专利摘要

本发明涉及一种钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层及制备工艺，它以钛合金为基体，以Al?Nb?Si合金为靶材，采用弧辉等离子体制备得到，梯度高温复合涂层由两部分构成，涂层内层为具有优异抗高温氧化性能且与基体呈良好热物理性能匹配的富铝Ti?Al?Nb?Si多元合金化金属层，涂层外层为兼具优异抗高温氧化性能和摩擦磨损性能的以钛铝氮化物为主的陶瓷层，涂层的化学成分梯度渐变。本发明梯度高温复合涂层，既具有优异的抗高温氧化性能，又具备良好的抗室温和高温干滑动摩擦磨损性能，涂层与钛合金基体呈典型的冶金结合，结合牢固。

权利要求

1.一种钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层，其特征在于，以钛合金为基体材料，以Al-Nb-Si合金为靶材，采用弧辉等离子体技术制得，涂层由两部分构成，涂层内层为富铝Ti-Al-Nb-Si多元合金化金属层，涂层外层为钛铝氮化物为主的陶瓷层。

2.根据权利要求1所述的钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层，其特征在于，所述的靶材为Al-Nb-Si合金，其质量配比为10∶2∶1、10∶3∶1或10∶2∶2。

3.根据权利要求1所述的钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层的制备工艺，其特征在于，包括步骤如下：

1)钛合金基体材料作为阴极，氩气压强20～30Pa，钛合金与靶材距离为20-25mm，阴极电压为850-900V，弧靶电流50-60A，渗金属时间60-70min，钛合金温度控制在900-1000℃。

2)关闭弧靶电流，充入氮气，氮气与氩气体积比为1∶1，混合气体压强300Pa，阴极电压为850V，氮化时间2.5-3h，氮化温度控制在800-850℃。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

加弧辉光离子渗镀技术原理是在双层辉光离子渗金属装置中引入冷阴极电弧源，在被处理工件周围设置辅助源极，利用辉光放电空心阴极效应使工件迅速升温，它既是加热源又是欲渗元素的辅助供给源。同时在真空容器壁上设置一个或多个金属阴极电弧靶源，利用真空电弧放电引燃电弧源，不断地发射出高能量、高电流密度、高离化率的欲渗金属离子流，在工件负偏压的作用下加速到达工件表面，使工件进一步升温到渗金属的温度。依靠扩散和离子轰击作用快速渗入工件表面层，在工件表面可以形成渗层、镀层、渗镀结合层，也可以合成各种化合物薄膜。加弧辉光离子渗镀技术具有下列优点：

(1)渗速极快，平均值为(300～700)μm/h。

(2)工件的形状不受限制，可以在炉内任意排放。

(3)工件可以转动，能实现均匀渗镀。

(4)不仅可以渗镀高熔点的金属和合金(Mo、Ti、Cr、Ni、Cr-Ni、W-Mo等)，而且也可以渗镀低熔点的金属和合金(Al、Zn、Pb、Al合金等)。

(5)在金属零件表面可以合成特殊用途的薄膜(TiN、TIC、Al₂O₃、TiO₂、TaN等)。

(6)渗镀层成分呈梯度分布、硬度也呈梯度分布。由于是渗镀层，所以不存在“膜基结合力”问题，而这一点对表面处理是非常重要的。

(7)合金渗镀层成分基本可控，成分变动范围大，这是许多传统渗金属方法所难以做到的，合金渗层表面的合金元素总量可在百分之几到百分之九十以上的范围内变动。

(8)无污染，工作条件好，节约能源。

近年来，采用双层辉光离子渗镀技术和加弧辉光离子渗金属技术在钛合金表面制备富铝、富铬、富铌等合金化层，合金化层均具有良好的抗高温氧化性能。但该类合金化层主要集中在抗高温氧化性能方面，未能同时兼顾室温和高温的摩擦磨损性能。此外，单一合金化涂层在改善钛合金抗高温氧化性能方面的作用有限，并且对上述涂层抗高温氧化性的研究时间多数集中在0-100h，无法反映出涂层的长期稳定性信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层及其制备方法。

本发明采取的技术方案为：

一种钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层，它以钛合金为基体材料，以Al-Nb-Si合金为靶材，采用弧辉等离子体技术制备得到，靶材成分质量配比为10∶2∶1、10∶3∶1或10∶2∶2。

上述钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层的制备工艺，包括步骤如下：

1)钛合金基体材料作为阴极，氩气压强20～30Pa，钛合金与靶材距离为20-25mm，阴极电压为850-900V，弧靶电流50-60A，渗金属时间60-70min，钛合金温度控制在900-1000℃。

2)关闭弧靶电流，充入氮气，氮气与氩气体积比为1∶1，混合气体压强300Pa，阴极电压为850V，氮化时间2.5-3h，氮化温度控制在800-850℃。

本发明的有益效果：

本发明的钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层，宏观质量完好，厚度均匀，与基体呈良好的冶金结合，合金元素沿厚度方向呈梯度分布。高温复合涂层表层主要由钛铝氮化物组成，此物相有利于涂层硬度、室温及高温抗摩擦磨损性能的提高。高温复合涂层内层主要由Ti-Al、Al-Nb和Ti-Si化合物等物相组成，此物相使涂层具有优异的抗高温氧化性能。高温复合涂层表面具有高的硬度和低的室温、高温摩擦系数，磨损机制主要为磨粒磨损，表现出良好的抗干滑动摩擦磨损性能。高温复合涂层由于高铝含量，具有优异的抗高温氧化性能，其氧化增重远低于基体的氧化增重，氧化层未出现剥落现象。

