鈦合金表面耐磨Cr-Si復(fù)合涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鐵合金表面處理領(lǐng)域，特別是一種鐵合金表面耐磨&-Si復(fù)合涂層及 其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵是地殼中儲(chǔ)量較豐富的元素之一，從它的工業(yè)價(jià)值、資源壽命和發(fā)展前景來(lái)看， 是僅次于鐵、侶正在曬起的"第=金屬"。鐵的密度遠(yuǎn)低于鋼鐵材料，并且具有很高的比強(qiáng) 度，同時(shí)具有良好的可塑性。鐵合金因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)，是20世 紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)發(fā)展為主要的飛機(jī)結(jié)構(gòu)金屬，成為制造高 性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤、葉片等重要構(gòu)件的主選材料。世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到 鐵合金材料的重要性，相繼對(duì)其進(jìn)行研究和發(fā)展，并在航天航空、生物工程、機(jī)械工程及運(yùn) 動(dòng)器材等方面得到了廣泛應(yīng)用。 TA15合金為中等強(qiáng)度級(jí)別的近a型鐵合金，既具有良好的熱強(qiáng)性和可焊接性，又具 有（a+P)型鐵合金的工藝塑形，適合于制造各種焊接零部件，目前主要用來(lái)制造50(fCW 下長(zhǎng)時(shí)間工作的結(jié)構(gòu)零件、焊接承力結(jié)構(gòu)件和一些溫度較高、受力較復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)零件， 例如應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的各種葉片、機(jī)厘，飛機(jī)的各種飯金件、梁、接頭、大型壁板、焊接承力框 等，在軍工領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 然而鐵合金由于電子層、晶體結(jié)構(gòu)和熱傳導(dǎo)率的限制，摩擦系數(shù)大，耐磨性能較 差，實(shí)踐中TA15合金的低硬度、低塑性剪切抗力、摩擦系數(shù)大、具有嚴(yán)重的粘著磨損和敏感 的微動(dòng)磨損，嚴(yán)重影響鐵合金結(jié)構(gòu)件的安全性和可靠性，限制了TA15合金工件的進(jìn)一步應(yīng) 用。在TA15合金表面制備一層具有高硬度、耐磨性能的保護(hù)隔離層是解決上述問(wèn)題的有效 方法之一。
[0004]目前表面工程技術(shù)主要為預(yù)氧化處理、離子注入、激光烙覆、PVD等，但均存在一 定的缺陷，如預(yù)氧化處理形成的氧化保護(hù)膜較薄等，且該些技術(shù)離手段在鐵合金表面獲得 的涂（鍛）層在高溫、循環(huán)應(yīng)力的作用下，很容易剝落而失去防護(hù)效果。雙層輝光等離子 冶金技術(shù)，可W在相對(duì)較低溫度下制備與基體合金實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的耐磨、防腐、抗高溫氧化 等功能性涂層，目前已得到廣泛的研究，利用該手段能在純鐵合金表面形成成分和強(qiáng)度都 是在較大范圍內(nèi)可調(diào)的合金元素滲入層，大大增強(qiáng)鐵合金對(duì)合金涂層的結(jié)合能力，增強(qiáng)膜 基結(jié)合強(qiáng)度，有利于提高鐵合金基材的摩擦學(xué)性能。
