[发明专利]利用化学热处理在金属表面制备陶瓷多层膜的方法

权利要求书

1.利用化学热处理在金属表面制备陶瓷多层膜的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：将需要表面强化的金属基体表面进行预处理，并利用物理气相沉积方法制备具有碳化物或氮化物形成能力的金属/金属多层膜；

步骤2：将步骤1获得的试样进行高温热处理；

步骤3：将步骤2获得的试样进行化学热处理，使步骤1中沉积的金属层和基体表层转变为碳化物层或氮化物层，从而获得陶瓷/陶瓷多层膜；

所述化学热处理包括渗氮处理和渗碳处理；渗碳过程中，应使渗碳深度超过步骤1中制备的金属/金属多层膜的总厚度，使陶瓷层/金属层界面位于金属基体表层；

渗碳处理或渗氮处理温度需高于900摄氏度且低于金属/金属多层膜和金属基体的熔点；渗碳处理或渗氮处理时间取决于渗碳温度或渗氮温度和多层膜厚度，最终应使陶瓷层厚度大于步骤1中沉积的金属/金属多层膜的厚度；

步骤1中所述的具有碳化物形成能力的金属包括Ti、Zr、V、Nb、Ta、Mo、W、Cr、Hf中的一种元素形成的纯金属或以之为主要化学成分的合金；具有氮化物形成能力的金属为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W中任意一种元素形成的纯金属或以之为主要化学成分的合金；

步骤1中所述的金属/金属多层膜是两种不同的金属形成的多层膜，金属/金属多层膜层数范围是2-30层，总厚度范围是5-30微米；

步骤2中所述热处理的目的是促进金属/金属多层膜层间界面的金属元素互扩散；热处理温度范围为900-2000摄氏度，热处理时间为0.5-48 h，热处理后试样随炉冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的利用化学热处理在金属表面制备陶瓷多层膜的方法，其特征在于，步骤1中所述的需要表面强化的金属基体包括Ti、Zr、Nb、Ta、Mo、W、Cr中的一种元素形成的纯金属或以其为主要化学成分的合金。

3.根据权利要求1所述的利用化学热处理在金属表面制备陶瓷多层膜的方法，其特征在于，步骤1中所述的表面预处理是指用砂纸研磨并抛光，再分别用丙酮、酒精和超声波清洗，以去除表面污染物并降低表面粗糙度，保证沉积薄膜的质量。

4.根据权利要求1所述的利用化学热处理在金属表面制备陶瓷多层膜的方法，其特征在于，步骤3中所述渗碳处理包括固体渗碳、气体渗碳、间隙原子渗碳；渗氮处理选择固体渗氮、气体渗氮、离子渗氮；渗碳或渗氮过程中通过抽真空或通入惰性气体防止氧化。

5.根据权利要求1所述的利用化学热处理在金属表面制备陶瓷多层膜的方法，其特征在于，渗碳方法选择间隙原子渗碳，所述间隙原子渗碳方法的具体步骤为：

首先，选用含碳量范围为1.0-4.0wt.%高碳钢或铸铁作为固体碳源；将固体碳源的其中一个表面打磨、抛光；然后，将固体碳源放置于制备了多层膜的金属基体之上，使多层膜表面和固体碳源的抛光表面相接触，将其放置在热压炉中，然后施加垂直于多层膜表面的压力2-30MPa，在真空或惰性气体环境中加热至900-1150摄氏度后保温，最后冷却至室温。