專利名稱：被覆件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種被覆件及其制備方法。
背景技術(shù)：
碳纖維由于其具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、低熱膨脹系數(shù)、耐腐蝕、易編織加工以及較好的熱、電性能等優(yōu)良特性被廣泛用于航天航空、建筑及電子元器件制造等領(lǐng)域。但碳纖維的抗氧化性能較差，且與金屬、聚合物復(fù)合材料的潤(rùn)濕性不佳，大大限制了碳纖維材料在上述領(lǐng)域的應(yīng)用。現(xiàn)有技術(shù)利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)將碳纖維(Cf)與硼化鋯(ZrB2)相結(jié)合形成復(fù)合材料，該種復(fù)合材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能及韌性，但其高溫抗氧化
性較差。貴金屬銥(Ir)熔點(diǎn)M43°C，因飽和蒸氣壓低、氧滲透率低而具有優(yōu)良的高溫抗氧化性能，是唯一在1600°C以上的空氣中仍具有很好機(jī)械性能的金屬。但是由于碳纖維與銥涂層之間潤(rùn)濕性較差，沉積于碳纖維材料上的銥涂層經(jīng)高溫處理后會(huì)產(chǎn)生大量裂紋，因此所述銥涂層的高溫抗氧化性及抗熱震性能較差。研究發(fā)現(xiàn)，采用真空鍍膜技術(shù)，于Cf/Zi^2復(fù)合基體上依次形成鉻涂層及銥涂層， 可提高CfAi^2復(fù)合基體及銥涂層的高溫抗氧化性及抗熱震性能。然而，在高溫氧化性條件下，當(dāng)銥涂層意外失效時(shí)，鉻涂層與氧氣反應(yīng)形成的Cr2O3層較為疏松無法阻止氧氣向膜層內(nèi)部擴(kuò)散，如此使CfAi^2復(fù)合基體的高溫抗氧化性急劇下降。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于此，提供一種有效解決上述問題的被覆件。另外，還提供一種上述被覆件的制備方法。一種被覆件，其包括基體、依次形成于該基體上的鉻滲入層、鉻層、氮化鉻梯度膜層及銥層；該基體的材質(zhì)為碳纖維/硼化鋯復(fù)合材料，該氮化鉻梯度膜層包括依次形成于鉻層上的第一梯度氮化鉻膜層及第二梯度氮化鉻膜層，所述第一梯度氮化鉻膜層中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化鉻膜層中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度減少。一種被覆件的制備方法，包括以下步驟提供基體，該基體的材質(zhì)為碳纖維/硼化鋯復(fù)合材料；以鉻靶為靶材，于所述基體表面磁控濺射鉻層，濺射溫度為100 200°C，濺射時(shí)間為150 250min ；在磁控濺射該鉻層的過程中，該鉻層與基體界面處的金屬鉻向基體擴(kuò)散，于基體與鉻層之間形成鉻滲入層；以鉻靶為靶材，以氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體，于鉻層上形成氮化鉻梯度膜層，氮化鉻梯度膜層包括依次形成于鉻層上的第一梯度氮化鉻膜層及第二梯度氮化鉻膜層，所述第一梯度氮化鉻膜層中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化鉻膜層中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度減少；以銥靶為靶材，于所述氮化鉻梯度膜層上磁控濺射形成銥層。所述鉻層的形成可提高所述氮化鉻梯度膜層、銥層與基體之間的結(jié)合力，使被覆件經(jīng)高溫處理后銥層不易剝落或裂紋，如此可提高所述被覆件的高溫抗氧化性能。由于通過上述制備方法形成的銥層幾乎無針孔、具有良好的致密性，如此可進(jìn)一步提高所述被覆件的抗氧化性。更重要的是，在高溫氧化條件下，所述氮化鉻梯度膜層可與進(jìn)入膜層的氧氣反應(yīng)生成致密的氮氧化鉻薄膜，如此可阻擋氧氣向膜層內(nèi)部擴(kuò)散，避免當(dāng)銥涂層意外失效時(shí)所述被覆件的高溫抗氧化性能的急劇下降。由于所述膜層之間的過渡良好，使膜層之間沒有成分和力學(xué)性能的突變，如此使所述被覆件具有良好的抗熱震性能。


圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例的被覆件的剖視圖；圖2制備為制備圖1中鍍膜件所用真空鍍膜機(jī)的示意圖。主要元件符號(hào)說明被覆件10基體11鉻滲入層13鉻層15氮化鉻梯度層17第一梯度氮化鉻膜層171第二梯度氮化鉻膜層173銥層19鍍膜機(jī)100鍍膜室20真空泵30軌跡21第一靶材22第二靶材23氣源通道2具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明一較佳實(shí)施例的被覆件10包括基體11、依次形成于該基體11 上的鉻滲入層13、鉻層15、氮化鉻梯度膜層17及銥層19。該被覆件10可以為渦輪葉片、噴嘴等航天航空機(jī)械零部件，也可為建筑、電子及汽車等交通工具的零部件。該基體11的材質(zhì)為碳纖維(Cf)/硼化鋯(Zi^2)復(fù)合材料。所述鉻層15、氮化鉻梯度膜層17及銥層19均可通過磁控濺射鍍膜法形成。所述鉻層15的厚度為0. 2 0. 3 μ m。所述氮化鉻梯度膜層17包括依次形成于該鉻層15上的第一梯度氮化鉻膜層171和第二梯度氮化鉻膜層173。所述第一梯度氮化鉻膜層171中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體11至遠(yuǎn)離基體11的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化鉻膜層173中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體11至遠(yuǎn)離基體11的方向呈梯度減少。所述氮化鉻梯度膜層17總的厚度為0. 8 1. 2 μ m。所述第一梯度氮化鉻膜層171的厚度為0. 4 0. 6 μ m。所述第二梯度氮化鉻膜層173的厚度為0. 4 0. 6 μ m。所述銥層19的厚度為0. 8 1 μ m。所述鉻滲入層13是在所述鉻層15的形成過程中，鉻層15與基體11界面處的金屬鉻向基體11內(nèi)擴(kuò)散而形成。所述鉻滲入層13包括碳纖維(Cf)、&4陶瓷相、Cr金屬相及Cr-C相。本發(fā)明一較佳實(shí)施例的制備所述被覆件10的方法主要包括如下步驟提供基體11，該基體11的材質(zhì)為碳纖維/硼化鋯復(fù)合材料。請(qǐng)參閱圖2，提供一真空鍍膜機(jī)100，將所述基體11置于該真空鍍膜機(jī)100內(nèi)進(jìn)行氬氣等離子體清洗，以進(jìn)一步去除基體11表面的油污，以及改善基體11表面與后續(xù)涂層的結(jié)合力。該鍍膜機(jī)100包括一鍍膜室20及與鍍膜室20相連接的一真空泵30，真空泵30用以對(duì)鍍膜室20抽真空。該鍍膜室20內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)架(未圖示)、二第一靶材22及二第二靶材 23。轉(zhuǎn)架帶動(dòng)基體11沿圓形軌跡21公轉(zhuǎn)，且基體11在沿軌跡21公轉(zhuǎn)時(shí)亦自轉(zhuǎn)。二第一靶材22與二第二靶材23關(guān)于軌跡21的中心對(duì)稱設(shè)置，且二第一靶材22相對(duì)地設(shè)置在軌跡21的內(nèi)外側(cè)，二第二靶材23相對(duì)地設(shè)置在軌跡21的內(nèi)外側(cè)。每一第一靶材22及每一第二靶材23的兩端均設(shè)有氣源通道對(duì)，氣體經(jīng)該氣源通道M進(jìn)入所述鍍膜室20中。當(dāng)基體11穿過二第一靶材22之間時(shí)，將鍍上第一靶材22表面濺射出的粒子，當(dāng)基體11穿過二第二靶材23之間時(shí)，將鍍上第二靶材23表面濺射出的粒子。本實(shí)例中，所述第一靶材22 為鉻靶，所述第二靶材23為銥靶。該等離子體清洗的具體操作及工藝參數(shù)為如圖2所示，基體11安裝于鍍膜室 20內(nèi)，真空泵30對(duì)所述鍍膜室20進(jìn)行抽真空處理至真空度為8. 0 X 10-3pa,然后以300 500s ccm(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)毫升/分鐘)的流量向鍍膜室20內(nèi)通入純度為99. 999%的氬氣，并施加-500 -800V的偏壓于基體11，對(duì)基體11表面進(jìn)行等離子體清洗，清洗時(shí)間為5 15min。在對(duì)基體11進(jìn)行等離子清洗后，于該基體11上形成鉻層15。形成該鉻層15的具體操作及工藝參數(shù)如下以氬氣為工作氣體，調(diào)節(jié)氬氣流量為20 150sCCm，于基體11上施加-100 -300V的偏壓，并加熱鍍膜室20至100 200 (即鍍膜溫度為100 200)；開啟已安裝于該鍍膜機(jī)內(nèi)的第一靶材22的電源，設(shè)置其功率為2 5kw，沉積鉻層15。