一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层，包括基体，所述的基体上覆盖有复合涂层，所述的复合涂层为基体表面自下而上依次层叠排列的Cr层、CrN层以及CrAlSiN层。其制备方法：步骤一、对基体表面进行清洗、除油、表面活化处理；步骤二、在镀膜设备真空腔体中，选用Cr、AlSi靶，通入氩气和氮气，通过控制氩气流量、氮气流量以及沉积时间在基体表面依次沉积Cr层、CrN层以及CrAlSiN层组成，步骤三、待涂层沉积完毕后，冷却在基体表面获得复合涂层。本发明专利技术的复合制备方便，具有涂层梯度而能够减小残余应力，且具有高耐磨性、高耐腐蚀性和高抗接触疲劳性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械零部件表面强化处理
，尤其指的是一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层及其制备方法；该CrAlSiN复合涂层适合用于海工装备、近海设施、船舶舰艇等海洋环境中。
技术介绍
腐蚀环境的运动部件广泛应用在石油、化工和电站建设等项目，如阀门等。在实际应用中，要求阀门密封件使用寿命长，最少能保证在一个检修期内(一般1～2年)阀门不损坏，以保证整个系统安全正常的运行。而用于核电站的阀门密封件要求则更高，必须保证安全运行30年以上；有些石油化工管道特殊部位对阀门密封件的要求也很高，必须保证安全开关10万次以上。另外，阀门在使用过程中，其密封件长期处于介质中，受到介质的腐蚀和冲刷，同时还存在着密封比压作用下的密封副之间的摩擦和磨损，因此工况条件相当苛刻。为提高密封件抗腐蚀、抗热和抗擦伤等性能，一般将堆焊、热喷涂等表面处理技术应用在阀门密封件中。但由于堆焊和热喷涂获得的保护层孔隙率较高，腐蚀介质容易通过针孔和裂纹等贯穿涂层而导致涂层的整体剥落，引起密封失效。目前，利用PVD技术制备的CrN涂层是耐磨部件主要采用的防护涂层。然而，传统的具有柱状晶结构的CrN涂层在腐蚀介质中容易腐蚀脱落，并且涂层脆性较大，在接触应力作用下，涂层缺陷(微凸、微坑、应力集中处等)处易于萌生裂纹，导致涂层早期非正常剥落和加速疲劳磨损失效。因此，传统单一的CrN涂层已难以适应当前和未来高机械负荷和腐蚀环境中阀门密封件的苛刻工况服役环境和性能要求，如重载下的低摩擦、长寿命和耐蚀性等。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供制备方便，具有涂层梯度而能够减小残余应力，且具有高耐磨性、高耐腐蚀性和高抗接触疲劳性的一种CrAlSiN复合涂层及其制备方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层，包括基体，所述的基体上覆盖有复合涂层，所述的复合涂层为基体表面自下而上依次层叠排列的Cr层、CrN层以及CrAlSiN层。优化的技术措施还包括：上述的复合涂层的厚度为10μm~30μm。上述的Cr层的厚度为0.3μm~3μm；所述的CrN层的厚度为4.7μm~12μm；所述的CrAlSiN层的厚度为5μm~15μm。上述的基体的表面经过离子渗氮处理。一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤一、对基体表面进行清洗、除油、表面活化处理；步骤二、将步骤一处理后的基体置于镀膜设备真空腔体中，选用Cr、AlSi靶，靶电流为50~100A，工件上施加-20~-50V负偏压，控制加热温度为400℃~450℃，通入氩气和氮气，通过控制氩气流量、氮气流量以及沉积时间在基体表面依次沉积Cr层、CrN层以及CrAlSiN层组成，具体如下：a．氩气流量保持为100sccm~200sccm，氮气流量为0sccm，沉积1小时~2小时，得到Cr层；b．氩气流量保持为0~100sccm，氮气流量为200sccm~400sccm，沉积时间为6小时~8小时，得到CrN层；c．氩气流量保持为0~100sccm，氮气流量为400sccm~800sccm，沉积时间为8小时~12小时，得到CrAlSiN层；步骤三、待涂层沉积完毕后，在真空环境下冷却至220℃以下，然后在氮气保护气氛下冷却至100℃以下，最后放气至大气压，开腔出炉，即在基体表面获得复合涂层。上述的步骤一中的表面活化处理具体为：将基体置于镀膜设备真空腔体，抽真空后将基体预热至400℃~450℃，利用氩等离子体对施加负偏压的基体表面轰击活化。在所述的步骤一后在基体表面进行离子渗氮处理，然后进行步骤二。上述的离子渗氮处理具体为：将步骤一处理后的基体置于镀膜设备真空腔体中，通入氮气流量为1000~1200sccm，工作气压控制在8~10Pa，基体施加-800~-1000V负偏压，温度控制在450~500℃，渗氮处理时间为2~4小时。上述的镀膜设备中的Cr靶和AlSi靶成组设置，每组中Cr靶和AlSi靶垂直设置。上述的氮气的纯度为99.95%。