本發(fā)明屬于表面工程，具體涉及一種納米晶強化的耐高溫磨損氮化物涂層及其制備方法。

背景技術：

1、軸承是水電機組的關鍵部件，根據(jù)承載類型不同，水電機組的軸承可分為導軸承和推力軸承兩類。導軸承主要用于承受機組轉動部分的徑向機械不平衡力、發(fā)電機電磁不平衡力和水力不平衡力，保證機組軸線的擺度在規(guī)定的范圍內，防止機組徑向振動過大；推力軸承用于承受整個水輪發(fā)電機組轉動部分的重量以及水輪機的軸向水推力?；瑒虞S承內部的軸瓦表面與機組轉動部件直接接觸，承擔很大的正壓力且相對運動速度很高。軸瓦表面長期在高載荷、強磨蝕、大應力、低頻振動、高溫的耦合環(huán)境中服役，很容易出現(xiàn)磨損、劃痕以及表面脫落等問題。在軸瓦和其摩擦副表面制備耐高溫磨蝕涂層能有效的防護部件表面、避免出現(xiàn)嚴重的磨損，從而延長部件使用壽命。

2、氮化物涂層是一種具備高硬度、高強度和膜基結合力的陶瓷涂層，通常使用物理氣相沉積技術進行制備。氮化物涂層具有制備工藝簡單、性能優(yōu)異、成本低廉等優(yōu)點，能在不更換工件基底材料的前提下大幅度提升工件的表面性能，使其獲得耐磨、耐高溫、耐氧化等多種特性，因此在航空航天、汽車工業(yè)、軍事裝備等眾多領域獲得了廣泛的使用。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決大型水輪發(fā)電機組的滑動軸承部件表面磨損問題、解決大型水輪發(fā)電機組的滑動軸承部件表面高溫耐受性低的問題、解決大型水輪發(fā)電機組的滑動軸承部件表面容易氧化導致?lián)p壞的問題。

2、為了解決上述問題，本技術是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

3、一種納米晶強化的耐高溫磨損氮化物涂層的制備方法，包括以下步驟：

4、s1、將工件超聲下用清洗劑清洗、壓縮氣吹干得到待鍍膜工件；

5、s2、將腔體內的基體固定臺安裝步驟s1中的待鍍膜工件，設置基體固定臺轉速；

6、s3、將腔體內的靶槍上安裝靶材，調整步驟s2中基體固定臺與靶槍的距離；第一真空度下以一定升溫速率升至一定溫度后保溫一定時間，抽至第二真空度；

7、s4、在步驟s3中的第二真空度下，設置腔體氬氣流速、氮氣流速與出氣閥的流量，控制腔體在第三真空度；

8、s5、在步驟s4中的第三真空度下，將基體加載直流偏壓，將合金靶材的靶槍上加載直流電壓，設置功率密度和磁控濺射沉積時間，得到鍍有耐高溫磨損氮化物涂層的鍍膜工件。

9、所述步驟s2中轉速為10~15?rpm。

10、所述步驟s3中靶材為等摩爾比的tinbw合金，tinbw合金純度為99.5%以上。

11、所述步驟s3中基體固定臺與靶槍的距離為10~15cm。

12、所述步驟s3中一定升溫速率為5?℃/min~?15℃/min，一定溫度為750?℃~?1000℃。

13、所述步驟s4中氬氣流速為10~15?sccm；氮氣流速：氬氣流速=1:5~1:4。

14、所述步驟s5中直流偏壓為85~120v，直流電壓的功率為109~127w，加載功率密度為0.6~0.7w/cm2。

15、優(yōu)選的，步驟s1中清洗劑為丙酮和酒精，壓縮氣為氮氣或氬氣中的一種。

16、優(yōu)選的，步驟s1中超聲的清洗時間為10~15min。

17、優(yōu)選的，步驟s3中第一真空度為0.5×10-3torr~5?×10-3torr。

18、優(yōu)選的，步驟s3中保溫一定時間為1~3?h。

19、優(yōu)選的，步驟s3中第二真空度為0.5×10-6torr~?5×10-6torr。

20、優(yōu)選的，步驟s4中第三真空度為0.5×10-2torr~5×10-2torr。

21、優(yōu)選的，步驟s5中磁控濺射的靶材靶面的工作磁場強度為0.02~0.07t。

22、優(yōu)選的，步驟s5中磁控濺射的沉積時間為120~300?min。

23、最優(yōu)選的，步驟s5中耐高溫磨損氮化物涂層中成分的質量分數(shù)為ti0.14nb0.23w0.56n0.07。

24、所述步驟s5中磁控濺射的沉積速率為5~25?nm/min。

25、所述的方法制備得到的納米晶強化的耐高溫磨損氮化物涂層，其特征在于，涂層為單層，涂層包括ti、nb、w、n元素，涂層中包含fcc類tin結構立方納米晶顆粒。

26、所述耐高溫磨損氮化物涂層中ti的質量分數(shù)為0.09~0.15、nb的質量分數(shù)為0.16~0.25、w的質量分數(shù)為0.44~0.56，其余為n元素。

