[发明专利]不锈钢基材表面的具有高硬耐蚀性的CrB2涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面强化技术领域，涉及一种不锈钢基材表面的具有高硬耐蚀性的CrB₂涂层及其制备方法。

背景技术

随着海洋科技及相关产业的发展，海洋资源的开发利用和海上基础设施的建设需要大量不锈钢材料。在高湿热、高盐分等苛刻服役条件下，不锈钢构筑件的磨损和腐蚀十分严重。传统不锈钢材料如316L、321、17-7PH不锈钢，均存在均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀等问题。目前，通过物理气相沉积方法在不锈钢表面制备优异耐磨损腐蚀的涂层材料，使其具有化学稳定、高硬度、抗腐蚀等特性，是延长海洋装备部件使用寿命和提高服役性能的重要途径。

为了得到高性能、耐腐蚀的海洋环境用不锈钢材料，一般使用磁控溅射或电弧离子镀在其表面制备类金刚石涂层、多元氮化物涂层和纳米叠层式涂层。如何选择耐磨损腐蚀性能更加优异的涂层材料，以及如何制备该涂层材料是目前研究的重点之一。

二硼化铬(CrB₂)材料具有优良的耐腐蚀性能和超高硬度。然而，Cr-B二元化合物有三种不同的晶格结构类型：正方结构(Cr₂B和Cr₅B₃)、斜方结构(CrB、CrB₄和Cr₃B₄)和六方结构(CrB₂)。其中，六方CrB₂硬度高、耐腐蚀性强，但成相区间窄，CrB₂涂层的制备是一个很大的挑战。

发明内容

本发明提供了一种不锈钢基材表面的具有高硬耐蚀性的新涂层材料，该涂层材料选用Cr-B二元化合物。Cr-B二元化合物有三种不同的晶格结构类型：正方结构(Cr₂B和Cr₅B₃)、斜方结构(CrB、CrB₄和Cr₃B₄)和六方结构(CrB₂)。其中六方CrB₂硬度高、耐腐蚀性强，因此本发明选用的Cr-B二元化合物是二硼化铬(CrB₂)。

目前，CrB₂涂层制备技术有电解盐浴、化学气相沉积和物理气相沉积三种方法。电解盐浴和化学气相沉积方法存在制备温度高、相纯度难以控制等缺点。与这两种方法相比，物理气相沉积法沉积温度低、能够实现不锈钢材料表面CrB₂涂层的大面积制备。但是，常用的直流磁控溅射方法离化率低，涂层呈粗大柱状晶生长且存在大量缺陷，导致腐蚀介质易渗透至膜基界面，不能有效抑制基材的腐蚀。本发明中，CrB₂涂层以纳米柱状晶CrB₂为主相结构，并且CrB₂涂层中含有(001)和(002)两种晶面取向，其中择优取向为(001)。

作为优选，所述纳米柱状晶CrB₂的横向晶粒尺寸小于10nm。所述的不锈钢基体不限，包括奥氏体316、316L、321不锈钢，双相不锈钢，铁素体不锈钢等。

综上所述，本发明提出了一种不锈钢基材表面的高硬耐蚀二硼化铬涂层，该涂层以CrB₂相为主相，并呈纳米柱状晶结构，并且CrB₂涂层中含有(001)和(002)两种晶面取向，其中择优取向为(001)，(001)取向能获得最低表面能，因此涂层致密。实验证实该涂层具有超高的硬度及致密性，表现出优异的耐磨损腐蚀性能，其硬度可达42～50GPa，在室温下以浓度为3.5wt.％的NaCl溶液对该涂层进行腐蚀，该涂层的腐蚀速率低于不锈钢基体材料两个数量级，大大降低了基体的腐蚀速率，因此可用于服役条件苛刻的环境中，例如海洋环境等。

CrB₂硬度高、耐腐蚀性强，但是CrB₂的成相区间窄，因此CrB₂涂层的制备是一个很大的挑战。为此，本发明人经过大量实验探索发现采用高功率脉冲磁控溅射方法，使用Cr-B化合物靶，通过调节高功率脉冲电源参数可获得本发明所述的具有特定相结构和晶体结构的Cr-B涂层。该制备方法具体如下：

(1)选用Cr-B化合物靶材，Cr与B的原子百分比为1:2，以氩气作为工作气体，采用高功率脉冲磁控溅射方法在不锈钢基体表面沉积二硼化铬涂层，高功率脉冲电源的频率为100～300Hz，脉宽为20～200μs，脉冲电压为600～1200V，基底偏压为-10～-100V。