[发明专利]双阴极等离子制备纳米晶Cr3Si耐冲刷腐蚀合金层的新方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种在钢铁材料表面制备纳米晶Cr₃Si硅化物层的新方法。适用于先进的表面制备冲刷腐蚀材料领域，涉及到双阴极等离子溅射沉积纳米晶工艺以及沉积材料种类。该涂层适用于石油、化工化纤、采矿和电力工业部门的过流设备和部件的表面规模化处理与生产。

背景技术

冲刷腐蚀是材料在承受机械作用的同时还与环境介质发生化学或电化学反应而出现的表面材料流失现象，简称为冲蚀。其主要的作用形式是腐蚀介质(液体或气体)携带的固体粒子(或气泡)对固体靶材冲击造成的材料表面流失。与应力腐蚀、氢脆或腐蚀疲劳现象相同，腐蚀磨损也是应力和化学介质协同作用下材料的过早失效现象。腐蚀磨损现象广泛存在于石油、化工化纤、采矿和电力等工业领域的机械设备中，是使这些工业部门的过流设备和部件(如水轮机、泵体、管道内壁、阀体、喷嘴等)的各种材料失效的主要原因之一。如湿法磷酸生产过程中，萃取槽中的料浆泵承受着由混酸(磷酸和硫酸)、杂质和30％左右的固体颗粒构成的严重的冲刷腐蚀，使得磷酸料浆泵用材一度成为影响磷酸生产的主要问题；原油流化催化裂化装置中的各种油浆泵及前后阀的工作环境中，介质夹带的催化剂颗粒以及油品中的有机酸构成了300-400摄氏度下十分严重的高温液固双相流冲刷腐蚀。耐腐蚀磨损合金从材料设计上必然要求能同时承受力学和电化学因素协同破坏。针对于耐蚀与耐磨合金的成分及组织设计思路各不相同。耐蚀合金设计通常是添加合金元素增强其自发钝化能力，不希望存在有害第二相导致形成微观腐蚀原电池，造成材料耐蚀性能的下降。而耐磨合金设计常采用高硬度的第二相强化以提高合金的承受载荷和抗犁削能力。传统的耐蚀合金和耐磨合金往往难以满足在复杂磨蚀环境中的服役要求的。因此，耐腐蚀磨损材料应与传统的耐磨合金与耐蚀合金具有不同的设计和发展思路。与镍基高温合金相比，Cr₃Si硅化物具有更高的高温强度，优异的抗氧化和抗腐蚀能力，比较低的密度和高的熔点，更适合在恶劣环境条件下工作，是目前国际上集中研究的金属间化合物。目前研究冲刷条件下具有高性能的硅化物的相关研究尚处于空白阶段。本发明是利用纳米晶材料的高韧性、耐磨损以及Cr₃Si的成分与化学稳定性高的特点，通过在钢铁材料表面制备纳米晶Cr₃Si硅化物涂层，提高石油、化工化纤、采矿和电力等工业领域的过流部件耐冲刷性能。

发明内容

本发明的目的在于通过双阴极等离子溅射沉积技术为手段，在钢铁材料表面形成晶粒尺寸为5nm的纳米晶Cr₃Si涂层，该纳米晶硅化物涂层具有高韧性、耐磨以及耐冲刷性能，能明显提高钢铁材料的海水和酸性条件下的耐冲刷性能。

本发明的构成：等离子溅射装置为双阴极结构，通过调节靶材与工件电压以及通入真空室中的Ar气气压，达到控制靶材(提供欲沉积的合金)的溅射量与工件表面的温度。

针对不同的沉积材料物理特性，双阴极沉积工艺参数范围如下：

靶材电压：1000～1500V；

工件电压：500～650V；

靶材与工件间距：6～10mm；

气压(Ar气)：30～35Pa；

溅射的靶材的种类：

选用纯度分别为99.5％Cr粉、99.9％的Si粉，按照摩尔百分比Cr：Si＝1：1；

工件材料的种类：钢铁材料

有益效果：

1.纳米晶硅化物涂层具有良好的机械性能。所制备的纳米晶Cr₃Si涂层通过晶界滑动和扩散机制提高了涂层塑性变形的能力，从而改善了涂层的韧性。此外由于涂层的晶粒尺寸细小，晶界的体积分数较大，提高了晶界处原子扩散，从而使纳米材料在腐蚀介质中能快速形成钝化膜。在冲刷条件下，纳米晶Cr₃Si硅化物涂层被磨蚀的表面，钝化膜能快速自修复，且钝化膜具有高的稳定性。

2.要使材料在腐蚀浆料中具有优良的耐冲刷腐蚀磨损性能首先必须具备优良的耐蚀性，同时又要具备优良的耐磨性，两者合理的配合尤为重要。对于纳米晶Cr₃Si硅化物涂层来说，其表面硬度为HVO.12300，高于镍基合金和不锈钢的硬度(＜HVO.1500)，因此纳米晶Cr₃Si硅化物涂层比镍基合金和不锈钢能够更有效的抵挡沙粒的犁削破坏作用，降低破坏作用。

附图说明

图1：纳米晶Cr₃Si硅化物涂层的透射电镜。

具体实施方案

实施例1：