本专利技术一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层及其制备方法，其具有以下优点：(1)采用多层梯度的涂层结构，将涂层成分由Cr经CrN逐渐向CrAlSiN过渡，不仅减小了涂层晶粒尺寸和晶格中的残余应力，提高了薄膜的沉积厚度，从而大幅提高了涂层的承载抗磨能力；而且形成了多相纳米晶--非晶复合结构，打断了单一的晶向生长，能够有效防止腐蚀介质贯穿涂层引起涂层失效和剥落，提高了涂层的耐腐蚀性能。(2)本专利技术采用多弧离子镀技术制备该复合涂层，通过控制氩气流量、氮气流量以及沉积时间在基体表面依次沉积得到Cr层、CrN层以及CrAlSiN层组成，与现有的PVD技术制备的单一CrN、CrAlSiN涂层相比，该制备方法简单易行，可实现批量生产，能够得到耐磨损、耐腐蚀和抗接触疲劳特性的超厚梯度复合涂层。因此，本专利技术的复合涂层能够满足恶劣工况条件下对阀门密封件、齿轮、紧固件等零部件的高性能要求，在高精度水气输送系统装备、石油化工管道以及核电站设备等中具有良好的应用前景。附图说明图1是本专利技术复合涂层的涂层分布示意图；图2是本专利技术复合涂层的截面形貌图；图3是本专利技术复合涂层的XRD谱图；图4是本专利技术复合涂层与其他涂层在海水环境中的摩擦系数对比图；图5是本专利技术复合涂层与其他涂层在海水环境中的磨损率对比。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。如图1所示，一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层，包括基体，所述的基体上覆盖有复合涂层，所述的复合涂层为基体表面自下而上依次层叠排列的Cr层、CrN层以及CrAlSiN层。图2为本专利技术复合涂层的截面形貌图，图3是本专利技术复合涂层的XRD谱图。所述的复合涂层的厚度为10μm~30μm。所述的Cr层的厚度为0.3μm~3μm；所述的CrN层的厚度为4.7μm~12μm；所述的CrAlSiN层的厚度为5μm~15μm。所述的基体的表面经过离子渗氮处理。将复合涂层与离子渗氮相结合能够进一步强化基体硬度，提高基体硬度，并提高耐磨损性、耐腐蚀性和抗接触疲劳性。一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤一、对基体表面进行清洗、除油、表面活化处理；表面活化处理具体为：将基体置于镀膜设备真空腔体，抽真空后将基体预热至400℃~450℃，利用氩等离子体对施加负偏压的基体表面轰击活化；具体过程为：所述的真空腔体抽真空至(3~6)×10-3Pa，将基体预热至400℃~450℃，通入工作氩气100~350sccm，启动偏压电源，以-900~-1200V偏压轰击基体10分钟，使基体表面活化；步骤二、将步骤一处理后的基体置于镀膜设备真空腔体中，选用Cr、AlSi靶，靶电流为50~100A，工件上施加-20~-50V负偏压，控制加热温度为400℃~450℃，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层，包括基体，其特征是：所述的基体上覆盖有复合涂层，所述的复合涂层为基体表面自下而上依次层叠排列的Cr层、CrN层以及CrAlSiN层。

【技术特征摘要】
1.一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层，包括基体，其特征是：所述的基体上覆盖有复合涂层，所述的复合涂层为基体表面自下而上依次层叠排列的Cr层、CrN层以及CrAlSiN层。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层，其特征是：所述的复合涂层的厚度为10μm~30μm。
3.根据权利要求2所述的一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层，其特征是：所述的Cr层的厚度为0.3μm~3μm；所述的CrN层的厚度为4.7μm~12μm；所述的CrAlSiN层的厚度为5μm~15μm。
4.根据权利要求3所述的一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层，其特征是：所述的基体的表面经过离子渗氮处理。
5.根据权利要求1所述的一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一、对基体表面进行清洗、除油、表面活化处理；
步骤二、将步骤一处理后的基体置于镀膜设备真空腔体中，选用Cr、AlSi靶，靶电流为50~100A，工件上施加-20~-50V负偏压，控制加热温度为400℃~450℃，通入氩气和氮气，通过控制氩气流量、氮气流量以及沉积时间在基体表面依次沉积Cr层、CrN层以及CrAlSiN层组成，具体如下：
氩气流量保持为100sccm~200sccm，氮气流量为0sccm，沉积1小时~2小时，得到Cr层；
b．氩气流量保持为0~100sccm，氮气流量为200sccm~400sccm，沉积时间为6小时~8小时，得到CrN层；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永欣，单磊，刘孟奇，王立平，薛群基，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33