微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的原位制备方法技术

本发明专利技术涉及微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的原位制备方法，属于涂层技术领域，可用于制备抗腐蚀、耐磨涂层及触点材料的导电抗烧蚀涂层等。合金涂层由低亲氧性组元铜、铁、镍、钴或其组合和高亲氧性组元铬、铝、锆、钛、硅及稀土亲氧元素如钇、镧、镝、铈或其组合构成。将上述组元通过熔炼或热压烧结制作成电弧离子镀靶材，在低氧分压气氛中沉积，获得前驱体涂层，然后在真空或惰性气氛中退火，涂层中吸附和固溶的氧与高亲氧元素发生原位反应，形成纳米/亚微米级氧化物颗粒弥散分布于金属母体中的复合涂层。本发明专利技术利用了电弧离子镀的优点，使所制备涂层组织致密，氧化物颗粒尺寸可控，工艺稳定性高，成本较低，适于工业化应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及涂层技术，特别提供了微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的原位制备方法。
技术介绍
氧化物颗粒弥散强化合金，亦即ODS(oxidedispersionstrengthened)，具有硬度高、耐磨、耐冲刷的特点，作为涂层，可在复杂环境下有效保护基体合金免遭破坏，因而在高温合金防护涂层、耐磨涂层、抗电弧烧蚀的触头材料等众多领域具有广阔的应用前景。[参见文献：庞洪梅，齐慧滨，何业东，王德仁，李正伟，高频脉冲沉积微晶Ni-20Cr-Y2O3ODS合金涂层，中国科学B，30,2000.庞红梅，齐慧滨，何业东，王德仁，MA956ODS合金微晶涂层对1Cr18Ni8Ti不锈钢氧化性能的改善，北京科技大学学报，23,2001.]。ODS合金块体或涂层可通过金属与氧化物颗粒经热压烧结或喷涂等工艺制备。然而现有方法均存在氧化物颗粒分布及尺寸难以精确控制、涂层致密性较低、涂层与基体结合力较弱等诸多的问题。电弧离子镀离化率高，涂层致密性、与基体结合力及均匀涂覆能力优于其他PVD及喷涂工艺。电弧离子镀设备的制造和维护成本低于其他如等离子喷涂和电子束物理气相沉积等设备。因此，由电弧离子镀制备氧化物颗粒弥散强化合金涂层具有显著的技术优势。然而，由于几乎所有常见金属元素高温下均易于发生氧化，特别是在电弧离子镀工艺中所蒸发的靶材离子或蒸汽团簇与离化的氧更易发生反应，从而使得所沉积的涂层发生完全氧化。块体合金的选择性氧化理论，难以不适用于蒸汽状态下的涂层沉积过程。因此，获得部分氧化的ODS合金涂层始终是电弧离子镀工艺的难题。本专利技术利用电弧离子镀过程中涂层夹气的现象[参见文献：J.Andersson,A.Anders,Gaslesssputtering:Opportunitiesforultracleanmetallization,coatingsinspace,andpropulsion,AppliedPhysicsLetters,92,221503(2008)；MingliShen,PanpanZhao,YanGu,ShenglongZhu,FuhuiWang,HighvacuumarcionplatingNiCrAlYcoatings:Microstructureandoxidationbehavior,CorrosionScience,94,294(2015)]，在中高真空度下，在低氧分压气氛中引燃电弧，获得了含氧前驱体涂层，经高温退火，前驱体涂层内亲氧组元与氧结合形成氧化物颗粒，最终形成氧化物颗粒弥散分布的合金涂层。本专利技术所述制备方法与一种钨涂层ODS铁素体钢第一壁部件的制造方法(中国专利，ZL201110398324)的区别是后者采用的是电子束蒸发的方法，而且使用多个靶材，而本专利技术采用电弧离子镀方法，并且仅使用一个合金靶材，众所周知，电弧离子镀工艺在涂层结合力及制造成本上显著优于电子束蒸发工艺。与一种金属陶瓷复合涂层的制备方法(中国专利，201410411000)的区别是，该方法为等离子融覆法。本专利技术不仅利用了电弧离子镀离化率高的优点，使得所制备涂层组织致密，氧化物颗粒尺寸细小、分布弥散，涂层与基体结合力优异；而且电弧离子镀涂层内禀的通常被认为不利的金属熔滴，在抑制该类金属陶瓷涂层的脆化倾向方面，同样可以发挥有益作用。本专利技术利用电弧离子镀涂层沉积过程中夹气的特性，结合电弧离子镀涂层的优点，可实现微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的可控制备，并可以克服喷涂及蒸发沉积该类涂层结合力低下及氧化物颗粒团聚的问题，并且工艺可控性高，具有显著的成本优势，适合工业化应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前氧化物颗粒弥散强化合金涂层制备可控性差，涂层结合力较低及氧化物颗粒团聚的问题，而提供的微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的原位制备方法。微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的原位制备方法，其特征在于：所述的微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层由第一组元成分和第二组元成分构成；第一组元成分，包括低亲氧性组元铜、铁、镍、钴或其组合；第二组元成分，包括高亲氧性组元铬、铝、锆、钛、硅及稀土亲氧元素如钇、镧、镝、铈或其组合；将上述组元通过熔炼或热压烧结制作成靶材，采用电弧离子镀工艺，在低氧分压气氛中引燃电弧进行沉积，获得前驱体涂层，然后在真空或惰性气氛中进行高温退火，涂层中吸附和固溶的氧与第二组成分发生原位反应，形成纳米/亚微米级氧化物颗粒弥散分布于金属母体中的复合涂层。所述合金靶材中第一组元成分含量为15％-90％，质量比；此外，靶材中还可含有钨、钼、钽、铌高熔点组元。上述微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的原位制备方法，制备前驱体涂层的电弧电流为50-400A；电流为直流或脉冲直流；当采用脉冲直流时，脉冲电流频率优选为1-1000Hz，占空比为10％-90％。涂层沉积过程中，基体施加直流或脉冲负偏压；偏压幅值为10-800V；脉冲负偏压频率为100Hz-50kHz，占空比10％-80％。所述电弧离子镀低压氧气气氛为1×10-2-8×10-2Pa的氧气分压。高氧压涂层组元发生完全氧化，而低氧压涂层组元几乎无氧化发生，均难以获得ODS合金涂层。上述微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的原位制备方法，其特征在于：所述真空或惰性气氛中进行的高温退火温度范围为500-1200℃，时间为1-6小时，采用真空退火时，为减少涂层表面氧化，真空度要优于8×10-2Pa。本专利技术优点：本专利技术所述微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的原位制备方法，可获得氧化物颗粒弥散分布、尺寸可控、涂层结构致密且与基体结合力较高的ODS合金涂层。并且电弧离子镀工艺可靠性高，具有显著的成本优势，适合工业化应用。附图说明下面结合附图及实施方式对本专利技术作进一步详细的说明：图1为按本专利技术方法制备的微晶氧化物颗粒弥散强化的合金涂层的扫描电镜截面照片，靶材：NiCoCrAlYSiHf。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1本实施例对CrAlYSiHf氧化物颗粒弥散强化的NiCo基合金涂层的制备方法进行说明。首先将NiCoCrAlYSiHf(Ni-25Co-25Cr-10Al-0.5Y-0.5Hf-1Si质量百分比wt％)靶安装于阴极水冷靶套，将基体试片挂于靶前，关闭真空室门，进行抽气；镀膜室真空度达到9×10-3Pa或更高时，通入氧气使真空室压力维持在2×10-2Pa，引燃阴极电弧；对基体施加脉冲负偏压进行镀膜。偏压幅值的选择依据是所沉积涂层的致密性和结合力，10-200V时涂层致密性和结合力略低，但沉积速率受偏压影响小，而400-800V的偏压可增加涂层的致密性和结合力，但由于溅射作用，涂层沉积速率降低，本例选择脉冲负偏压300V。电弧电流为50-400A，电流大小可影响涂层沉积速率，沉积速率与电流大小大致呈线性关系，本例采用200A直流电流。对基体施加的脉冲负偏压频率为40kHz，占空比10％，40％-90％的占空比使涂层更加致密，但溅射增加，涂层沉积速率会降低。镀膜时间取决于所要求涂层的厚度大小，本例镀膜1小时后关闭弧源。然后，将沉积涂层的试片放入真空退火炉，抽真空至8×10-3Pa，退火温度可在500-1200℃进行，这取决于涂本文档来自技高网...

