專利名稱：制備耐高溫磨損涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于改善金屬材料表面耐高溫磨損性能的一種方法，主要用于合金鋼，如高溫?zé)釓?qiáng)鋼、熱作模具鋼、以及鎳基合金、鈷基合金的基材表面涂層制備。
背景技術(shù)：
一般高溫合金鋼的使用溫度通常在800℃以下，為了在更高溫度，且服役環(huán)境更為惡劣的情況下使用，必須進(jìn)行表面處理以提高材料的耐高溫性能。現(xiàn)有的改善金屬材料表面抗高溫磨損性能的涂層制備的方法有1.表面化學(xué)鍍、電鍍等傳統(tǒng)工藝以及后來發(fā)展的電刷鍍、化學(xué)鍍等，盡管涂層與基體結(jié)合有了極大的改善，但作為擠壓下的磨損仍感不足。此外，涂層內(nèi)含有害雜質(zhì)較多，在高溫條件下易發(fā)生氧化腐蝕而導(dǎo)致涂層的脫落損壞。它不易制備陶瓷涂層。
2.采用堆焊方式將耐高溫磨損材料通過堆熔方式焊于基材表面，這種方式可以形成較厚的涂層，但無法堆焊陶瓷涂層。由于堆焊過程中溫升高，此后的退火工藝要求嚴(yán)格，而且工件尺寸精度需重新加工調(diào)整，采用堆焊處理常因工藝可控性問題造成工件報(bào)廢。
3.采用噴涂方式如熱噴涂、等離子噴涂等在金屬材料表面進(jìn)行耐高溫磨損材料的涂覆，這種方式可形成較厚的涂層。近年來采用低壓等離子噴涂使涂層質(zhì)量有了很大提高，但對(duì)高溫?cái)D壓條件下的涂層仍有以下幾點(diǎn)不足噴涂的涂層致密度低，涂層中缺陷包括空洞、裂紋等較多，噴涂過程中因氧的入侵在涂層中形成氧化物夾雜，這樣易在使用中發(fā)生斑點(diǎn)式剝蝕。涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度亦較低，在使用的過程中易發(fā)生涂層的剝落。
4.七十年代發(fā)展起來的各種薄膜制備技術(shù)也可用于這類涂層的制備。如物理氣相沉積(PVD)，以及以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來的種種PVD技術(shù)，形成涂層致密性較好，但與基材結(jié)合強(qiáng)度較差；化學(xué)氣相沉積(CVD)以及以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來的各類CVD技術(shù)，制備的涂層致密性好，與基材結(jié)合強(qiáng)度雖有改善，但仍感不足，特別用于擠壓磨損工況下，常會(huì)使涂層撕落。此外涂層中滯留的有害雜質(zhì)會(huì)使涂層使用中發(fā)生腐蝕而損壞。
5.七十年代發(fā)展起來的如激光、電子束、離子束技術(shù)在材料表面改性上起到了極大的推動(dòng)作用。根據(jù)不同要求，激光、電子束這類高功率密度的熱能束可進(jìn)行不同規(guī)范的表面熱處理，如表面相變硬化處理，表面熔融上釉處理以及表面沖擊強(qiáng)化處理。不足的是激光、電子束技術(shù)進(jìn)行表面合金化涂覆還需要其他方式引入外來材料。離子束雖可自行進(jìn)行物質(zhì)和能量的傳遞，但成本極高，涂層厚度十分有限。
綜上所述，以上已有技術(shù)有的存在涂層與基體結(jié)合差，特別在高溫?cái)D壓磨損工況下發(fā)生涂層撕落；有的無法制備陶瓷涂層；有的可以改善同質(zhì)材料的結(jié)合，例如合金涂層與合金基體的結(jié)合，但無法改善異質(zhì)材料的結(jié)合，如陶瓷涂層與合金涂層或基材的結(jié)合；有的形成涂層厚度有限，處理成本很高。并且以上已有技術(shù)一般都單獨(dú)使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足，提出了一種多種技術(shù)結(jié)合制備多層結(jié)構(gòu)耐高溫磨損涂層的方法，并可在同一真空室內(nèi)完成涂層制備，得到涂層與基體、涂層之間結(jié)合優(yōu)良、并能在1200℃高溫以上擠壓條件下工作的涂層。
本發(fā)明的目的是通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明用原子束沉積技術(shù)制備涂層；用離子束技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化涂層之間的結(jié)合形成過渡層的處理；用電子束或激光束技術(shù)進(jìn)行涂層顯微結(jié)構(gòu)的控制處理，使涂層形成需要的金相結(jié)構(gòu)及微觀形貌特征相結(jié)合的方法進(jìn)行涂層制備。
本發(fā)明制備涂層，是在基材上制備耐高溫的合金鋼材料的合金層；在其上制備陶瓷材料的陶瓷層；制作處理兩涂層之間過渡層；然后進(jìn)行強(qiáng)化涂層結(jié)合處理和(或)涂層結(jié)構(gòu)控制處理。