沉積該鉻層15的時(shí)間為5 lOmin。在形成所述鉻層15的過程中，由于鉻金屬與碳纖維/硼化鋯復(fù)合材料之間具有良好的潤(rùn)濕性，所述鉻層15與基體11界面處的金屬鉻向基體11內(nèi)擴(kuò)散，形成包括碳纖維 (Cf)、ZrB2陶瓷相、Cr金屬相及Cr-C相的鉻滲入層13。該鉻滲入層13提高了鉻層15與基體11之間的結(jié)合力。于該鉻層15上形成氮化鉻梯度膜層17，所述氮化鉻梯度膜層17包括依次形成于該鉻層15上的第一梯度氮化鉻膜層171和第二梯度氮化鉻膜層173。形成所述第一梯度氮化鉻膜層171的具體操作及工藝參數(shù)如下保持所述氬氣的流量、施加于基體11的偏壓、鉻靶電源功率及鍍膜溫度不變，以氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體，向鍍膜室內(nèi)通入初始流量為10 lOOsccm的氮?dú)?，于所述鉻層15上沉積第一梯度氮化鉻膜層171。 在沉積梯度膜層11的過程中，每沉積5min將氮?dú)獾牧髁吭龃?5 20sCCm，沉積該第一梯度氮化鉻膜層171的時(shí)間為15 35min。形成所述第二梯度氮化鉻膜層173的具體操作及工藝參數(shù)如下保持所述氬氣的流量、施加于基體11的偏壓、鉻靶電源功率及鍍膜溫度不變，以氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體，向鍍膜室內(nèi)通入初始流量為130 50SCCm的氮?dú)?，于所述第一梯度氮化鉻膜層171上沉積第二梯度氮化鉻膜層173。在沉積第二梯度氮化鉻膜層173的過程中，每沉積5min將氮?dú)獾牧髁繙p小10 20SCCm，沉積該第二梯度氮化鉻膜層173的時(shí)間為15 25min。所述氮化鉻梯度膜層17與鉻層15、后續(xù)鍍覆的銥層19之間過渡較好，膜層之間沒有成分和力學(xué)性能的突變。于該氮化鉻梯度膜層17上形成銥層19，形成所述銥層19的具體操作及工藝參數(shù)如下關(guān)閉所述第一靶材22的電源，保持所述氬氣的流量、施加于基體11的偏壓及鍍膜溫度不變，開啟已安裝于所述鍍膜室20內(nèi)第二靶材23的電源，設(shè)置其功率為2 5kw，于所述鉻層15上沉積銥層19。沉積該銥層19的時(shí)間為60 85min。在磁控濺射形成銥層19的過程中，銥金屬將擴(kuò)散至所述第二梯度氮化鉻膜層173 的表層內(nèi)，如此使銥層19與第二梯度氮化鉻膜層173之間過渡較好，沒有成分和力學(xué)性能的突變。本發(fā)明較佳實(shí)施例被覆件10的制備方法，先于基體11上磁控濺射形成鉻層15， 再于所述鉻層15上依次形成第一梯度氮化鉻膜層171和第二梯度氮化鉻膜層173，再于該第二梯度氮化鉻膜層173上形成銥層19，膜系逐層過渡較好，膜層之間的結(jié)合力較好且膜層內(nèi)部沒有明顯的應(yīng)力產(chǎn)生，如此可提高膜層之間的結(jié)合力，使被覆件10經(jīng)高溫處理后銥層19不易發(fā)生剝落或裂紋，如此可提高所述被覆件10的高溫抗氧化性能。由于通過上述制備方法形成的銥層19幾乎無針孔、具有良好的致密性，如此可進(jìn)一步提高所述被覆件10 的抗氧化性。更重要的是，在高溫氧化條件下，所述氮化鉻梯度膜層17可與進(jìn)入膜層的氧氣反應(yīng)生成致密的氮氧化鉻薄膜，如此可阻擋氧氣向膜層內(nèi)擴(kuò)散，避免當(dāng)銥涂層意外失效時(shí)所述被覆件10的高溫抗氧化性能的急劇下降。由于被覆件10膜層之間的良好過渡，使膜層之間沒有成分和力學(xué)性能的突變，如此使所述被覆件10具有良好的抗熱震性能。
權(quán)利要求
1.一種被覆件，包括基體及銥層，該基體的材質(zhì)為碳纖維/硼化鋯復(fù)合材料，其特征在于所述被覆件還包括依次形成于該基體上的鉻滲入層、鉻層、氮化鉻梯度膜層，該銥層形成于該氮化鉻梯度膜層上，該氮化鉻梯度膜層包括依次形成于鉻層上的第一梯度氮化鉻膜層及第二梯度氮化鉻膜層，所述第一梯度氮化鉻膜層中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化鉻膜層中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度減少。
2.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于所述鉻層、氮化鉻梯度膜層及銥層均通過磁控濺射鍍膜法形成。
