[发明专利]一种微晶铝化物涂层制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及表面涂层技术领域，特别涉及了一种微晶铝化物涂层制备方法。

背景技术

铝化物或改性铝化物涂层因具有优异的抗高温氧化和耐高温腐蚀性能，在当前高温防护涂层领域仍占据重要地位，广泛应用于电力、航空、航天和化工行业。

传统铝化物涂层制备工艺主要有固体粉末包埋渗铝、液相渗铝、气相渗铝料浆渗铝、热喷涂渗铝和真空镀膜扩散渗铝。固体粉末包埋渗铝的优点是操作简单，工艺稳定，渗层深度容易控制，缺点是产生粉尘危害和产生有害气体，劳动条件差，生产周期长，有孔零件清除渗剂困难。液相渗铝的优点是生产效率高，容易实现连续化生产，缺点是渗层表面粗糙，均匀性差，夹杂物多，坩埚容易腐蚀损坏，蒸发有害气体。气相渗铝的优点是劳动条件较好，可渗带孔零件，缺点是工艺稳定性不够好，渗铝层铝浓度较低。料浆渗铝、热喷涂渗铝和真空镀膜渗铝的优点是涂层中可加入活性改性元素从而改善涂层的抗热腐蚀性能，也可进行局部渗铝。料浆渗铝缺点是常见料浆中含有毒添加剂，不利健康。热喷涂渗铝缺点是涂层粗糙，均匀性差，操作时噪声大。真空镀膜渗铝的缺点是镀层结合力差。同时，上述方法均需要对工件进行加热，使铝元素扩散进入基体而形成铝化物涂层。对于镍基合金渗铝涂层，加热温度通常需要达到900-1050℃。采用辉光放电的新型渗铝工艺利用物理气相获得渗层的方法[参见文献：CN87104626，中国专利]，解决了传统工艺对环境不友好的问题。但该方法仍然需要在制备过程中对工件进行加热。上述方法获得的涂层组织晶粒度，因加热温度不同，通常在几十微米到毫米量级。由于晶粒粗大，涂层的抗循环氧化能力较差，具体表现为在冷热循环过程中表面氧化膜易剥落。此外，工件加热温度高，也容易导致工件组织长大，影响工件力学性能。

涂层晶粒越细小，越有利于Al的选择性氧化，从而可改善涂层的抗氧化性能。杨松岚等人采用磁控溅射方法获得了微晶铝化物涂层[参见文献：杨松岚，王福会，朱圣龙，柱状晶界面对溅射NiAl微晶涂层高温氧化性能的影响，金属学报37(2001)625]，涂层表现出优异的抗高温氧化性能。该方法在实际应用上的主要问题是需要预先制备NiAl靶材。NiAl是一种金属间化合物，其脆性较大，靶材在铸造过程和使用过程中容易开裂。因此，发明一种既具有微米晶粒度，涂层抗循环氧化性能好，不影响基体组织和力学性能，又具有良好实用性的新型渗铝方法具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种不用加热基体的，环境友好的，能制备微晶铝化物涂层的新方法，特提供了一种微晶铝化物涂层制备方法。

本发明的原理为：利用真空阴极电弧，使靶材原子蒸发并形成高密度等离子体；等离子体中金属离子在高频脉冲偏压加速和引导下，注入到工件表层内部，在工件表面形成微晶铝化物涂层。

本发明提供了一种微晶铝化物涂层制备方法，其特征在于：制备过程在真空中进行；采用真空阴极电弧蒸发方法产生高密度等离子体；在工件上施加高频脉冲负偏压，使等离子体中金属离子注入到工件表层内部，并形成亚微米级晶粒的铝化物涂层。

所述的真空阴极电弧蒸发方法，使用纯铝或铝合金靶材，弧电流40～50A；所述铝合金中合金组元包括但不限于Si、Hf、Cr、Y、原子序数为57到71的15种镧系元素之一，或上述元素的组合，合金组元总含量为10ppm至15％，此值为原子比。

所述的高频脉冲负偏压方法，偏压为-400～-1000V，占空比20～60％，频率5～100kHz。

所述的真空，通氩气前背底真空度最优达到0.05Pa或更低，至少应达到5Pa，通氩气后真空度为6-40Pa。

所述的微晶铝化物涂层的制备工艺过程，安装工件和靶材，真空室抽真空，通入氩气，在工件上施加高频脉冲负偏压，引燃真空阴极电弧，涂层达到所要求厚度后，关闭铝化物涂层制备系统，取出工件。

本发明与其他方法的区别：

与真空电弧离子镀的区别：本方法中金属离子能注入工件表层内部，并形成铝化物；而真空电弧离子镀方法中金属离子仅沉积在工件表面，不能与工件表面原子形成铝化物。

与阴极电弧源离子渗金属(参见文献：CN88100549A，中国专利)的区别：本方法中工件温度较低，主要依赖铝离子自身能量与基体形成铝化物；而阴极电弧源离子渗金属方法中主要依靠离子加热工件至高温，达800～1400℃。