本发明方法制备的高温复合涂层，表面硬度可达1000-1200HV0.2，室温摩擦系数为0.25-0.35，为基体的1/2-1/3，800℃时的摩擦系数为0.3-0.4，仅为基体的1/3-1/4，磨损机制以磨粒磨损为主，具有高的表面硬度和优异的抗摩擦磨损性能。800℃保温1000h氧化增重仅为钛合金基体的1/35-1/40，氧化产物主要为Al₂O₃，氧化膜层未出现剥落现象，具有优异的抗高温氧化性能。

具体实施方式

实施例1

一种钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层，是在加弧辉光离子渗金属设备中进行的，具体步骤如下：首先在钛合金的表面采用弧辉等离子体技术制备富铝Ti-Al-Nb-Si多元合金化层，制备条件是：合金靶材质量配比为Al∶Nb∶Si＝10∶3∶1，氩气压强30Pa，钛合金基体试样作为阴极，钛合金与靶材距离为22mm，阴极电压为900V，弧靶电流60A，渗金属时间70min，钛合金试样温度1000℃。然后将上述制备的多元合金化试样在氮气和氩气的气氛下进行双层辉光离子氮化工艺，使合金化层表面形成一层以钛铝氮化物为主的陶瓷层，具体的条件是：混合气体压强约为300Pa，氮化时间3h，氮化温度850℃，阴极电压为850V，混合气体为1∶1的氮气和氩气。

对制备的涂层进行耐磨性及抗高温氧化性分析。

高温复合涂层厚度约为50μm，其中高温复合涂层陶瓷外层厚度约为12μm，高温复合涂层内层厚度约为38μm。涂层与基体之间形成了良好的冶金结合。

复合涂层陶瓷外层的最高硬度约为1187HV0.2，而基体的仅为410HV0.2，随着深度的增加，硬度呈梯度下降。

涂层在室温下的平均摩擦系数约为0.27，而基体的约为0.8，涂层在室温下的干滑动摩擦系数仅为基体的1/3。涂层在800℃时的平均干滑动摩擦系数约为0.32，而基体的约为1.2，涂层的高温摩擦系数仅为基体的1/4。从磨痕形貌分析，涂层在室温及高温的干滑动磨损均以轻微的磨粒磨损为主，而基体在室温及高温的干滑动磨损均表现出严重的磨粒磨损和黏着磨损。涂层表现出优异的室温和高温抗干滑动摩擦磨损性能。

涂层在800℃保温1000h的氧化增重为0.4506mg/cm²，氧化层未出现剥落现象，氧化层厚度为6-8μm，氧化产物以Al₂O₃为主，而基体增重为18.2085mg/cm²，其氧化层循环剥落，氧化产物以TiO₂为主，涂层的氧化增重仅为基体增重的1/40，涂层表现出优异的抗高温氧化性能。

实施例2

一种钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层，是在加弧辉光离子渗金属设备中进行的，具体步骤如下：首先在钛合金的表面采用弧辉等离子体技术制备富铝Ti-Al-Nb-Si多元合金化层，制备条件是：合金靶材质量配比为Al∶Nb∶Si＝10∶2∶1，氩气压强25Pa，钛合金基体试样作为阴极，钛合金与靶材距离为25mm，阴极电压为850V，弧靶电流60A，渗金属时间60min，钛合金试样温度950℃，然后将上述制备的多元合金化试样在氮气和氩气的气氛下进行双层辉光离子氮化工艺，使合金化层表面形成一层以钛铝氮化物为主的陶瓷层，具体的条件是：混合气体压强约为300Pa，氮化时间2.5h，氮化温度900℃，阴极电压为850V，混合气体为1∶1的氮气和氩气。

对制备的涂层进行耐磨性及抗高温氧化性分析。

高温复合涂层厚度约为42μm，其中高温复合涂层陶瓷外层厚度约为10μm，高温复合涂层内层厚度约为32μm。涂层与基体之间形成了良好的冶金结合。由于制备工艺时间和温度均低于实施例1，涂层厚度略低于实施例1。

复合涂层陶瓷外层的最高硬度约为1203HV0.2，而基体的仅为410HV0.2，随着深度的增加，硬度呈梯度下降。由于与实施例1的组成物相的种类及相对含量相差不大，涂层的室温及高温抗干滑动摩擦磨损性能差别不大。

涂层在800℃保温1000h的氧化增重为0.42076mg/cm²，氧化层未出现剥落现象，氧化层厚度为5-7μm，氧化产物以Al₂O₃为主，抗高温氧化性能略优于实施例1。

实施例3

一种钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层，是在加弧辉光离子渗金属设备中进行的，具体步骤如下：首先在钛合金的表面采用弧辉等离子体技术制备富铝Ti-Al-Nb-Si多元合金化层，制备条件是：合金靶材质量配比为Al∶Nb∶Si＝10∶2∶2，氩气压强30Pa，钛合金基体试样作为阴极，钛合金与靶材距离为22mm，阴极电压为900V，弧靶电流60A，渗金属时间70min，钛合金试样温度1000℃。然后将上述制备的多元合金化试样在氮气和氩气的气氛下进行双层辉光离子氮化工艺，使合金化层表面形成一层以钛铝氮化物为主的陶瓷层，具体的条件是：混合气体压强约为300Pa，氮化时间3h，氮化温度850℃，阴极电压为850V，混合气体为1∶1的氮气和氩气。

上述实施方案为本发明最佳的实施方案，但本发明的实施方案并不受上述实施方案的限制，其他的任何不违背本发明原理的条件下，可以通过改变参数的形式所产生的实施例，都包含于本发明的保护范围之内。

一种钛合金表面陶瓷/金属梯度高温复合涂层及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。