一種微晶鋁化物涂層制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及表面涂層技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種微晶鉛化物涂層制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鉛化物或改性鉛化物涂層因具有優(yōu)異的抗高溫氧化和耐高溫腐蝕性能，在當(dāng)前高 溫防護涂層領(lǐng)域仍占據(jù)重要地位，廣泛應(yīng)用于電力、航空、航天和化工行業(yè)。
[0003] 傳統(tǒng)鉛化物涂層制備工藝主要有固體粉末包埋滲鉛、液相滲鉛、氣相滲鉛料漿滲 鉛、熱噴涂滲鉛和真空錐膜擴散滲鉛。固體粉末包埋滲鉛的優(yōu)點是操作簡單，工藝穩(wěn)定，滲 層深度容易控制，缺點是產(chǎn)生粉塵危害和產(chǎn)生有害氣體，勞動條件差，生產(chǎn)周期長，有孔零 件清除滲劑困難。液相滲鉛的優(yōu)點是生產(chǎn)效率高，容易實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，缺點是滲層表面粗 糖，均勻性差，夾雜物多，巧巧容易腐蝕損壞，蒸發(fā)有害氣體。氣相滲鉛的優(yōu)點是勞動條件較 好，可滲帶孔零件，缺點是工藝穩(wěn)定性不夠好，滲鉛層鉛濃度較低。料漿滲鉛、熱噴涂滲鉛和 真空錐膜滲鉛的優(yōu)點是涂層中可加入活性改性元素從而改善涂層的抗熱腐蝕性能，也可進(jìn) 行局部滲鉛。料漿滲鉛缺點是常見料漿中含有毒添加劑，不利健康。熱噴涂滲鉛缺點是涂 層粗糖，均勻性差，操作時噪聲大。真空錐膜滲鉛的缺點是錐層結(jié)合力差。同時，上述方法 均需要對工件進(jìn)行加熱，使鉛元素擴散進(jìn)入基體而形成鉛化物涂層。對于媒基合金滲鉛涂 層，加熱溫度通常需要達(dá)到900-105(TC。采用輝光放電的新型滲鉛工藝?yán)梦锢須庀喃@得 滲層的方法[參見文獻(xiàn)；CN87104626,中國專利]，解決了傳統(tǒng)工藝對環(huán)境不友好的問題。但 該方法仍然需要在制備過程中對工件進(jìn)行加熱。上述方法獲得的涂層組織晶粒度，因加熱 溫度不同，通常在幾十微米到毫米量級。由于晶粒粗大，涂層的抗循環(huán)氧化能力較差，具體 表現(xiàn)為在冷熱循環(huán)過程中表面氧化膜易剝落。此外，工件加熱溫度高，也容易導(dǎo)致工件組織 長大，影響工件力學(xué)性能。
[0004] 涂層晶粒越細(xì)小，越有利于A1的選擇性氧化，從而可改善涂層的抗氧化性能。楊 松風(fēng)等人采用磁控瓣射方法獲得了微晶鉛化物涂層[參見文獻(xiàn)：楊松風(fēng)，王福會，朱圣龍， 柱狀晶界面對瓣射NiAl微晶涂層高溫氧化性能的影響，金屬學(xué)報37 (2001) 62引，涂層表現(xiàn) 出優(yōu)異的抗高溫氧化性能。該方法在實際應(yīng)用上的主要問題是需要預(yù)先制備NiAl祀材。 NiAl是一種金屬間化合物，其脆性較大，祀材在鑄造過程和使用過程中容易開裂。因此，發(fā) 明一種既具有微米晶粒度，涂層抗循環(huán)氧化性能好，不影響基體組織和力學(xué)性能，又具有良 好實用性的新型滲鉛方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種不用加熱基體的，環(huán)境友好的，能制備微晶鉛化物涂層 的新方法，特提供了一種微晶鉛化物涂層制備方法。
[0006] 本發(fā)明的原理為；利用真空陰極電弧，使祀材原子蒸發(fā)并形成高密度等離子體； 等離子體中金屬離子在高頻脈沖偏壓加速和引導(dǎo)下，注入到工件表層內(nèi)部，在工件表面形 成微晶鉛化物涂層。
[0007] 本發(fā)明提供了一種微晶鉛化物涂層制備方法，其特征在于；制備過程在真空中進(jìn) 行；采用真空陰極電弧蒸發(fā)方法產(chǎn)生高密度等離子體；在工件上施加高頻脈沖負(fù)偏壓，使 等離子體中金屬離子注入到工件表層內(nèi)部，并形成亞微米級晶粒的鉛化物涂層。
[0008] 所述的真空陰極電弧蒸發(fā)方法，使用純鉛或鉛合金祀材，弧電流40~50A;所述鉛 合金中合金組元包括但不限于Si、HfXr、Y、原子序數(shù)為57到71的15種銅系元素之一，或 上述元素的組合，合金組元總含量為lOppm至15%，此值為原子比。