3.如權(quán)利要求2所述的被覆件，其特征在于所述鉻滲入層是在所述鉻層的形成過程中，鉻層與基體界面處的金屬鉻向基體內(nèi)擴(kuò)散而形成。
4.如權(quán)利要求3所述的被覆件，其特征在于所述鉻滲入層中含有碳纖維、ZrB2陶瓷相、Cr金屬相及Cr-C相。
5.如權(quán)利要求2所述的被覆件，其特征在于所述鉻層的厚度為0.2 0. 3 μ m，所述銥層的厚度為0.8 Ιμπι。
6.如權(quán)利要求2所述的被覆件，其特征在于所述氮化鉻梯度膜層的總厚度為0.8 1. 2 μ m，所述第一梯度氮化鉻膜層的厚度為0. 4 0. 6 μ m，所述第二梯度氮化鉻膜層的厚度為0. 4 0. 6 μ m。
7.一種被覆件的制備方法，包括以下步驟提供基體，該基體的材質(zhì)為碳纖維/硼化鋯復(fù)合材料；以鉻靶為靶材，于所述基體表面磁控濺射鉻層，濺射溫度為100 200°C，濺射時(shí)間為 150 250min ；在磁控濺射該鉻層的過程中，該鉻層與基體界面處的金屬鉻向基體擴(kuò)散，于基體與鉻層之間形成鉻滲入層；以鉻靶為靶材，以氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體，于鉻層上依次形成氮化鉻梯度膜層，氮化鉻梯度膜層包括依次形成于鉻層上的第一梯度氮化鉻膜層及第二梯度氮化鉻膜層，所述第一梯度氮化鉻膜層中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化鉻膜層中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度減少；以銥靶為靶材，于所述氮化鉻梯度膜層上磁控濺射形成銥層。
8.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制備方法，其特征在于磁控濺射形成所述鉻層的工藝參數(shù)為以氬氣為工作氣體，氬氣流量為20 150sCCm，施加于基體上的偏壓為-100 -300V，鉻靶的電源功率為2 5kw，沉積時(shí)間為5 lOmin。
9.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制備方法，其特征在于磁控濺射形成所述氮化鉻梯度膜層包括如下步驟于鉻層上沉積第一梯度氮化鉻膜層以氬氣為工作氣體，氬氣流量為20 150sCCm，施加于基體上的偏壓為-100 -300V，鉻靶的電源功率為2 5kw，向鍍膜室內(nèi)通入初始流量為10 lOOsccm的氮?dú)?，在沉積第一梯度氮化鉻膜層過程中，每沉積5min將氮?dú)獾牧髁吭龃?5 20sccm，沉積時(shí)間為15 !35min ；于第一梯度氮化鉻膜層上沉積第二梯度氮化鉻膜層以氬氣為工作氣體，氬氣流量為 20 150sccm，施加于基體上的偏壓為-100 -300V，鉻靶的電源功率為2 5kw，向鍍膜室內(nèi)通入初始流量為130 50sCCm的氮?dú)猓诔练e第一梯度氮化鉻膜層過程中，每沉積5min將氮?dú)獾牧髁繙p小15 20sccm，沉積時(shí)間為15 25min。
10.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制備方法，其特征在于磁控濺射形成所述銥層的工藝參數(shù)為以氬氣為工作氣體，氬氣流量為20 150sCCm，施加于基體上的偏壓為-100 -300V，銥靶的電源功率為2 5kw，鍍膜溫度為100 200，鍍膜時(shí)間為60 85min。
全文摘要
一種被覆件，其包括基體、依次形成于該基體上的鉻滲入層、鉻層、氮化鉻梯度膜層及銥層；該基體的材質(zhì)為碳纖維/硼化鋯復(fù)合材料，該氮化鉻梯度膜層包括依次形成于鉻層上的第一梯度氮化鉻膜層及第二梯度氮化鉻膜層，所述第一梯度氮化鉻膜層中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化鉻膜層中的氮元素的質(zhì)量百分含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度減少。所述被覆件具有良好的高溫抗氧化性及抗熱震性。本發(fā)明還提供了所述被覆件的制備方法。
文檔編號(hào)C23C14/18GK102534490SQ20101061692
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者張新倍, 李聰, 蔣煥梧, 陳文榮, 陳正士 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司