[发明专利]一种非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及涂层制备技术领域，且特别涉及一种非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层及其制备方法和应用。将高纯Cr和高纯Ta分别制备成纯Cr单质金属靶材和纯Ta单质金属靶材，采用真空磁控溅射技术实施双靶材共溅射方式，在炮钢基体表面形成非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层，非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层的元素包括Ta、Cr，其原子百分比分别为Cr 30％～70％和Ta 30％～70％。该非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层与基体之间具有良好的结合力以及匹配性，能够有效抵御高温火药气体的烧蚀，同时减少基体表面涂层的脱落，可以应用在火药发射军事装备领域，为提升部件服役寿命和火炮身管延寿提供理论和技术支持。

技术领域

本发明涉及涂层制备技术领域，且特别涉及一种非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层及其制备方法和应用。

背景技术

火炮是现代战场两军对战使用的一种极其重要的火器军事装备。火炮是指口径在20mm以上，通过发射药反应产生能量抛射弹丸的身管武器，身管是火炮最贵重的构件。各国一直在致力于改进火炮性能，以期获得更远的射程、更短的发射间隔、更精确的打击和更大的毁伤威力。因此，越来越多的新型高能火药被作为火炮的发射药使用。新型高能发射药燃烧虽然为弹丸提供更大的初速，但是使火炮关键部件遭受更大的燃烧压力负载与燃烧气体烧蚀——火炮身管内膛表面首当其冲。因此，随着弹药向高初速、远射程方向发展，身管需要适应高载、高温等更加极端恶劣的工况条件，身管的烧蚀与磨损问题成为制约高性能火炮发展的亟待解决的重大关键共性技术问题。身管内膛表面的抗烧蚀耐磨损性能是身管延寿的关键因素，国内外专家学者广泛认为在身管内壁开发新型抗烧蚀涂层技术至关重要。迄今为止，因为电镀Cr镀层具有硬度高、很好的耐磨性、抗烧蚀性和耐腐蚀性，同时Cr熔点高(1907℃)，是最常见的身管内壁抗烧蚀涂层。然而，电镀Cr镀层自带的微裂纹是高温发射药气体进入身管基体的天然通道，严重破坏镀层与基体界面的结合，最后造成镀层脱落。同时，镀液中Cr⁶⁺是强致癌物质，危害自然环境，废液处理成本高。因此，身管内膛表面延寿迫切需要找到一种替代电镀Cr涂层的绿色技术。

新型火炮身管内膛涂层技术不断涌现，如：电火花沉积Cr、W合金，熔盐电镀难熔金属W、Ta，磁控溅射Ta等。Ta由于熔点高(2996℃)、耐磨性好、抗腐蚀性高、表面易钝化，在身管内膛涂层材料中常常作为首选材料。磁控溅射是一种备受关注的Ta涂层制备技术。然而，Ta溅射涂层一般由α-Ta和β-Ta相组成，α-Ta韧性好而β-Ta脆性大。因此α-Ta所占比例越高，涂层性能越好。但是，仅有单相的α-Ta涂层在沉积过程中需要较高的加热温度，恶化炮钢力学性能。同时，Ta的硬度偏低，甚至低于炮钢基体的硬度，这样会导致Ta涂层的耐磨性不足。若开发钽合金涂层有望成为一种新型高性能身管内膛延寿涂层制备新方法。鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层及其制备方法和应用，其通过非晶态难熔金属涂层有效地避免了纯Ta晶态涂层的组织脆性、硬度低和耐磨性不足等有关问题，兼具Ta、Cr涂层的性能优势，同时也具备非晶涂层的性能特点。

本发明的技术方案是：

一种非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层，采用真空磁控溅射技术在基体表面形成非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层，非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层的元素包括Ta、Cr，其原子百分比分别为Cr 25％～75％和Ta 25％～75％。

所述的非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层，非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层的厚度为1～6μm。

所述的非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将高纯Cr和高纯Ta分别制备成纯Cr单质金属靶材和纯Ta单质金属靶材；

(2)采用真空磁控溅射技术实施双靶材共溅射方式，在炮钢基体表面形成非晶态难熔金属合金抗烧蚀涂层。