本發(fā)明制備高溫合金層的材料采用MCrAlR，其中M＝Ni、Cr，R＝Y(jié)、Yb、La。該層的作用主要是抗高溫磨損；制備陶瓷層采用的材料是A12O3，該層的作用主要是抗高溫氧化。在基材與高溫合金層之間，高溫合金層與陶瓷層之間形成過渡層的材料成份是由界面兩邊的材料決定的，其材料成份的過渡為梯度變化。為了增加界面結(jié)合強(qiáng)度，過渡層中還可以摻雜少量的稀土元素如Y或Yb。
制備涂層的原子束沉積技術(shù)，可以采用物理氣相(PVD)定向沉積，包括電子束蒸發(fā)，磁控濺射，離子鍍或離子濺射沉積。例如采用直流磁控濺射可以進(jìn)行金屬和合金涂層的沉積，采用射頻磁控濺射則可沉積非金屬涂層，如陶瓷涂層。常用的磁控濺射沉積方法參數(shù)如下濺射電壓300-800V，電流密度4-50mA/cm2，氬氣壓力10-1-2.0Pa，工件與靶的距離4-10cm，射頻頻率13.6MHz--27.2MHz，沉積速率取決于不同沉積元素，一般為10-103nm/KW·min。
對(duì)強(qiáng)化各涂層界面之間形成過渡層的處理，可以采用離子束技術(shù)，如對(duì)陶瓷層與高溫合金層界面的處理，可以通過離子束混合技術(shù)形成過渡層，所用工藝參數(shù)為離子束劑量5×1015--5×1016ions/cm2，可采用以下幾種離子Ar+、Y+或Yb+。該技術(shù)是將離子打入界面附近并進(jìn)入下一層的范圍內(nèi)，通過離子碰撞及其后的級(jí)聯(lián)碰撞、熱町效應(yīng)、增強(qiáng)擴(kuò)散等作用，使兩層之間原子發(fā)生混合，形成組分上的梯度分布，或在微觀結(jié)構(gòu)上形成晶格常數(shù)的漸變或其它參數(shù)如熱脹系數(shù)等的漸變化分布，這些均有利于兩層之間結(jié)合強(qiáng)度的提高。
用電子束或激光束進(jìn)行涂層的顯微結(jié)構(gòu)的控制處理，可得到涂層要求的金相結(jié)構(gòu)、涂層微觀形貌等。根據(jù)工件的工況要求，可以通過對(duì)涂層進(jìn)行表面相變硬化處理改變涂層的金相結(jié)構(gòu)，從而有效提高涂層抗磨損性能；通過對(duì)涂層進(jìn)行表面熔融處理可提高涂層的致密度；通過合金化處理可使不同合金層進(jìn)行熔合以提高各層之間的結(jié)合力；此外，通過快速熔凝技術(shù)消除各類雜質(zhì)、夾雜以凈化涂層外，還可以使晶粒細(xì)化改善涂層的微觀結(jié)構(gòu)。采用電子束或激光束的工藝參數(shù)如下用于表面相變硬化的束功率密度一般在1×103--5×104W/cm2。用于上釉處理的束功率密度可高達(dá)107W/cm2，但其冷凝速率也要大于105K/S。對(duì)于同質(zhì)材料的過渡層，如基材與高溫合金層材料界面也可以用電子束或激光束技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化涂層界面結(jié)合的處理。
本發(fā)明在制備過程可以在真空室中連續(xù)進(jìn)行并一次完成。
本發(fā)明將多種技術(shù)結(jié)合形成了獨(dú)特有效的方法，不僅能制備金屬材料，也能制備非金屬陶瓷材料涂層；不僅能使同質(zhì)材料涂層結(jié)合緊密，而且能使金屬和陶瓷之間結(jié)合得緊密。本發(fā)明的制備過程由于在真空室中一次完成，可以提高工作效率，保證工件質(zhì)量。采用本發(fā)明制備的耐高溫磨損涂層具有涂層厚，耐高溫磨損，結(jié)合力強(qiáng)不會(huì)撕裂、脫落的優(yōu)良性能。特別是在1200℃高溫?cái)D壓工況下能夠持續(xù)工作。
四

圖1為耐高溫磨損涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為制備耐高溫磨損涂層工作原理圖。
圖3為耐高溫磨損涂層顯微剖面圖。
五具體實(shí)施例方式本發(fā)明制備耐高溫磨損涂層的方法采用的幾種技術(shù)的制備過程，根據(jù)不同工件的要求，可以依次進(jìn)行或交叉選擇進(jìn)行，也可重復(fù)進(jìn)行一至多次。
以下結(jié)合附圖詳述本發(fā)明本發(fā)明是將高溫合金鋼工件[4]安裝在有磁控濺射靶[1]、電子槍或激光器[2]及離子槍[3]的真空室中進(jìn)行耐高溫磨損涂層的制備(見圖1和圖2)。制作過程是將工件表面的基材[A]作常規(guī)清洗后放入真空室中，待真空室中的真空度達(dá)到10-3pa后，對(duì)工進(jìn)行離子束表面濺射清洗，以除去表面殘留的自然氧化層，同時(shí)也起到活化表面的作用。
濺射清洗的離子槍工作參數(shù)為Ar+氣；能量1-3KeV；束流密度10-100mA/cm2。用原子束沉積技術(shù)制作高溫合金層[C]材料MCrAlR，其中M＝Ni、Co，R＝Y(jié)、Yb、La。
