[发明专利]一种氧化锆涂层制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及涂层制备技术，具体地说是一种氧化锆涂层的制备工艺。

背景技术

氧化锆(ZrO₂)是一种具有很大发展潜力的涂层材料，它本身具有优异的性质：(1)它的线膨胀系数高(为9×10^-6～11.5×10^-6/K)，接近金属材料；(2)ZrO₂材料的热导率小(1W/m·K)，在气孔和裂纹存在的情况下，Y₂O₃稳定的ZrO₂材料的热导率值通常在0.8～1.7W/m·k之间，尤其在高温1000℃时，它的热导率数值是所有致密陶-瓷材料中最低的(2.3W/m·K)。(3)ZrO₂材料熔点高达2700℃，具有良好的高温稳定性；(4)Y₂O₃稳定的ZrO₂材料硬度达14GPa，弹性模量为50GPa，具有良好的力学性能和高的缓解应力的能力；(5)ZrO₂材料密度较低，约6.4g/cm³，有利于获得高性能的涂层，而不会引起器件重量的较大变化；(6)氧化锆本身存在3种相态：低温单斜、中温四方和高温立方相，其中，低温单斜和中温四方相之间的相变，会导致3％～5％(体积分数)左右的体积变化，转变过程中在材料中产生裂纹。因此，ZrO₂或Y₂O₃稳定的ZrO₂材料作为优质高强、高断裂韧性的耐磨涂层或热障涂层的隔热陶瓷顶层被广泛应用。另外，ZrO₂还被广泛用于固体氧化物燃料电池等功能材料领域。因此，ZrO₂或Y₂O₃稳定的ZrO₂涂层(薄膜)的制备备受关注。

作为热障涂层隔热陶瓷层的Y₂O₃稳定的ZrO₂涂层的制备方法主要是等离子喷涂和电子束物理气相沉积(EB-PVD)两种，但每种方法都有其不足之处。虽然等离子喷涂成本低，涂层成分易控制，但涂层结合性差，抗热震性能差。EB-PVD法制备的陶瓷层结合强度高，抗热震性能好，但工艺复杂，设备成本高，涂层价格高。制备耐磨涂层或功能材料用的ZrO₂涂层的制备方法包括等离子喷涂、高速火焰喷涂、磁控溅射、溶胶凝胶和化学气相沉积等，但这些制备方法都有各自缺点。

电弧离子镀是在蒸发和溅射基础上发展起来的一种真空镀膜技术。离化率高，在负偏压加速下，沉积膜层结合力更好，组织致密，沉积速率高，靶材利用率高，目前已被广泛用于硬质耐磨涂层和MCrAlY高温防护涂层涂覆。特别是九十年代以来电弧离子镀设备的改进，结构简单易行，特别适合工业化生产。如果将电弧离子镀技术用于制备ZrO₂或Y₂O₃稳定的ZrO₂涂层(薄膜)，可以极大促进氧化锆系列涂层的工程化应用。

至今电弧离子镀技术制备ZrO₂或Y₂O₃稳定的ZrO₂涂层的报道尚未见到。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好工艺重复性，容易实现工业化生产的优质氧化锆涂层制备工艺，即采用电弧离子镀技术反应沉积氧化锆系列涂层。

本发明的技术方案为：

在合金基体或电弧离子镀MCrAlY涂层上，采用电弧离子镀技术在合金基体或电弧离子镀MCrAlY涂层上利用纯Zr或ZrY合金靶材在O₂气氛内反应沉积ZrO₂或Zr(Y)O₂涂层。其中，合金基体可以是Ni基、Co基及γ’-Ni₃Al基高温合金，电弧离子镀MCrAlY涂层的成分范围是(以质量百分比计)：Co为0～40％，Cr为15～40％，Al为6～16％，Y为0.1～1％，Si为0～2％，B为0～0.01％，Hf为0～1.5％，Ni为余量。

沉积参数为：