[0009] 所述的高頻脈沖負(fù)偏壓方法，偏壓為-400~-1000V，占空比20~60%，頻率5~ 100曲Z。
[0010] 所述的真空，通氮氣前背底真空度最優(yōu)達(dá)到0. 05化或更低，至少應(yīng)達(dá)到5Pa，通氮 氣后真空度為6-40化。
[0011] 所述的微晶鉛化物涂層的制備工藝過程，安裝工件和祀材，真空室抽真空，通入氮 氣，在工件上施加高頻脈沖負(fù)偏壓，引燃真空陰極電弧，涂層達(dá)到所要求厚度后，關(guān)閉鉛化 物涂層制備系統(tǒng)，取出工件。
[0012] 本發(fā)明與其他方法的區(qū)別：
[0013] 與真空電弧離子錐的區(qū)別；本方法中金屬離子能注入工件表層內(nèi)部，并形成鉛化 物；而真空電弧離子錐方法中金屬離子僅沉積在工件表面，不能與工件表面原子形成鉛化 物。
[0014] 與陰極電弧源離子滲金屬（參見文獻(xiàn)；CN88100549A，中國專利）的區(qū)別；本方法 中工件溫度較低，主要依賴鉛離子自身能量與基體形成鉛化物；而陰極電弧源離子滲金屬 方法中主要依靠離子加熱工件至高溫，達(dá)800~1400°C。
[0015] 與離子注入的區(qū)別；本方法注入深度為十微米至百微米級，能形成鉛化物相（如 目-NiAl、M2AI3和NisAl)，可顯著提高工件的長期抗高溫氧化和腐蝕性能；而離子注入的 深度僅為納米級，且不能形成鉛化物，對長期抗高溫氧化和腐蝕性能影響不大；
[0016] 與輝光或加弧輝光放電滲鉛方法（參見文獻(xiàn)；CN90103841，中國專利；）的區(qū)別： 本方法中工件不需要高溫加熱，滲鉛源為真空陰極電弧蒸發(fā)產(chǎn)生的等離子體，其離化率接 近100%;輝光放電滲鉛方法中工件需要由輝光放電加熱至高溫，滲鉛源為熱陰極瓣射產(chǎn)生 的氣相鉛原子，其離化率一般不足5%;加弧輝光放電滲鉛需要給工件施加輔助陰極W產(chǎn)生 空必陰極效應(yīng)來加熱工件至高溫。
[0017] 與真空錐膜滲鉛和熱噴涂滲鉛方法的區(qū)別：本方法中金屬離子具有很高能量，能 夠直接注入到工件表層內(nèi)，不需要加熱基體；真空錐膜滲鉛和熱噴涂滲鉛方法中，制備過程 分制備鉛涂層和真空退火兩步，真空退火步驟需要加熱工件W使工件表面的鉛滲入工件表 層內(nèi)并形成鉛化物。
[001引本發(fā)明的優(yōu)點：
[0019] 涂層晶粒度達(dá)到亞微米級，抗循環(huán)氧化性能優(yōu)于普通的晶粒度達(dá)到幾十微米W上 的鉛化物涂層；
[0020] 可W控制涂層成分，制備合金元素改性涂層，抗高溫腐蝕性能優(yōu)于簡單鉛化物涂 層；
[0021] 制備過程中不需要加熱工件，對基體組織和力學(xué)性能影響小，并可減少能源消耗； 而現(xiàn)有的固相、液相、氣相、料漿滲鉛和真空錐膜滲鉛、熱噴涂滲鉛W及輝光放電滲鉛方法 中都需要對工件進(jìn)行加熱；
[0022] 涂層結(jié)構(gòu)致密，結(jié)合力優(yōu)于電子束物理氣相沉積、磁控瓣射和電弧離子錐的NiAl 涂層；
[0023] 工藝性能和工業(yè)放大性優(yōu)于電子束物理氣相沉積、磁控瓣射和電弧離子錐NiAl 涂層。送Η種方法都需要制備NiAl祀，NiAl很脆，難W做成大尺寸祀材；而本方法中僅需 要制備純鉛或鉛合金祀，純鉛或鉛合金的加工性能很好，易于做成大尺寸祀材；
[0024] 與固相、液相、氣相和料漿滲鉛比，本方法的涂層質(zhì)量穩(wěn)定性好，生長速率高，可達(dá) 10~30μm/h;工作環(huán)境好，不會產(chǎn)生環(huán)境污染問題。
【附圖說明】
[00巧]下面結(jié)合附圖及實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：
[0026] 圖1為在純媒試樣上用本發(fā)明的微晶鉛化物涂層制備方法得到的涂層表面和截 面掃描電鏡顯微照片：氣壓10化，弧電流40A，偏壓-1000V，占空比20%，頻率10曲Z;
[0027] 圖2為在純媒試樣上用本發(fā)明的微晶鉛化物涂層制備方法得到的涂層表面和截 面掃描電鏡顯微照片：氣壓15化，弧電流40A，偏壓-800V，占空比60%，頻率8