[发明专利]一种低摩擦系数高耐磨的CrAlN/CrAlSiN/TaC复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开一种低摩擦系数高耐磨的CrAlN/CrAlSiN/TaC复合涂层及其制备方法，制备包括如下步骤：1)首先通过等离子氮化技术提高TC4钛合金表面硬度，2)沉积复合涂层前对TC4钛合金表面进行离子清洗，3)沉积CrAlN过渡层10～30min，4)沉积CrAlSiN中间层60～120min，5)最后沉积TaC涂层30～60min。通过控制沉积时间和基体偏压，在等离子氮化处理后的TC4钛合金表面沉积高硬度和耐磨性能优良的复合涂层，显著提高了TC4钛合金表面硬度和耐磨性能。

技术领域

本发明属于涂层领域，特别涉及一种低摩擦系数高耐磨的CrAlN/CrAlSiN/TaC复合涂层及其制备方法。

背景技术

钛合金具有低密度、比强度高、耐腐蚀等优良的综合性能，被广泛地应用在航空、航天、航海和化工等领域，被誉为“第三代金属”，是一种重要的结构金属，同样也是一种重要的战略金属材料。我国钛矿储存量居全球首位，但是钛合金的制造及应用量远不及发达国家。虽然钛合金在我国具有十分广阔的发展市场，但是钛合金表面硬度低、耐磨性差和抗高温氧化性能差等缺点严重限制了钛合金的发展。

开发新型钛合金的时间长、成本巨大，对钛合金进行表面改性处理，既可以有效利用钛合金本身的优点，也可以弥补钛合金的缺点。常用的表面改性技术有：(1)激光熔覆技术，具有能生成大量的中间强化相，加工范围灵活，且激光能量可控，熔覆材料多样等优点，但是激光熔覆易形成气孔、氧化、成分偏析和较大残余应等缺陷；(2)等离子喷涂技术，具有工艺简单、成本低和可制备大面积厚涂层等优点，但是存在涂层孔隙率高、涂层与基体间结合强度差和材料疲劳强度低等问题；(3)微弧氧化技术，具有高硬度、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等优良性能，但是存在涂层为疏松多孔结构，耐磨性和耐蚀性差；(4)多弧离子镀技术，具有镀膜环境为真空，无污染，沉积速度快，膜层均匀等优点。目前采用多弧离子镀技术对钛合金进行表面改性的相关报道较少，尤其是使用多弧离子镀技术制备TaC涂层的报道更少。

单层CrAlN涂层具有较高的硬度、低摩擦系数等优点，CrAlSiN涂层具有极高的硬度、优良的耐磨性和高延展性等特点，TaC涂层具有高的耐磨性、耐腐蚀性、低摩擦系数和良好的生物相容性等优点。在TC4钛合金表面制备此三种涂层的复合涂层，既能够保留TC4钛合金本身的优点，又能显著提高TC4钛合金表面硬度和耐磨性。

发明内容

本发明的目的在于提高钛合金的硬度和耐磨性能，提供一种低摩擦系数高耐磨的CrAlN/CrAlSiN/TaC复合涂层及其制备方法，该方法首先通过等离子氮化技术提高TC4钛合金的表面硬度，然后以多弧离子镀技术制备CrAlN过渡层、CrAlSiN中间层和TaC表面层，具有极高的高硬度和优良的耐磨性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种低摩擦系数高耐磨的CrAlN/CrAlSiN/TaC复合涂层及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将TC4钛合金板材线切割成10mm×10mm×4mm大小的样品，然后用砂纸和抛光机进行打磨抛光，并进行清洗；

步骤二、将步骤一中的样品进行等离子渗氮；

步骤三、将步骤二中的样品垂直悬挂于多弧离子镀腔室内的转架上进行沉积复合涂层；

步骤四、沉积结束后，关电源，停止通氩气和氮气，样品随炉冷却到室温后取出。

进一步地，步骤一所述样品分别置于无水乙醇、丙酮和去离子水中超声清洗10～15min，取出烘干；

进一步地，步骤二所述等离子渗氮的温度为850～950℃，并进行保温6～8h；

进一步地，步骤三中沉积复合涂层需要的靶材为2个CrAl靶、2个AlSi靶、2个纯Ta靶和2个石墨靶，所需工作气体为氩气和氮气；

进一步地，步骤三中的镀膜工艺为：