[发明专利]一种在金属基体上实现氧化物陶瓷膜层冶金结合的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属基体与陶瓷膜层的连接方法。

背景技术

氧化物陶瓷(Al₂O₃、ZrO₂等)由于具有高耐热性、强抗氧化性、较高的机械强度、电绝缘性及化学稳定性等优良的特性，是制备热障涂层及其他功能涂层的良好选择。但是由于陶瓷材料与金属基体间结构的差异，氧化物陶瓷薄膜与金属基体间的结合力较低，限制了膜层的应用。为了提高氧化物膜层与基体之间的结合强度，目前已经提出了很多方法，如离子注入、激光或电子束重熔、膜层梯度制备等。但是，离子注入方法很难实现膜层与基体之间的冶金结合；激光重熔则由于加热温度过高，重熔层在冷却过程中，由于线膨胀系数的差异，很容易在膜层内部造成很大的应力，由于膜层一般是硬度很高的材料，其韧性较差，很容易在膜层内部产生裂纹，而导致膜层性能的下降；膜层梯度制备方法是指在所需膜层及基体之间制备一层或多层的过渡层，通过膜层成分、晶格参数、硬度等的过渡，降低所需膜层及基体之间的应力，提高原子之间的结合强度，但是这种方法本质上仍是提高膜层间的机械连接强度，无法实现膜层冶金结合。

发明内容

本发明要解决现有的氧化物陶瓷膜层与金属基体之间的结合强度低，难以形成膜层与基体冶金结合的问题，而提供一种在金属基体上实现氧化物陶瓷膜层冶金结合的方法。

本发明一种在金属基体上实现氧化物陶瓷膜层冶金结合的方法按以下步骤进行：

一、清洗金属基体；

二、制备活性材料层：通过磁控溅射、真空电子束蒸镀、激光蒸发、阴极弧沉积或化学气相沉积方法，在步骤一所得的金属基体上制备一层厚度为0.01～10μm的活性材料层；

三、制备功能膜层：通过PVD气相沉积、真空电子束蒸镀、磁控溅射、离子镀或离子束辅助沉积方法，在步骤二制备的活性材料层上覆盖功能膜层；

四、连接活性材料层和功能膜层，使用连接加热设备，在本底真空度≤1.5×10^-2Pa的条件下，加热覆盖有活性材料层和功能膜层的金属基体，在连接温度为750℃～1400℃的条件下，保温10～40min，反应完成后，将试件冷却，完成氧化物陶瓷膜层与金属基体的冶金结合；

其中，金属基体为不锈钢或高温合金；活性材料层的成分为AgCuTi合金或TiVCr合金；功能膜层为氧化物陶瓷膜层。

为了提高膜基结合力，实现氧化物陶瓷膜层与金属基体之间的冶金连接，本发明提出了利用活性反应层对膜层及基体进行连接获得膜层与基体冶金结合的方法。发明原理如图1所示，在膜层与基体之间预先通过磁控溅射、电子束蒸镀、激光蒸发、阴极弧沉积或化学气相沉积等方法制备一层0.01～10微米厚度的低熔点活性材料层，该层材料能够在特定的温度范围区间内与基体和待制备的膜层均进行物理或化学反应；然后进行特定功能膜层的制备。制备结束后，采用一定的温度加热基体及膜层，使活性材料层达到能进行物理或者化学反应的温度，使活性材料层与基体以及最外层的膜层发生反应，然后将试件冷却，从而在膜层与基体之间获得冶金结合的膜层。利用本发明的方法可以实现Al₂O₃，ZrO₂等氧化物陶瓷薄膜与各类型，各牌号的不锈钢基体与高温合金基体的冶金连接，与传统连接方法相比，本发明具有如下优势：

1、膜层与基体之间为冶金结合，结合强度高；

2、膜层与基体之间的热应力低；

3、膜层质量好，不存在裂纹等缺陷。

本发明用于金属基体与陶瓷膜层的连接。

附图说明

图1为本发明的连接机理示意图，其中1代表金属集体，2代表活性材料层，3代表氧化物陶瓷膜层；

图2为实施例一中经步骤一至步骤三所得到的复合膜层的SEM照片；

图3为经步骤四连接后得到的复合膜层的SEM照片；

图4为实施例一中经步骤一至步骤三所得到的复合膜层的划痕实验效果图；

图5为图4的局部放大图；

图6为实施例一中经步骤四连接后得到的复合膜层的划痕实验效果图；

图7为图6的局部放大图；

图8为实施例一中经步骤一至步骤三所得到的陶瓷层及活性层的成分线扫描图；

图9为实施例一中经步骤四连接后得到的陶瓷层及活性层的成分线扫描图；

图10为实施例二中经步骤一至步骤三所得到的复合膜层的SEM照片；

图11为实施例二中经步骤四连接后得到的复合膜层的SEM照片；