[发明专利]一种抗腐蚀碳化物涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用放电等离子烧结(SPS)渗碳技术在可渗碳型金属衬底上制备碳化物涂层的方法，属于金属材料表面化学热处理技术领域。 

背景技术

金属材料由于其高的强度、韧性、以及良好的导电、导热等性能而被广泛应用于工业、农业、军事及航空航天等各个领域，并发挥着重要的作用。然而这些金属材料在环境的作用下会不可避免的发生损坏，其损坏的形式是多种多样的，最常见的是断裂、磨损和腐蚀三种形式，其中以腐蚀造成的损失尤为突出。通常，腐蚀会改变金属材料的力学性能和物理性能，从而引发重大的事故，造成巨大的经济损失。2002年中国工程院进行的腐蚀调查表明，我国每年由于腐蚀造成的直接经济损失高达4296.28亿美元。此外，腐蚀已经成为我国两大科学装置(加速器驱动的次临界系统和中国散裂中子源)核心部件(靶材)研制过程中急需解决的问题：前者的液态锂-铅合金靶对其盛放容器的腐蚀以及后者的冷却剂(重水)对钨靶的腐蚀。 

常见的金属材料腐蚀防护的措施是对金属材料进行表面改性。由于碳化物涂层具备高硬度，高熔点，化学性质稳定，不溶于水，耐热，耐腐蚀等优良特性，因此有望通过在金属材料表面制备碳化物涂层或通过金属表层的碳化处理来实现对金属材料的腐蚀防护。通常，IVB、VB、VIB、VIIB以及铁系元素的碳化物具有优异的物理和化学特性，使它们在现代科学技术领域中受到普遍重视，已经形成一组新兴的工程材料。其中，Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、W等金属能与碳形成间隙碳化物，此类碳化物反应性不强，性质较稳定。 

制备碳化物涂层的技术主要有化学气相沉积、物理气相沉积，喷涂以及渗碳等。气相沉积法制备的涂层虽然与金属衬底的结合力高，但是制备涂层的速度慢。喷涂的方法制备涂层虽然具有较高的速度，但是涂层与衬底的结合力很差，而且涂层的表面非常粗糙。渗碳法主要包括气体渗碳、固体渗碳和离子束注入渗碳。气体渗碳的核心在于调节好通入气体的浓度和比例，设备成本较高，工艺相对繁琐，虽然生产率高，但若气体流量供给不当，产物的成分将难以控制；离子束注入渗碳法，可高效的在金属表层注入碳元素，注入层与基体材料没有明显界面，不存在粘附破裂和剥落问题，但材料经离子注入后，存在辐照损伤，物理化学性能发生显著变化，无法维持基体固有的优点；固体渗碳法是一种结合力强，致密度高，且最容易使用的制备方法，然而传统的固体渗碳法往往耗时长，效率低，且涂层厚度薄，难以达到目的。因此如何克服传统渗碳法的缺点， 充分利用固体渗碳的优势，短时高效地制备出碳化物涂层是亟需研究解决的关键问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种金属表面的金属碳化物涂层，起到抗腐蚀的作用。为实现以上本发明的目的，本发明采用如下的技术方案： 

一种抗腐蚀碳化物涂层，包括可渗碳型金属衬底及包覆在所述金属衬底上的涂层，其特征在于所述金属衬底上的涂层为衬底金属的碳化物层。 

其中，所述衬底金属的碳化物层为层状结构，由衬底金属的碳化物，衬底金属的贫碳化合物，衬底金属的含碳固溶体叠加而成。 

其中，所述金属衬底为可渗碳型金属，可选自Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W中任意一种，优选为金属钨或金属钛或金属钼中的任意一种。 

其中，所述衬底金属的碳化物层的厚度为6～200μm，优选为10～50μm。 

其中，所述衬底金属的碳化物层在100g载荷下保压10s的显微硬度为1800～2800HV，优选为2200～2300HV。 

本发明的另一目的是提供一种新型高效、简单快速的金属表面防腐蚀碳化物涂层的制备方法。为实现以上本发明的目的，本发明采用如下的技术方案： 

一种前述抗腐蚀碳化物涂层的制备方法，采用放电等离子体渗碳烧结工艺，包括先将石墨粉末覆盖于可渗碳型金属衬底之上，再将表面覆有石墨粉末的可渗碳型金属置于氩气气氛中、施以18～45MPa的压力，再于800～1700℃的等离子体下烧结至少10min，制得所述抗腐蚀碳化物涂层的步骤。 

在一个优选的实施方案中，在石墨粉末覆盖于可渗碳型金属衬底上之前，还包括对石墨粉末进行研磨的步骤。其中，石墨粉末的粒径为50nm～10μm。 

在一个优选的实施方案中，在石墨粉末覆盖于可渗碳型金属衬底上之前，还包括对可渗碳型金属衬底进行打磨、清洗和干燥的处理步骤。 

在制备过程中，所述等离子体烧结前后的升温与降温的速率均为100℃/min。