[0005] 過(guò)渡金屬娃化物巧日化-Si、Ti-Si、Ni-Si等）都具有高烙點(diǎn)，高硬度和優(yōu)良的高 溫力學(xué)性能，可望被開發(fā)成一類新型的高溫結(jié)構(gòu)材料，其與高強(qiáng)度鑲基高溫合金相比具有 更高的高溫強(qiáng)度，優(yōu)異的抗氧化和抗腐蝕能力，較低的密度和高的烙點(diǎn)，可W在更高的溫度 和惡劣環(huán)境中工作，化-Si涂層中富含化、Si元素，Si能引起化由表向里擴(kuò)散，造成滲 層下面Cr原子的富集，高溫下晶界貧銘的矛盾得到了解決，降低了涂層內(nèi)部空洞形成的概 率，使涂層的致密性得W提高。
[0006] 目前文獻(xiàn)中公開的利用雙層輝光等離子技術(shù)制備合金復(fù)合涂層的文獻(xiàn)中，均是將 復(fù)合材料混合形成合金后，再與基底材料共滲，如"雙輝等離子化-Si共滲改善TiAl基合金 耐磨性能的研究"（李亞非等，稀有金屬與硬質(zhì)合金，2011) -文通過(guò)在TiAl基合金表面進(jìn) 行雙輝等離子化-Si共滲，形成=層涂層結(jié)構(gòu)，由外至內(nèi)依次為富化沉積層，化-Si化合物 層和過(guò)渡層，整個(gè)涂層厚度近10ym，硬度為HV。. 11200-1250,滲層與基體之間結(jié)合力達(dá)到 70N，且具有較好的強(qiáng)初性和耐磨性，但是該方法制備&-Si合金祀材工藝復(fù)雜，且Si的瓣 射率小于化，化-Si合金祀材中的Si很難瓣射到TiAl基合金表面，因此所形成的涂層表面 Si含量很少，導(dǎo)致整個(gè)涂層厚度不足；"雙輝等離子滲技術(shù)制備化-Si、化、A^&-Si 氧化物涂層及性能研究"（南京航空航天大學(xué)碩±學(xué)位論文，2011)-文利用雙輝等離子技 術(shù)在31化不誘鋼基體上進(jìn)行銘娃共滲，最終形成的S層涂層結(jié)構(gòu)由外至內(nèi)依次為；&沉積 層，化-Si化合物層和擴(kuò)散層，整個(gè)涂層厚度近5ym，涂層致密，與基體結(jié)合良好，抗氧化 性能良好，但是涂層中Si滲入比較困難，表層Si含量極少，涂層厚度不足；總體而言，利用 雙層輝光技術(shù)進(jìn)行共滲，簡(jiǎn)單快速，一次性在基體表面形成二元合金層，且涂層與基體結(jié)合 良好，然而調(diào)節(jié)Si-化合金中兩種成分的比例，理論上可W調(diào)節(jié)涂層中兩種元素的含量，但 由于Si的瓣射率較低，難W控制Si在合金表面的含量，因此涂層表面硬度也難W控制，所 W可能造成不同成分的祀材制成的涂層表面Si含量都很少，且涂層厚度不足，基體耐磨性 提升有限，此外重新調(diào)節(jié)合金成分意味著重新制祀材，工藝復(fù)雜，成本較高。因此，如何將涂 層材料更好的滲入合金基體，提高合金耐磨性能，一直是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)中存在的鐵合金耐磨性能差的問(wèn)題，本發(fā)明提供了鐵合金表面耐 磨化-Si復(fù)合涂層及其制備方法，提高鐵合金的耐磨性能，本發(fā)明是該樣實(shí)現(xiàn)的： 一種鐵合金表面耐磨化-Si復(fù)合涂層，所述復(fù)合涂層從表層由外至內(nèi)依次為Si沉積 層、化-Si金屬間化合物過(guò)渡層、化沉積層和化擴(kuò)散層。
[0008] 進(jìn)一步，本發(fā)明所述的Si沉積層厚4-10ym，Si含量從復(fù)合涂層表層由外向內(nèi)梯 度下降。
[0009] 進(jìn)一步，本發(fā)明所述的化-Si金屬間化合物過(guò)渡層厚8-15ym，Si含量從化-Si金 屬間化合物過(guò)渡層表層由外向內(nèi)梯度下降，化含量從化-Si金屬間化合物過(guò)渡層表層由外 向內(nèi)梯度上升。
[0010] 進(jìn)一步，本發(fā)明所述的化沉積層厚3-6ym，化含量從化沉積層表層由外向內(nèi)梯 度下降。
[0011] 進(jìn)一步，本發(fā)明所述的&擴(kuò)散層厚度為7-9ym，&含量從&擴(kuò)散層表層由外向 內(nèi)梯度下降。
