[发明专利]一种纳米结构陶瓷涂层及其原位制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种纳米结构陶瓷涂层及其原位制备方法与应用，所述制备方法包括以下步骤：1.对基体进行预处理，然后通过PVD在真空室中通入反应性气体，在基体表面形成陶瓷涂层；2.通过离子注入在陶瓷涂层表面均匀地向陶瓷涂层中注入金属元素，得到金属离子注入层，所述金属元素与陶瓷涂层中金属元素中的主要成分相同，并通过退火形成氮化物或氧化物，原位生成所述纳米结构陶瓷涂层。该技术可操作性强、可控性好，可以通过控制离子注入层的厚度控制纳米结构的形状，并控制其疏水性能，技术可实现性强，适用于Zn等金属薄膜在氧化或者氮化过程中出现体积收缩的材料。

技术领域

本发明涉及材料表面处理领域，特别是涉及一种纳米结构陶瓷涂层及其原位制备方法与应用。

背景技术

金属表面陶瓷涂层技术将金属基材的高结构强度与表面陶瓷涂层的耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀等优良特性结合起来，发挥两种材料的综合优势，可以解决高技术应用材料存在的热障、易腐蚀、不耐磨等问题。然而，由于传统的陶瓷涂层粒径较大，导致脆性高、韧性较差、结合强度低以及易产生裂纹等问题，使其应用在很多方面受到较大的限制。

随着纳米科学的深入研究，将纳米技术应用于涂层制备有效地解决了传统涂层技术存在的制约问题。与微米级陶瓷涂层相比，纳米陶瓷涂层由于晶粒细化且分散均匀，晶界数量大幅增加，涂层组织更加致密，其硬度、韧性、结合强度、耐蚀耐磨性、致密度等性质都得到显著的提升，已广泛应用于航空航天、船舶、机械、化工等多个工业领域。

陶瓷涂层的制备方法主要有热喷涂、冷喷涂、电泳沉积、溶胶-凝胶、热化学反应、激光熔覆、微弧氧化、磁控溅射等。物理气相沉积法（PVD）是一项成熟的技术，在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。近年来，通过多种技术相结合，PVD技术得到较大的发展，从而衍生出了多种先进的PVD技术，如：反应磁控溅射技术（RMS）、脉冲激光沉积（PLD）、等离子体分子束外延生长技术（PA-MBE）、磁控溅射脉冲激光沉积（MSPLD）、离子化磁控溅射（IMS）、真空等离子体涂喷（VPS）等制备陶瓷涂层的新技术。然而，PVD技术一般并不适用于在基体表面镀制粒径小的纳米结构陶瓷涂层。

金属离子注入技术是将经过电场加速的高能离子均匀地注入到基体内部，进而使基体表面性能得到改善，涂层成分随深度呈梯度变化，注入层与被注入层之间没有明显的界面，获得的涂层结合强度高。并且，欲渗金属可以是单金属也可是多金属或合金，能够精确控制注入剂量和注入深度，应用范围广泛。目前备受关注的金属离子注入技术有MEVVA离子源注入技术和双层辉光离子渗技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米结构陶瓷涂层及其原位制备方法与应用。该方法主要针对PVD技术一般不适用于在基体表面镀制粒径小的纳米结构微粒涂层，提出使用PVD与离子注入相结合的复合进行制备。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。

本发明公开了一种纳米结构陶瓷涂层的原位制备方法，包括以下步骤：

（1）对基体进行预处理，采用PVD在真空室中通入反应性气体，在基体表面形成陶瓷涂层；

（2）通过离子注入在陶瓷涂层表面均匀地向陶瓷涂层中注入金属元素，获得金属离子注入层，所述金属元素与陶瓷涂层中金属元素中的主要成分相同；并采用退火的方式形成氮化物或者氧化物，原位生成所述纳米结构陶瓷涂层。

进一步的，所述步骤（1）中预处理是在真空环境中采用Ar离子或施加电压对基体表面进行轰击去除表面杂质。

进一步的，所述步骤（1）中，PVD可以采用磁控溅射或阴极弧离子镀。