[发明专利]一种用于在高温下抗氧化的Cr/CrN/CrAlN梯度涂层及制备方法

说明书

本发明公开了一种用于在高温下抗氧化的Cr/CrN/CrAlN梯度涂层及制备方法，属于表面工程技术。在9‑12％Cr耐热钢表面沉积Cr/CrN/CrAlN涂层，采用Cr靶、Al靶直流反应共溅的方式获得Cr/CrN/CrAlN涂层，基片温度为150‑200℃，Ar和N₂采用微电脑控制，其流量分别为5‑7SCCM(标准立方米每分钟)和6‑8SCCM，工作气压为5‑10mtorr。为提高涂层和基体的结合力，选用Cr底层，并施加100‑150V的基体负偏压。所获得的涂层底层为Cr层，中间层为CrN层，外层为CrAlN层。涂层在600‑800℃空气中氧化后的主要产物为Al₂O₃。高温氧化实验表明Cr/CrN/CrAlN涂层具有很好的高温抗氧化能力。应用本发明可显著提高耐热钢的高温抗氧化能力。

技术领域

本发明属于表面工程技术，具体是一种用于耐热钢高温抗氧化的Cr/CrN/CrAlN防护涂层及制备方法。

背景技术

9-12％Cr马氏体耐热钢因其高导热率，低热膨胀系数和低热疲劳敏感性而被广泛用于超超临界发电厂。文献1：材料工程与性能杂志(Journal of Materials Engineeringand Performance,15,3,(2006))中Viswanathan博士调查研究指出该种类耐热钢的使用温度上限为620℃。其中的一个限制性环节是更高温度下耐热钢的抗氧化能力差。目前，为了在高的蒸汽参数(630℃)下使用，主要做法是提高耐热钢中的Cr含量，以便高温下生成大量的Cr₂O₃氧化产物层，阻碍氧气扩散防止钢材的进一步氧化。但是，随着Cr含量的增加，钢材中铁素体含量也会增加，导致耐热钢蠕变强度降低。本发明的思想来源于文献2：美国专利(Gerhard B.Manufacture of refractory oxide coatings:U.S.Patent 3,050,409.1962-8-21)Gerhard发明了通过涂层防止金属材料氧化的方法。考虑到耐热钢涂层对硬度的要求及耐热钢成分的高Cr含量，CrN硬质涂层是第一选择。但是文献3：表面和涂层技术(Surface and Coatings Technology，202，14，(2008))Mishra等人研究发现，CrN涂层在600℃时会发生热解生成Cr₂N和N₂，无法在更高温度下使用。文献3：材料学报(ActaMaterialia,60,16,(2012))方峰博士等人研究发现对CrN硬质涂层进行Al掺杂可以显著提高涂层的高温抗氧化能力。为了进一步提高涂层与9-12％Cr耐热钢的结合能力，需要设计Cr底层及CrN中间层。而对于Cr/CrN/CrAlN涂层在耐热钢上的应用目前还没有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于在高温下抗氧化的Cr/CrN/CrAlN梯度涂层及制备方法，该涂层由Cr底层、CrN中间层、CrAlN工作层三部分构成，具有与耐热钢钢基材良好的结合能力和高温抗氧化性。

本发明采用的技术方案是：

一种用于在高温下抗氧化的Cr/CrN/CrAlN梯度涂层；其特征在于：所述涂层底层为Cr，中间层为CrN，外层为CrAlN。

进一步地，Cr底层厚度范围为0.2-1μm，CrN中间层厚度为0.2-1μm，CrAlN工作层厚度为0.2-1μm。

如上所述一种用于在高温下抗氧化的Cr/CrN/CrAlN梯度涂层的制备方法，其特征在于：采用Al靶、Cr靶在氮气和氩气混合气氛中双靶共溅的方式制备Cr/CrN/CrAlN梯度涂层，工作压力为5-10mtorr，基体的温度为150-200℃，施加基体负偏压以提高涂层和基体的粘附性能。

进一步地，其特征在于：所述Cr靶重量纯度≥99.9％，功率范围为40-100W；Al靶重量纯度≥99.9％，功率范围为0-100W。

进一步地，所施加的基体负偏压范围为100-150V。