[发明专利]耐高温抗结焦铬铝氮/二氧化钛复合镀层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种耐高温抗结焦铬铝氮/二氧化钛复合镀层及其制备方法。以碳钢为基底，采用多弧离子镀在碳钢表面制备以Cr打底、CrN为过渡的CrAlN镀层作为中间层，然后采用原子层沉积在中间层表面制备TiO₂镀层。本发明采用多弧离子镀和原子层沉积相结合的方法，在基底与TiO₂镀层之间引入CrAlN镀层，提高了TiO₂镀层在高温、有氧条件下的抗剥落性能，从而使TiO₂镀层能更有效的发挥抗结焦功能。

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，涉及航空发动机燃油管道等金属结构件内壁的表面钝化、高温抗结焦防护，具体涉及在碳钢表面制备的高温抗剥落、抗结焦的铬铝氮/二氧化钛(CrAlN/TiO₂)复合镀层。

背景技术

航空燃料在高温下容易发生不完全裂解，从而在燃油管道内壁上形成结焦，进而造成燃油流阻增加，以及燃油管道换热性能恶化，极端情况下积碳甚至与燃油管道发生渗碳反应，造成其机械性能下降。为了提高燃油管道等金属结构件在高温工作下的抗结焦性能，除了结构设计和正确选材之外，往往还需在其表面制备惰性材料镀层以抑制积炭沉积(例如，CN104498899A)。TiO₂已被证实具有优异的抗结焦防护作用(例如，CN109468614A)，但是TiO₂镀层在有氧条件下容易剥落，从而导致抗结焦效果减弱，使得燃油管道等金属结构件在与外界氧气接触的位置，例如，管道进出口处存在较为严重的结焦情况。因此，目前亟需设计在高温条件下具有抗剥落性能的抗结焦防护层。

通过在工件表面设计数微米到数十微米厚的CrAlN涂层，可以提高工件的机械性能、硬度、耐热性和抗氧化性能，使得CrAlN涂层在高速切削刀具、典型模具加工、燃气轮机叶片、抗高温氧化等多个领域得到广泛应用。CrAlN涂层性能虽然优异，但研究发现Al(Cr)N涂层在900℃下会分解为亚稳态的c-AlN和CrN，而c-AlN可继续转变为hcp-AlN，CrN可再次分解为β-Cr2N和Cr，从而导致涂层高温力学性能急剧下降。因此在单一的CrAlN涂层基础上，出现了针对不同的应用背景的复合涂层设计。但这些复合涂层是以CrAlN的性能为主导，复合涂层设计是为了进一步提高或优化CrAlN的性能(例如，硬度、抗氧化性能、耐磨损性能)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温抗结焦铬铝氮/二氧化钛复合镀层及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种CrAlN/TiO₂复合镀层，该复合镀层包括CrAlN镀层以及设置在CrAlN镀层表面的具有抗结焦功能的TiO₂镀层。

优选的，所述CrAlN镀层的厚度为3～4μm，TiO₂镀层的厚度为100～300nm。

优选的，所述复合镀层还包括设置在CrAlN镀层与碳钢基底之间的厚度为0.1～0.5μm的Cr镀层(作为打底层设置在碳钢基底表面)以及厚度为0.1～1μm的CrN镀层(作为过渡层设置在Cr镀层表面)。

优选的，所述复合镀层的总厚度为4～5μm。

上述CrAlN/TiO₂复合镀层的制备方法，包括以下步骤：

该复合镀层的制备方法结合多弧离子镀及原子层沉积两种工艺，首先采用多弧离子镀在基底表面制备中间层，其中，中间层包括位于表面的CrAlN镀层，然后采用原子层沉积在CrAlN镀层表面制备具有抗结焦功能的高质量(例如，无颗粒缺陷)TiO₂镀层。

优选的，所述复合镀层的制备方法具体包括以下步骤：