[发明专利]一种TA15钛合金表面高温耐磨微叠层TiN-TiAlSiN及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种TA15钛合金表面高温耐磨微叠层TiN‑TiAlSiN的制备方法与应用。该微叠层是通过多弧离子镀技术沉积在TA15钛合金表面上，所述微叠层由一层Ti过渡层和若干层TiN‑TiAlSiN沉积层组成；所述Ti过渡层的厚度为0.5‑1.0μm；所述TiN‑TiAlSiN沉积层的厚度为6‑10μm，最外层为TiAlSiN层。上述TA15钛合金表面高温耐磨微叠层在飞机结构件，尤其是在承受高温及复杂环境中应用。本发明制备的高温耐磨微叠层与基体结合性能优越，无明显空洞、裂纹等缺陷，在摩擦磨损环境下，能够起到很好的耐磨作用。

技术领域

本发明属于TA15钛合金表面处理领域，具体涉及一种TA15钛合金表面高温耐磨微叠层TiN-TiAlSiN及其制备方法与应用。

背景技术

TA15 钛合金不仅具有α型钛合金优异的高温稳定性以及焊接性能，又具有(α+β)型钛合金良好的塑性形变能力，因此TA15 钛合金特别适合于制造各种焊接零部件，尤其在航空飞机大型结构件上，TA15钛合金得到了广泛的应用，最具代表性的是苏27。据统计，苏27使用的钛合金毛坯质量达到5.5t左右，占结构件总重量的16~18%，而TA15钛合金的单机毛坯用量能达到钛合金总毛坯用量的70%以上，成为先进飞机的重要结构以及选材特征的主要标志。但是TA15 合金的低硬度、低塑性剪切抗力、摩擦系数大、具有严重的粘着磨损和敏感的微动磨损、耐磨性能相对不足，极大地影响了钛合金结构件的安全性和可靠性，大大限制了其应用发展。故TA15钛合金很难满足现在以及未来的技术要求。

随着对材料表面性能的要求越来越高，随之而来的是各种各样的硬质薄膜的出现和各种各样合成硬质薄膜技术的研发进展，也越发的体现出表面技术作为一门新型的综合性学科所具有的极高的使用价值。在材料表面力学性能、化学性能以及抗高温氧化和抗腐蚀性能上有着诸多优势的硬质薄膜尤为引人瞩目。但是单层薄膜已经不能满足现行工业生产的要求，新一代薄膜体系亟需开发研究，根据贝壳的壳体结构提出了微叠层的概念。

微叠层薄膜是将两种不同材料按一定的层间距及层厚比交互重叠形成的多层薄膜，硬度是抵抗塑性变形的重要性质。用于制备微叠层高硬度材料的有过渡金属氮化物、碳化物形成的材料如TiN/NbN、TiN/VN、TiN/CrN、Ni/TiC、TiN/TiAlSiN等。

叠层硬度薄膜的耐摩擦寿命长于单层薄膜和双层薄膜，这可由多界面来解释。首先,耐摩擦寿命遵循混合定律，是与两种材料的平均值有关的；其次，因为界面很多，微叠层的寿命要强于单体涂层材料，且耐摩擦寿命是与界面的数目成反比的。

到目前为止，表面技术在耐磨的研究进展主要集中于单层涂层和双层涂层。例如南京航空航天大学王昉等利用双辉等离子渗金属技术在TA15合金表面制备Cr-Si复合渗层，结果表明，Cr-Si 复合渗层的纳米硬度为10.371GPa，弹性模量为819.23GPa，较基体分别提高了近4倍和5倍。例如上海电子信息职业技术学院戴正阳在45钢表面制备Ni-W-Si激光熔覆涂层，结果表明，涂层的硬度较高,机械零件表面的耐磨性大幅度提高。但是,随着涂层中W含量的降低，涂层硬度下降，磨损量增加。但这些方法都存在不足目前缺少一种能够有效提高钛合金高温耐摩擦磨损性能，且能够实现连续有效保护基体的方法。

发明内容

本发明主要针对高温环境下，钛合金耐摩擦磨损性能不足的问题，主要目的是在于提供一种TA15钛合金表面高温耐磨微叠层TiN-TiAlSiN及其制备方法与应用。即在TA15钛合金表面制备一层Ti过渡层以及若干层TiN层和TiAlSiN层，最外层为TiAlSiN层，以氮化物的高硬度、耐高温等特点对钛合金表面起到耐磨减磨的效果。