[发明专利]一种铬基氮化物梯度复合涂层结构及其原位制备方法

说明书

本发明提供一种铬基氮化物梯度复合涂层结构及其原位制备方法。其结构包括镀在基体表面的铬缓冲层和沉积在铬缓冲层表面的铬基氮化物梯度层。将镀有铬缓冲层的基体置于微波等离子体化学气相沉积设备，通过调节含氮气体量以及微波功率，利用N等离子体团与铬离子的反应快速生成铬基氮化物层。在微波对金属微区表面的趋肤效应、氮化物陶瓷层透射损耗以及金属基体的反射效应的协同作用下，产生热量‑温度梯度，使反应活性由陶瓷‑铬缓冲层的界面前沿向残余铬缓冲层纵深不断衰减，实现化学反应和速率的梯度变化，从而获得结构和成分呈连续梯度分布的铬基氮化物涂层。所得的连续梯度结构能够显著降低层间应力，提高涂层的力学性能，降低涂层摩擦系数。

技术领域

本发明属于涂层制备领域，具体涉及一种铬基氮化物梯度复合涂层结构及其原位制备方法。

背景技术

现代装备及其零部件的表面防护性能优劣对其服役的稳定性、可靠性以及寿命具有决定性的影响。高温、高速、高压、强腐蚀以及重载荷等多重极端服役环境的复杂耦合，对设备零部件表面涂层的综合防护性能提出了日益严苛的要求。因此，设计和制备兼有优异的硬度、韧性和良好的耐腐蚀以及耐磨损性能的高性能涂层对于满足各类先进装备在多重极端环境作用下的长期稳定服役至关重要。

目前，利用电镀技术在金属基体表面制备纯Cr涂层是耐磨部件采用的主流防护方法之一。然而，传统电镀Cr缓冲层层存在由电镀工艺而带来的固有微裂纹，在接触应力作用下，易于萌生裂纹，从而加速涂层的磨损失效，甚至导致涂层在服役早期即发生非正常脱落。

铬基氮化物涂层具有良好的韧性、较高的硬度、优异的耐磨性、耐烧蚀性以及化学稳定性等性能优势，是替代传统金属Cr镀层的理想材料。然而，传统的铬基氮化物涂层通常是采用Cr、N元素共沉积的物理气相沉积（PVD）方法获得，在显微组织中元素成分一般呈现“砌墙式”的梯度变化，由表层到基材层氮的含量是断崖式的，难以呈现元素成分的连续梯度变化，不利于充分发挥铬基氮化物连续梯度变化而带来的应力缓和优势。相关文献对采用PVD技术制备的Cr-N涂层进行过公开。公开的技术特征表明，该技术进行涂层制备时，必须在设备阴极加入Cr靶引入Cr离子，对现有电镀Cr缓冲层涂层无法进行修复。其次，增加N流量易引起涂层在PVD沉积过程中弧电流不稳定的技术问题，从而导致涂层显微组织中出现大颗粒、气孔等组织缺陷。同时，PVD技术还存在靶材昂贵、沉积效率低以及所获得的涂层过薄的固有缺陷。

有部分文献也对化学气相沉积技术制备薄膜进行过公开，例如，采用金属有机化合物化学气相沉积法（MOCVD）在基体表面制备氮化物陶瓷涂层。但该方法以热分解反应的方式在基片衬底上进行气相外延生长，随着反应的进行，反应源的气化率及浓度衰减，使工艺过程难以控制，且生成物多为半导体以及多元固溶体的单层薄膜，较难生长出具有一定厚度且成分呈连续梯度的膜层。此外，MOCVD技术也存在膜层和基体之间结合强度低的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种铬基氮化物梯度复合涂层结构及其原位制备方法。获得具有较高硬度和韧性、较低摩擦系数和优异耐烧蚀性能的无微裂纹的梯度复合涂层，各层材料之间接触紧密，氮原子的分布呈连续性分布。

本发明为一种铬基氮化物梯度复合涂层结构，包括镀在基体表面的铬缓冲层和沉积在所述铬缓冲层表面的铬基氮化物梯度层，所述铬基氮化物梯度层的N原子含量沿靠近所述铬缓冲层表面的方向逐渐减少，所述铬基氮化物梯度层可以为CrN、Cr₂N、Cr中一种或多种，从铬基氮化物梯度层表面到铬缓冲层表面N原子含量由50%连续梯度减弱至0%。所述铬基氮化物梯度层的厚度为5-50μm，所述铬缓冲层厚度为20-100μm。

一种基于前文所述的铬基氮化物梯度复合涂层结构的原位制备方法，包括以下步骤：

（1）将镀有电镀Cr的合金钢基体在氨基酸型表面活性剂中清洗，氨基酸型

表面活性剂的目的旨在去除表面油污，再在丙酮溶液中浸泡后，再在无水乙醇中超声振荡2次，每次15分钟，去除表面杂质和油污，然后在45℃氮气环境下烘干；