27、優(yōu)選的，涂層厚度為1.5~3.0μm。

28、優(yōu)選的，涂層中fcc類tin結構立方納米晶顆粒邊長為15~65?nm。

29、本發(fā)明提供一種納米晶強化的耐高溫磨損氮化物涂層及其制備方法。該涂層為單層涂層，涂層中包含三種金屬元素，ti的質量分數(shù)為0.09~0.14、nb的質量分數(shù)為0.16~0.25、w的質量分數(shù)為0.44~0.56、其余為n元素。氮化物涂層內部包含邊長為15~35?nm的立方納米晶顆粒，納米晶顆粒外圍由非晶包裹，該結構能顯著提升其力學性能。涂層的整體厚度為1.5~3.0?μm，硬度可達13.4~23.3?gpa。涂層與不銹鋼有良好的膜基結合強度，使用劃痕儀測得其膜基結合強度為13.5~24.2?n。涂層在25?℃和800?℃的摩擦測試中均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，25?℃時其磨損率為3.5~4.0×10-6mm3/m?n，在800?℃時其磨損率為1.2~3.8×10-4mm3/m?n。

30、涂層使用反應磁控濺射方法進行制備，在腔體中通入氮氣和氬氣的混合氣體，所使用的磁控濺射鍍膜儀為包含3個陽極靶頭，可使用偏壓電源進行輔助涂層沉積，每個靶頭上包含一個直流電源對金屬靶材進行加載。制備過程使用tinbw合金靶材，靶材中每種合金的摩爾成分相同。涂層制備包含以下步驟：

31、1、使用丙酮和酒精對待鍍膜的工件表面進行清洗，清洗后使用壓縮空氣將部件表面充分吹干；

32、2、將待鍍膜的工件安裝到磁控濺射鍍膜儀的基體固定臺上，基體固定臺為可旋轉式，控制其轉速為10~15?rpm；

33、3、在設備靶槍上安裝上tinbw合金靶材，靶材的合金純度為99.9?%，調整靶槍與基體的距離為10~15?cm，關閉腔體門，使用組合真空泵將腔體中的真空度抽至1*10-3torr，將基體固定臺的溫度以10?℃/min的速率升高到800?℃，并保溫1~3?h，隨后繼續(xù)將真空抽至2*10-6torr；

34、4、在腔體中通入氬氣，流速保持在10~15?sccm之間，同時通入氮氣，使得氮氣的流速和氬氣的流速之比在1:5~1:4之間，通過控制腔體出氣閥的流量，控制腔體的真空度為1*10-2torr；

35、5、在基體上加載直流偏壓85~120?v，在安裝了合金靶材的靶槍上加載直流電壓，加載功率密度為0.6~0.7?w/cm2，在工件的表面沉積涂層，沉積時間控制為180~320?min。

36、采用x射線衍射儀（bruker,?d8?advance?davinci）進行晶體結構測試；采用配有能譜儀的掃描電子顯微鏡（fei,?quanta?250?feg）進行形貌和成分測試；采用納米壓痕儀（mts,?nano?g200）進行涂層的硬度測試；采用透射電子顯微鏡（talos?f200）對涂層內部的納米晶進行形貌測試；采用涂層附著力自動劃痕儀（中科凱華，ws-2005）進行結合力測試，具體為在涂層表面劃痕，直到劃痕邊緣出現(xiàn)細小裂紋同時產生明顯的聲發(fā)射信號時（參考行業(yè)標準jb/t?8554-1997?《氣相沉積薄膜與基體附著力的劃痕試驗法》）的正壓力即為涂層與膜基的結合力；采用摩擦磨損試驗機（anton?paar，tht）進行涂層高溫耐磨性能測試，測試溫度為800?℃、氣氛為空氣，使用6?mm直徑的不銹鋼球作為對磨副，正壓力設置為10n，摩擦往復長度為5?mm，頻率為2?hz，測試時間為60?min；

37、相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的有益效果：

38、1、本發(fā)明提供一種納米晶強化的耐高溫磨損氮化物涂層及其制備方法，該涂層內部包含尺寸在數(shù)十納米級別的納米晶顆粒，能顯著提升其力學性能，涂層在25?℃和800?℃的摩擦測試中均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，涂層與不銹鋼基體的結合力優(yōu)異。將涂層制備在大型水輪發(fā)電機組的滑動軸承部件表面，可大幅度提高軸承軸瓦等部件的耐高溫磨損能力。

39、2、本發(fā)明提供一種納米晶強化的耐高溫磨損氮化物涂層及其制備方法，該涂層可制備在大型水輪發(fā)電機組的滑動軸承部件表面以提高軸承部件的耐高溫磨損能力。本發(fā)明提供的涂層包含ti、nb、w三種金屬元素，ti的質量分數(shù)為0.09~0.15、nb的質量分數(shù)為0.16~0.25、w的質量分數(shù)為0.44~0.56、其余為n元素。涂層為單層，總厚度為1.5~3.0?μm。涂層使用反應磁控濺射技術進行制備，在腔體中通入氮氣和氬氣的混合氣體作為反應氣體，使用tinbw合金靶材進行濺射。本發(fā)明所提供的氮化物涂層內部包含尺寸在數(shù)十納米級別的納米晶顆粒，能顯著提升其力學性能，涂層在25?℃和800?℃的摩擦測試中均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，涂層與不銹鋼基體的結合力優(yōu)異。將本發(fā)明的氮化物涂層制備在水輪機軸承的軸瓦表面可大幅提升軸瓦的耐高溫磨損性能，從而提高水輪機軸承的使用壽命。