[发明专利]磁控溅射镀铝+加弧辉光渗铬+反冲离子注入制备Fe‑Al‑Cr合金层

说明书

技术领域

本发明属于金属表面改性领域。具体涉及采用磁控溅射镀Al、加弧辉光渗Cr和反冲离子注入相结合，制备合金元素均匀分布的Fe-Al-Cr涂层。

背景技术

Fe-Al金属间化合物是目前研究比较深入的金属间化合物之一，其比强度高、耐蚀性优异，同时具有资源丰富、成本低廉等优势。但由于其自身结合键的性质、晶体结构、缺陷敏感度、有序度及环境等因素导致Fe-Al合金涂层的塑韧性和高温综合性能，仍不能满足高温、热腐蚀和磨损共存的苛刻服役环境的要求，严重制约了Fe-Al合金涂层在工业生产中的应用。

已有研究表明，Cr作为一种既可改善Fe-Al金属间化合物室温脆性，提高延伸率，同时提高强度的合金元素，制备Fe-Al-Cr合金层成为扩展Fe-Al金属间化合物使用范围的重要研究方向。目前已有发明专利ZL201310076784.1采用双辉等离子表面冶金技术和发明专利CN201410780471.9采用双辉技术和离子注入相结合的方法制备Fe-Al-Cr涂层，但两种方法均存在表面Al贫化的问题，涂层中Fe、Al、Cr等合金元素呈梯度分布，而非均匀分布，易造成高Al脆性相集中分布于涂层的亚表面，而使得涂层的使用寿命降低。

发明内容

本发明解决的关键技术问题是避免涂层表面沉积层纯Cr的形成以及亚表面附近高Al脆性相的析出，保证Fe、Al、Cr三种合金元素沿截面方向均匀分布，提高涂层的使用寿命，尤其改善其抗高温氧化性和耐摩擦磨损性能。

为解决以上技术问题，本发明提供了磁控溅射镀铝+加弧辉光渗铬+反冲离子注入制备Fe-Al-Cr合金层的方法，具体步骤如下：

步骤1：首先对钢材表面进行预表面处理，经超声清洗后烘干；

步骤2：采用磁控溅射技术镀Al；

步骤3：采用加弧辉光技术渗Cr；

步骤4：采用反冲离子注入技术轰击材料表面的薄膜。

其中步骤1中所述的表面预处理为对钢材进行研磨和抛光处理，使其表面粗糙度Ra达到0.5～1.5μm，超声时间为25min。

其中步骤2中采用磁控溅射技术在不锈钢表面镀Al，其中靶材为99.99％Al。具体选用的工艺参数是：工作气压：3.5～6.5Pa，极间距：18～22mm，沉积时间：2.5～3.5h，工作功率：145～155W。

其中步骤3中采用加弧辉光技术在步骤2中所得的磁控溅射镀Al层外表面再进行渗Cr处理，其中靶材为99.99％Cr。具体选用的工艺参数是：Ar气气压：45～55Pa，电弧电流：60～80A，极间距：100～140mm，偏压：500～700V，温度：700～850℃，工作时间60～100min。

其中步骤4中采用反冲离子注入技术对上述制备所得的镀Al和渗Cr合金层进行离子轰击，具体选用的工艺参数是：离子能量：150～200keV，束流：1～5mA，注入时间20～40min。

采用以上方法制备所得的Fe-Al-Cr涂层，各合金元素沿截面方向均匀分布，形成Fe₂AlCr、Fe₃Al、FeAl、Cr₂₃C₆等具有高硬度、高强度的化合物相。

本发明的突出优点在于充分发挥了磁控溅射技术、加弧辉光离子渗镀技术和反冲离子注入该三项技术的各自特点，利用其协同作用原理，最终实现制备出不含高Al相、元素分布均匀、性能优异的Fe-Al-Cr涂层。