【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属材料表面改性方法，涉及碳钢表面陶瓷骨架内填充片状金属叠层结构，还涉及碳钢表面陶瓷骨架内填充片状金属叠层结构涂层的制备方法。
技术介绍
1、目前，在碳钢表面制备陶瓷/金属多层膜是提高其表面强韧性的有效方法，这种多层膜是由硬质陶瓷层和具有良好塑韧性的金属层交替排列形成的薄膜。然而，金属层将陶瓷层隔离的结构制约了其抗剪切能力。
2、目前，陶瓷/金属多层膜的制备技术主要包括物理气相沉积(pvd)和化学气相沉积(cvd)。物理气相沉积技术具有可以精确控制薄膜厚度和成分、适用范围广、环境友好等优点。而化学气相沉积具有沉积速率高、绕镀性好、薄膜成分可控等优点。然而，通过pvd和cvd技术制备的陶瓷/金属多层膜普遍存在层间界面和膜基界面缺乏明显的元素互扩散的特点，从而制约了界面的结合强度，限制了表面综合力学性能的进一步提升。
3、综上所述，从陶瓷/金属多层膜的结构来看，金属层将陶瓷层隔离的结构特点，制约了其抗剪切能力；从陶瓷/金属多层膜的制备方法来看，这种多层膜的界面结合强度差，制约了多层膜力学性能的进一步提升。针对上述问题，本专利技术设计了一种具有高强度陶瓷骨架且内含片状韧性金属的叠层结构涂层，并提出了一种物理气相沉积和渗碳相结合的制备方法，最终获得强韧性兼备及抗剪切能力良好的薄膜。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供一种碳钢表面陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层，以解决现有陶瓷金属多层膜技术中金属层将陶瓷层隔离开导致的抗剪切能力差的问题。另一方面，
2、本专利技术陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构所采涂层用的技术方案是，碳钢表面具有以陶瓷相为骨架且陶瓷骨架空隙填充片状铁层的涂层。
3、本专利技术陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法所采用的技术方案具体按照以下步骤实施：
4、步骤1：将碳钢表面打磨后进行第一次渗碳处理，获得具有渗碳层的碳钢；
5、步骤2：采用膜层制备工艺在具有渗碳层的碳钢表面上沉积具有碳化物形成能力的金属层；
6、步骤3：在步骤2形成的金属层上放置沉积模具，使用沉积模具通过膜层制备工艺沉积片状铁层，移除沉积模具，得到片状铁层，采用膜层制备工艺在片状铁层上再次沉积形成具有碳化物形成能力的金属层，重复以上操作，多次沉积片状铁层和具有碳化物形成能力的金属层，在碳钢表面形成以具有碳化物形成能力的金属为骨架且填充片状铁层的涂层；
7、步骤4：将步骤3形成的涂层放入渗碳炉中进行第二次渗碳处理，得到陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层。
8、本专利技术的特点还在于：步骤1中的第一次渗碳处理方式为固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳、等离子渗碳中的一种，所述第一次渗碳处理的温度范围为800℃-1000℃；
9、步骤1中的渗碳层厚度l的范围为10μm-200μm；
10、步骤2中所述具有碳化物形成能力的金属层沉积厚度为5μm-50μm；
11、步骤2及步骤3中的膜层制备工艺为物理气相沉积、化学气相沉积、喷涂中的一种，步骤2及步骤3中具有碳化物形成能力的金属为w、mo、cr、ta、nb、ti、zr、v中的任意一种元素组成的金属；
12、步骤3具体按以下实施：在步骤2形成的金属层上放置沉积模具，沉积模具包括第一掩膜板和第二掩膜板，所述第一掩膜板图形位置与第二掩膜板图形位置错位分布，使用第一掩膜板通过膜层制备工艺沉积片状铁层，移除第一掩膜板，得到片状铁层，采用膜层制备工艺在片状铁层上再次沉积形成具有碳化物形成能力的金属层，再使用第二掩膜板通过膜层制备工艺沉积片状铁层，移除第二掩膜板，得到片状铁层，采用膜层制备工艺在片状铁层上再次沉积形成具有碳化物形成能力的金属层，重复以上操作，多次沉积片状铁层和具有碳化物形成能力的金属层，在碳钢表面形成以具有碳化物形成能力的金属为骨架且填充片状铁层的涂层。
13、步骤3中的沉积模具的孔尺寸(圆孔的直径，方孔或六边形孔的边长)大小为20μm-100μm，片状铁层的厚度范围为1μm-30μm，片状铁层的层数范围为2-10层；具有碳化物形成能力的金属层选用与步骤2相同的材料，单层厚度范围为3μm-50μm。具有碳化物形成能力的金属层和片状铁层的厚度独立调控，片状铁层和具有碳化物形成能力的金属层的层数相同；
14、步骤3中片状铁层包括含碳量低于0.0218wt％的纯铁层和含碳量在0.0218wt％-2.0wt％的碳钢层。
15、步骤4中的渗碳处理采用固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳、等离子渗碳、间隙原子渗碳中的一种方法，渗碳温度范围为900℃-1200℃。
16、本专利技术的有益效果是：
