專(zhuān)利名稱：仿生硅化鉬梯度疊層復(fù)合納米涂層制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種制備仿生此5313/^0312梯度疊層復(fù)合納米涂層方法。適用于在鈦合金表面制備先進(jìn)的高韌性、耐磨蝕復(fù)合梯度涂層的制備領(lǐng)域，涉及到利用表面改性手段制備先進(jìn)納米梯度復(fù)合涂層的制備。
背景技術(shù)：
金屬硅化物MoSiJt為難熔金屬硅化物最典型的代表，兼具金屬與陶瓷雙重特性，既有金屬般的導(dǎo)電性和高溫塑性，又有陶瓷般的高熔點(diǎn)、高耐蝕和抗氧化性，是一種極具潛力的高溫耐磨、耐蝕涂層候選材料。目前，阻礙其實(shí)用化進(jìn)程、亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題是①低溫脆性。MoSi2的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性低，共價(jià)鍵具有強(qiáng)烈的方向性，晶體中強(qiáng)弱鍵交錯(cuò)，在應(yīng)力作用下，容易因弱鍵斷開(kāi)而產(chǎn)生微裂紋。②低溫區(qū)氧化粉化瘟疫現(xiàn)象。在較低溫度下MoSi2表現(xiàn)出加速氧化的趨勢(shì)，尤其在500°C左右MoSi2材料常常因劇烈氧化而成粉末狀。已有大量的研究工作表明，通過(guò)添加陶瓷(如SiC、Si3N4、和ZrO2)或金屬硅化物(如Mo5Si3)形成MoSi2基復(fù)合材料或通過(guò)添加合金元素(如Mg、V、Nb、和Al)進(jìn)行合金化均可改善其低溫脆性或低溫抗氧化性能。近年來(lái)，已有文獻(xiàn)報(bào)道了納米MoSi2基復(fù)合材料能明顯提高該材料的韌性。但同時(shí)采用合金化和復(fù)合化兩種方法，提高M(jìn)oSi2基納米復(fù)合材料的韌性、耐磨、耐蝕以及抗氧化性能尚未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的在于通過(guò)雙陰極等離子濺射沉積技術(shù)為手段，利用Mo與Ti之間負(fù)的化學(xué)作用，通過(guò)調(diào)整靶材中Mo、Si、Al元素的含量，使得在Ti基體上沉積過(guò)程中Mo元素發(fā)生明顯的上坡擴(kuò)散，Mo元素從表到里梯度分布，導(dǎo)致Mo5Si3含量由表及里梯度增加，最終在Ti基體表面形成不同Al含量的仿生Mo5Si3/MoSi2梯度疊層復(fù)合納米 涂層。該梯度復(fù)合納米晶硅化物涂層具有高韌性、高硬度以及優(yōu)異的耐腐蝕性，能明顯提高鈦合金的耐磨性、耐腐蝕性能和抗氧化性能。技術(shù)方案仿生硅化鑰梯度疊層復(fù)合納米涂層制備工藝，利用雙陰極等離子濺射沉積法，在鈦合金工件表面形成致密的納米晶硅化物層，其中
a.雙陰極等離子濺射工藝參數(shù)靶材電壓800 1000V，工件電壓300 450 V，靶材與工件間距10 30 mm, Ar氣壓30 45Pa，沉積溫度600-800°C
b.濺射的靶材種類(lèi)成分配比為1 0(|.35_55(51(|.95，41(|.(15)(|.65_45粉末冶金燒結(jié)板為靶材；
c.工件材料的種類(lèi)鈦合金。優(yōu)選條件為靶材電壓900 V，工件電壓350 V，靶材與工件間距15 mm，Ar氣壓35Pa，沉積溫度700°C。有益效果
I.仿生度疊層復(fù)合納米涂層具有高韌性。本發(fā)明利用雙陰極等離子濺射得到的梯度疊層復(fù)合納米晶硅化物涂層是由平均晶粒尺寸約為5nm的MoSi2和平均晶粒尺寸約為50nm的Mo5Si3雙相組成。其中MoSi2晶粒尺寸小于目前文獻(xiàn)所報(bào)道的關(guān)于反Hall-Petch關(guān)系的臨界尺寸，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)貧乏，晶界滑動(dòng)和擴(kuò)散蠕變成為納米晶材料的主要變形機(jī)制。晶界滑移能夠有效的釋放裂紋尖端應(yīng)力集中，鈍化裂紋，使裂紋擴(kuò)展困難，從而增加納米晶MoSi2的韌性。而在相對(duì)“粗”晶粒的納米晶Mo5Si3中發(fā)生以位錯(cuò)的生成與運(yùn)動(dòng)為主導(dǎo)的傳統(tǒng)塑性變形。且團(tuán)聚的納米晶MoSi2被相對(duì)“粗”晶粒的納米晶Mo5Si3包圍，能夠有效的抑制納米晶MoSi2中剪切帶的失穩(wěn)擴(kuò)展，進(jìn)一步增加梯度復(fù)合涂層韌性。利用壓痕法評(píng)價(jià)了該涂層的斷裂韌性，結(jié)果表明仿生度疊層復(fù)合納米涂層的斷裂韌性為28MPa m1/2，與粗晶MoSi2相比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。2.梯度復(fù)合納米晶硅化物涂層的高耐磨、耐蝕和抗氧化性能。晶粒的細(xì)化導(dǎo)致梯度復(fù)合納米晶硅化物涂層高的硬度(約為25GPa)。通常，材料的硬度是衡量材料耐磨性能的一個(gè)重要參數(shù)，然而對(duì)于脆性材料，磨損率通常正比于H1/2Krc3/4，表明提高材料的韌性 和硬度有助于降低磨損率。