[发明专利]一种耐空蚀纳米晶高熵氮化物陶瓷涂层的制备方法

说明书

本发明公开了一种耐空蚀纳米晶高熵氮化物陶瓷涂层的制备方法，属于高熵陶瓷涂层技术领域。本发明采用双阴极等离子体反应沉积技术制备耐空蚀纳米晶高熵氮化物陶瓷涂层，通过调节靶材与工件之间的距离、电压以及通入真空室中的工作气体流量和工作气压，达到控制沉积温度和靶材沉积速率的目的。本发明制备的涂层是由单一的、面心立方结构的纳米晶组成；涂层致密无缺陷，各元素分布均匀，与基体具有良好的结合力。该涂层在降低本征脆性的同时保持了过渡金属氮化物的高硬度、高强度、高耐蚀性能，能有效提高钛合金在模拟海洋环境中的抗空蚀性能，在水工机械领域具有极高的应用潜力。

技术领域

本发明属于高熵陶瓷涂层技术领域，具体涉及一种耐空蚀纳米晶高熵氮化物陶瓷涂层的制备方法。

背景技术

空蚀现象广泛存在于水工机械领域，当高速流局部压力突然变化时，流体中的微气泡溃灭所产生的微射流和冲击波反复作用在材料表面造成材料失效。空蚀是目前影响高速水轮机、高速流管道、水电站建筑等大型海洋、能源装备运行的一种严重的材料疲劳失效形式。特别是在海洋环境中，由于氯离子等腐蚀性离子与空泡溃灭产生的反复冲击力的协同作用，进一步加速表面材料的移除，显著降低水工机械的使用寿命。机械、材料等领域的专家学者对提高材料的抗空蚀性能进行了广泛研究，在水工机械材料表面制备高性能耐空蚀涂层是一种有效解决空蚀破环的途径。

过渡金属氮化物陶瓷材料具有高熔点、高硬度和高化学稳定性，广泛应用于耐高温、防腐蚀、耐磨损等领域。但是，多数氮化物存在本征脆性，容易导致防护涂层失效。以高熵合金设计理念为依据，制备的多组元单相高熵氮化物陶瓷材料兼具热力学的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、结构上有严重的晶格畸变以及性能上的鸡尾酒效应，这些效应有利于形成单相简单固溶体，有望降低氮化物陶瓷材料本征脆性的同时，保持高硬度、耐磨损和耐腐蚀性。此外，与单一成分的陶瓷相比，高熵陶瓷的力学性能、耐腐蚀、抗氧化性能等有望进一步提高，将高熵氮化物应用于水工机械领域，有利于提高设备的抗空蚀能力，从而提高水工机械的使用寿命。但是由于氮化物本身存在的高熔点、本征脆性、与金属之间存在较大的热膨胀系数差异等问题，普通涂层制备方法很难获得致密、与基体结合牢固的涂层。双阴极等离子体反应沉积技术可以在较高温度下进行多元素共沉积，在沉积炉内通入反应气体可以实现反应—沉积一体化涂层制备工艺。采用双阴极等离子体反应沉积技术制备高熵氮化物涂层，能显著提高材料的抗空蚀性能，延长水工机械的服役寿命，获得较高的经济效益。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种耐空蚀纳米晶高熵氮化物陶瓷涂层的制备方法，该耐空蚀纳米晶高熵氮化物陶瓷涂层由双阴极等离子体反应沉积技术制备而成，制备得到的高熵氮化物陶瓷涂层能有效降低氮化物本征脆性，同时保持氮化物的高硬度、良好的耐腐蚀性能等优势，能有效抵御海洋环境下腐蚀与空蚀协同作用，显著提高海洋环境下水工机械的抗空蚀性能。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种耐空蚀纳米晶高熵氮化物陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，预制靶材：取商用高纯度Ti、Zr、Nb、Ta、Mo五种金属粉末，经真空热压烧结，制成靶材；

步骤2，准备基体：取工件极基体，备用；

步骤3，双阴极等离子体反应沉积技术制备涂层：以步骤1的靶材为源极、步骤2的基体为工作极，在真空条件和工作气氛下，进行双阴极等离子体反应沉积。

进一步地，步骤1中Ti、Zr、Nb、Ta、Mo五种金属粉末为等摩尔比，靶材为φ80mm×5mm的圆片。

进一步地，步骤2中工件极基体为不锈钢或Ti-6Al-4V合金。

进一步地，步骤3中，源极和工件极之间的极间距为10～20mm。

进一步地，步骤3中，所述工作气体为氮气和氩气的混合气体，氮气和氩气流量比为1：10；工作气体的气压为30～45Pa。