[0012] 如本發(fā)明所述鐵合金表面耐磨&-Si復(fù)合涂層的制備方法，具體步驟為： (a) 將鐵合金和化祀材裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，W鐵合金為陰極，W化祀 材為源極； (b) 抽真空，送入氣氣，啟動(dòng)輝光，調(diào)試工藝參數(shù)為： 源極電壓；900-1000V; 陰極電壓；350-450V; 氣氣氣壓；30-35Pa; 祀材與工件間距；15-20mm; 保溫時(shí)間；3-3. 5h; (c) 保溫結(jié)束后，降低源極和陰極電壓至OV，斷電，抽真空，裝置冷卻至室溫，完成&擴(kuò) 散層和化沉積層的制備； (d)更換Si祀材為源極，重復(fù)步驟（b)和步驟（C)，完成化-Si金屬間化合物過(guò)渡層和 Si沉積層的制備，即獲得耐磨化-Si復(fù)合涂層。
[0013] 如本發(fā)明所述的鐵合金表面耐磨化-Si復(fù)合涂層的制備方法中，鐵合金為TA15合 金。
[0014] 相對(duì)應(yīng)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于： (1)本發(fā)明的陰極和源極結(jié)構(gòu)采用不誘鋼圓筒洞穴法布置，強(qiáng)化輝光放電，增加合金元 素供給量，W提高表面合金的元素含量。
[0015] (2)采用本發(fā)明制備的化/Si復(fù)合涂層具有優(yōu)良的綜合性能，涂層硬度在HV0. 1 900-1200范圍內(nèi)，厚度在20-40微米范圍內(nèi)可調(diào)。
[0016] (3)采用本發(fā)明制備的化-Si復(fù)合涂層具有Si沉積層、（化Si)金屬間化合物過(guò)渡 層、Cr沉積層W及Cr擴(kuò)散層四層保護(hù)的結(jié)構(gòu)特征，該種特殊的四層復(fù)合結(jié)構(gòu)，可W提高復(fù) 合涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，復(fù)合涂層均勻致密、連續(xù)、沒(méi)有裂紋；成分呈梯度分布的化-Si 復(fù)合涂層，極大提高了鐵合金的耐磨性能。
[0017] (4)本發(fā)明通過(guò)分兩次單獨(dú)滲化、Si,解決了輝光共滲技術(shù)中化Si合金祀材中Si 難W瓣射的問(wèn)題，同時(shí)兩次滲入可W分別調(diào)節(jié)源極陰極電壓、保溫時(shí)間等參數(shù)，按需求得到 不同厚度的合金涂層，方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工藝探究工作。
【附圖說(shuō)明】
[001引圖1為實(shí)施例化-Si復(fù)合涂層的沈M圖。
[0019] 圖2為實(shí)施例化-Si復(fù)合涂層的結(jié)合力檢測(cè)圖。
[0020] 圖3為實(shí)施例磨損后化-Si復(fù)合涂層的沈M圖。
[0021] 圖4為實(shí)施例元素變化示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] W下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步闡述，下列實(shí)施例僅用 于說(shuō)明而非是對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求范圍的限制；下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無(wú)特殊說(shuō)明， 均為常規(guī)方法；所述試劑和生物材料，如無(wú)特殊說(shuō)明，均從商業(yè)途徑獲得。
[0023] 實(shí)施例1 將TA15合金切割成15臟X15臟X5mm試樣后，用砂紙打磨試樣表面，再用化302 拋光粉拋光至鏡面； 雙層輝光等離子滲金屬爐的源極采用純化(純度99. 99%)祀材和純Si(純度99.99%)