[发明专利]一种金属陶瓷涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温防护技术，特别提供了一种金属陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术

MCrAlY涂层是较为理想的包覆涂层。由于其具有良好的抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能，以及很好的韧性和抗热疲劳强度，被广泛地应用于航空发动机、燃气轮机等的涡轮叶片上。MCrAlY涂层的优点在于其成分选择的多样性，即可以根据不同的工作环境和不同基体材料选择合适的涂层成分，不受基体化学成分和微观结构限制。但是MCrAlY涂层硬度及耐磨性有待于提高。目前MCrAlY涂层的主要制备方法有物理气相沉积和等离子喷涂。

与MCrAlY涂层相比，氮化物涂层硬度高，并且具有优异的耐磨性。但是氮化物涂层的热稳定性不高，抗热裂性能差，因此在高温防护领域的应用研究较少。近年来，CrN, CrAlN涂层由于具有很高的硬度和耐磨性，良好的抗高温氧化性和抗腐蚀性而得到人们的广泛关注。但是，氮化物涂层的韧性差，氧化后，涂层表面的氧化物在高温下受到热循环和机械作用易剥落，加速涂层的失效，因此氮化物涂层与基体的结合强度及其韧性也有待于提高。最近Lin 等利用脉冲非平衡磁控溅射的方法制备了不同Al含量的CrAlN涂层，其表现出较好的高温性能，降低了AISI304不锈钢在800^oC的氧化速率。同时研究发现随着Al含量的增加，CrAlN涂层的抗氧化性逐渐提高，并且Al的加入有效地抑制了高温环境下涂层中含氮量的减少，使涂层在800^oC经1h退火处理仍维持25Gpa的硬度值。但是，该涂层在高温下伴随氧化物的形成会发生分解，仅能提供短期的防护[参见文献J. Lin, et al. A study of  the oxidation behavior of CrN and CrAlN thin films in air using DSC and TGA analyses [J]. Surface & Coatings Technology, 202 (2008): 3272-3283.]。

目前，高温合金的氮化物防护涂层，或因为其韧性差，与基体的结合强度低，结构不致密，或因为热稳定性不高等问题而不能够对高温合金起到有效的腐蚀防护作用，远达不到工业应用要求。因此，发展具有高抗氧化性、高抗腐蚀性、高热稳定性、高耐磨性和高韧性的新型的高温防护涂层，仍是高温合金防护领域亟待解决的问题。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属陶瓷涂层及其制备方法。该金属陶瓷涂层由金属相母体和弥散分布纳米晶氮化物相颗粒组成。该金属陶瓷涂层的显微硬度、耐磨性、抗1000℃高温氧化性均比MCrAlY涂层(M=Ni, Co, 或NiCo)提高一倍以上，适用于金属工件。该制备方法为采用合金为靶材和氮气为反应气体的真空物理气相沉积类型方法，包括但不限于多弧离子镀、磁控溅射。可通过调整合金靶材成分及真空室温度、通入的气体压力、基体偏压等控制参数，以获得满足硬度、耐磨性、抗氧化性和抗热腐蚀性等不同要求的涂层。涂层制备工艺简单，制备后不需要经过真空退火等后续处理，具有较高的生产效率。

本发明一种金属陶瓷涂层，其特征在于：该金属陶瓷涂层由金属相母体和弥散分布纳米晶氮化物相颗粒组成；

所述金属相(b)为含固溶强化合金组元的合金相或者纯金属，当为纯金属时其中包括但不限于Ni；

氮化物相(c) 弥散分布于金属相(b)中，其中氮化物(c)的体积分数为5～60 %。

 

所述金属陶瓷涂层，其特征在于：氮化物相(c)含至少一种金属元素；氮化物相(c)晶粒尺寸≤80nm。

 

本发明还要求保护金属陶瓷涂层制备方法，其特征在于：

制备后的成品由金属相母体和弥散分布纳米晶氮化物相颗粒组成；所述金属相(b)为含固溶强化合金组元的合金相或者纯金属，当为纯金属时其中包括但不限于Ni；氮化物相(c) 弥散分布于金属相(b)中，其中氮化物(c)的体积分数为5～60 %；

具体使用真空物理气相沉积类型方法，包括但不限于多弧离子镀、磁控溅射等；

制备过程包含三个步骤：（1)零件必须置于真空室(e)内，(2)在真空室(e)内通入反应气体(f)，(3)使靶(g)表面的物质形成气相(h)。

 

所述金属陶瓷涂层制备方法，其特征在于：

制备过程中，反应气体(f)必须含氮气，也可同时通氩气等其他气体，通入的反应气体量应使真空室的气压≥0.2Pa；