流为50-100A，真空腔内充入Ar气，气压为0.1-0.5Pa，气体流量为1000sccm，温度为350-400℃，喷涂时长为15-25min。