17、(1)在以陶瓷相为骨架且填充片状铁层的涂层中，陶瓷骨架具有高硬度、强度和刚性，片状铁层有利于提高涂层的韧性，使涂层具有强韧性兼备的特性和良好的抗剪切能力；
18、(2)在高温过程中，层间界面元素相互扩散，形成了具有冶金结合的高强度层间界面。陶瓷层与片状金属层之间的界面呈现不规则形状，相比于平整界面，这种不规则界面能够更有效地增强材料的韧性；
19、(3)碳化物原位析出，使得晶界强度高，碳化物陶瓷相中固溶了铁元素，因此其生长速率更快，同时也具有更好的韧性；
20、(4)由于碳在铁中的固溶度较高，片状铁层能够有效促进碳向内持续扩散，也可以作为碳源，促进碳化物陶瓷相的形成。
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1.陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层，其特征在于，包括渗碳层，渗碳层表面具有以陶瓷相为骨架且陶瓷骨架空隙填充片状铁层的涂层。
2.陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
3.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体按以下实施：
4.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的第一次渗碳处理方式为固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳、等离子渗碳中的一种，所述第一次渗碳处理的温度范围为800℃-1000℃，第一次渗碳时间2h-40h。
5.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中所述具有渗碳层的碳钢的渗碳层厚度L的范围为10μm-200μm，含碳量为0.8％-2.0％。
6.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中所述具有碳化物形成能力的金属层沉积厚度为5μm-50μm。
7.
8.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中沉积模具的孔径大小为20μm-100μm，具有碳化物形成能力的金属层的单层厚度范围为3μm-50μm，层数范围为2-10层，片状铁层其厚度范围为1μm-30μm，层数范围为2-10层。
9.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的片状铁层包括含碳量低于0.0218wt％的纯片状铁层和含碳量在0.0218wt％-2.0wt％的碳钢层。
10.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，步骤4中所述的第二次渗碳处理采用固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳、等离子渗碳、间隙原子渗碳中的一种方法，所述第二次渗碳处理温度范围为900℃-1200℃，所述第二次渗碳时间2h-40h。
...【技术特征摘要】
1.陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层，其特征在于，包括渗碳层，渗碳层表面具有以陶瓷相为骨架且陶瓷骨架空隙填充片状铁层的涂层。
2.陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
3.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体按以下实施：
4.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的第一次渗碳处理方式为固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳、等离子渗碳中的一种，所述第一次渗碳处理的温度范围为800℃-1000℃，第一次渗碳时间2h-40h。
5.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，步骤1中所述具有渗碳层的碳钢的渗碳层厚度l的范围为10μm-200μm，含碳量为0.8％-2.0％。
6.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内填充片状金属的叠层结构涂层的制备方法，其特征在于，步骤2中所述具有碳化物形成能力的金属层沉积厚度为5μm-50μm。
7.根据权利要求2所述的陶瓷骨架内...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵梓源，皮梓辛，潘瑛，赵明轩，李均明，钟黎声，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：
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