本專(zhuān)利制得的Mo5Si3/MoSi2梯度疊層復(fù)合納米涂層的硬度是粗晶MoSi2的3倍，而斷裂韌性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。在室溫和600°C (對(duì)磨材料為Si3N4、Zr02、GCrl5)干摩擦條件下，Mo5Si3/MoSi2梯度疊層復(fù)合納米涂層比磨損率較粗晶MoSi2降低3個(gè)數(shù)量級(jí)。在3. 5wt.%NaCl溶液中的腐蝕性能測(cè)試結(jié)果表明，Mo5Si3/MoSi2梯度疊層復(fù)合納米涂層比粗晶MoSi2的維鈍電流下降2個(gè)數(shù)量級(jí)。粗晶MoSi2在500°C氧化循環(huán)20 30小時(shí)，即出現(xiàn)輕微的氧化剝落，氧化大約40 50小時(shí)，出現(xiàn)氧化皮大塊脫落與開(kāi)裂。而對(duì)于Mo5Si3/MoSi2梯度疊層復(fù)合納米涂層，隨著Al含量的增加，涂層抗氧化性能明顯提高，所有涂層在800°C循環(huán)氧化240小時(shí)后，表面生成的氧化膜致密且與涂層結(jié)合緊密，氧化增重量較粗晶MoSi2降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。


圖I為以熱等靜壓工藝制備的成分配比為Moa35(Si。.95，Alatl5)。.65粉末冶金燒結(jié)板為靶材，在純Ti表面所形成梯度復(fù)合納米晶硅化物涂層的SEM照片；圖中a、P分別為密排六方結(jié)構(gòu)的a -Ti和體心立方結(jié)構(gòu)的P -Ti ；
圖2為圖I梯度復(fù)合納米晶硅化物涂層的透射電鏡照片。通過(guò)透射電鏡觀察可以證明梯度復(fù)合納米晶涂層具有典型的雙峰粒度微觀結(jié)構(gòu)，C40-MoSi2呈團(tuán)聚狀，平均晶粒尺寸約為5nm，Mo5Si3平均晶粒尺寸約為50nm ；
圖3為圖I梯度復(fù)合納米晶硅化物涂層的橫截面透射電鏡照片，可以看出梯度復(fù)合納米晶涂層在平行與基體方向呈層片狀。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例I :
仿生硅化鑰梯度疊層復(fù)合納米涂層制備工藝，利用雙陰極等離子濺射沉積法，在純鈦
工件表面形成致密的納米晶硅化物層，其中
a.雙陰極等離子濺射工藝參數(shù)
靶材電壓|900V
工件電壓
革巴材與工件間距 15mm
權(quán)利要求
1.仿生硅化鑰梯度疊層復(fù)合納米涂層制備工藝，其特征在于利用雙陰極等離子濺射沉積法，在鈦合金工件表面形成致密的納米晶硅化物層，其中 a.雙陰極等離子濺射工藝參數(shù)靶材電壓80(Tl000V，工件電壓300 450 V，靶材與工件間距10 30 mm, Ar氣壓30 45Pa，沉積溫度600_800°C ； b.濺射的靶材種類(lèi)成分配比為1 0(|.35_55(51(|.95，41(|.(15)(|.65_45粉末冶金燒結(jié)板為靶材； c.工件材料的種類(lèi)鈦合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿生硅化鑰梯度疊層復(fù)合納米涂層制備工藝，其特征在于所述靶材電壓900 V。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿生硅化鑰梯度疊層復(fù)合納米涂層制備工藝，其特征在于所述工件電壓350 V。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿生硅化鑰梯度疊層復(fù)合納米涂層制備工藝，其特征在于所述靶材與工件間距15 mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿生硅化鑰梯度疊層復(fù)合納米涂層制備工藝，其特征在于所述Ar氣壓35Pa。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿生硅化鑰梯度疊層復(fù)合納米涂層制備工藝，其特征在于所述沉積溫度700°C。
全文摘要
仿生硅化鉬梯度疊層復(fù)合納米涂層制備工藝，利用雙陰極等離子濺射沉積法，在鈦合金工件表面形成致密的納米晶硅化物層，其中對(duì)雙陰極等離子濺射工藝參數(shù)進(jìn)行了選擇，濺射的靶材種類(lèi)成分配比為Mo0.35-55(Si0.95,Al0.05)0.65-45粉末冶金燒結(jié)板為靶材；工件材料的種類(lèi)鈦合金。該梯度復(fù)合納米晶硅化物涂層具有高韌性、高硬度以及優(yōu)異的耐腐蝕性，能明顯提高鈦合金的耐磨性、耐腐蝕性能和抗氧化性能。
文檔編號(hào)C23C14/06GK102644048SQ20121013292
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者徐江, 李正陽(yáng), 毛相震 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)