【技术保护点】
微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的原位制备方法，其特征在于：所述的微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层由第一组元成分和第二组元成分构成；第一组元成分，包括低亲氧性组元铜、铁、镍、钴或其组合；第二组元成分，包括高亲氧性组元铬、铝、锆、钛、硅及稀土亲氧元素如钇、镧、镝、铈或其组合；将上述组元通过熔炼或热压烧结制作成靶材，采用电弧离子镀工艺，在低氧分压气氛中引燃电弧进行沉积，获得前驱体涂层，然后在真空或惰性气氛中进行高温退火，涂层中吸附和固溶的氧与第二组成分发生原位反应，形成纳米/亚微米级氧化物颗粒弥散分布于金属母体中的复合涂层。

【技术特征摘要】
1.微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的原位制备方法，其特征在于：所述的微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层由第一组元成分和第二组元成分构成；第一组元成分，包括低亲氧性组元铜、铁、镍、钴或其组合；第二组元成分，包括高亲氧性组元铬、铝、锆、钛、硅及稀土亲氧元素如钇、镧、镝、铈或其组合；将上述组元通过熔炼或热压烧结制作成靶材，采用电弧离子镀工艺，在低氧分压气氛中引燃电弧进行沉积，获得前驱体涂层，然后在真空或惰性气氛中进行高温退火，涂层中吸附和固溶的氧与第二组成分发生原位反应，形成纳米/亚微米级氧化物颗粒弥散分布于金属母体中的复合涂层。2.按照权利要求1所述微晶氧化物颗粒弥散强化合金涂层的原位制备方法，其特征在于：所述合金靶材中第一组元成分含量为15％-90％，质量比；此外，靶材中还可含有钨、钼、钽、铌高熔点组元。3.按照权利要求1所述微晶氧化物颗粒弥散强化合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈明礼，朱圣龙，赵盼盼，王世臣，王福会，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21