直流磁控濺射參數(shù)濺射電壓300-800V；電流密度4-50mA/cm2；Ar+氣壓力10-1-2.0Pa，涂層厚度50-100μm，沉積速率102-103nm/KW·min。用離子束技術(shù)處理基材與高溫合金層之間過渡層[B]離子束劑量5×1015；離子種類Ar+，Y，Yb等。離子能量30-300KeV；或用電子束或激光束技術(shù)處理基材與高溫合金層之間過渡層[B]。
功率密度1×103--5×104W/cm2；冷凝速率大于105K/S。用電子束或激光束處理高溫合金層[C]形成需要的金相結(jié)構(gòu)。
表面相變硬化處理功率密度1×103--5×104W/cm2；表面合金化處理功率密度1×104--5×105W/cm2；表面上釉處理功率密度1×106--5×107W/cm2；用原子束技術(shù)沉積陶瓷層[E]射頻磁控濺射參數(shù)射頻電壓500V；電流密度5-30mA/cm2；射頻頻率3.6-27.2MHz；沉積速率10--102nm/KW·min，材料Al2O3；涂層厚度5-10μm。用離子束技術(shù)處理陶瓷過渡層[D]離子束采用Y+；離子束劑量5×1015--5×1016ions/cm2離子束能量10-200KeV。電子束或激光束處理陶瓷過渡層[D]，形成所需的金相結(jié)構(gòu)功率密度5×105--5×106W/cm2圖4表示了本發(fā)明方法制備的涂層的顯微結(jié)構(gòu)剖面，可以清楚的看出涂層的層次結(jié)構(gòu)。
采用了本發(fā)明方法制備的熱加工工具如無縫鋼管生產(chǎn)用頂頭、軋輥等的涂層，在1200℃高溫，特別是在冷熱交替情況下使用，可提高工件使用壽命1-2倍。
權(quán)利要求
1.一種制備耐高溫磨損涂層的方法，其特征是用原子束沉積技術(shù)制備涂層，用離子束技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化涂層之間的結(jié)合形成過渡層的處理，用電子束或激光束技術(shù)進(jìn)行涂層顯微結(jié)構(gòu)的控制處理相結(jié)合。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征是用所說的原子束沉積技術(shù)為物理氣相沉積技術(shù)；離子束技術(shù)為離子束混合技術(shù)。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征是在基材上制備耐高溫的合金層；在其上制備陶瓷層；制作處理兩層之間的過渡層；進(jìn)行強(qiáng)化涂層結(jié)合處理和(或)涂層結(jié)構(gòu)控制處理。
4.如權(quán)利要求3所述方法，其特征是用電子束或激光束技術(shù)對(duì)同質(zhì)材料的過渡層進(jìn)行強(qiáng)化涂層界面結(jié)合的處理。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述方法，其特征是制備過程在真空室中連續(xù)進(jìn)行并一次性完成。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述方法，其特征是制備涂層的過程可以依次進(jìn)行或者交叉選擇進(jìn)行。
7.如權(quán)利要求1或2或3所述方法，其特征是所述的用離子束技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化涂層之間的結(jié)合形成過渡層的處理時(shí)摻雜Y或Yb離子。
8.如權(quán)利要求1或2或3所述方法，其特征是制作的過渡層是成梯度變化的。
9.如權(quán)利要求3所述方法，其特征是所說的合金層材料為MCrAlR，陶瓷層材料為A12O3。
全文摘要
制備耐高溫磨損涂層的方法，屬于一種改善金屬材料表面耐高溫磨損性能的方法。本方法通過原子束沉積進(jìn)行涂層的制備；通過電子束或激光束處理控制涂層體部份的微觀結(jié)構(gòu)；通過離子束等技術(shù)強(qiáng)化涂層與基體之間，不同涂層之間的結(jié)合。采用荷能束技術(shù)進(jìn)行耐高溫磨損涂層制備可以在真空工作室內(nèi)連續(xù)進(jìn)行并一次完成，耐高溫磨損涂層中各層的厚度也可通過三束技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。該工藝可充分有效發(fā)揮耐高溫磨損材料的高溫抗磨損性能。采用本工藝可在熱加工工具如無縫鋼管生產(chǎn)用頂頭、軋輥等表面涂覆耐高溫磨損涂層。
文檔編號(hào)C23C14/06GK1459514SQ0211376
公開日2003年12月3日 申請(qǐng)日期2002年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月21日
發(fā)明者黃寧康, 汪德志, 程劍瑄 申請(qǐng)人:四川大學(xué)