[发明专利]一种耐火元素掺杂的耐磨梯度HfMSiCN陶瓷层及其制备方法

说明书

本发明公开一种耐火元素掺杂的耐磨梯度HfMSiCN陶瓷层及其制备方法，属于Ti60合金表面改性技术领域，采用双层辉光等离子技术在Ti60试样表面制备出HfMSiCN梯度陶瓷层，所选择的耐火掺杂元素M分别为Ta、Zr、Nb、Ti，其种类对梯度HfMSiCN陶瓷层的高温耐磨性起到决定作用；以格栅状高纯Hf、Si、M、C为溅射靶材，靶材中每种元素的原子比为5~40%，氩气为工作气体，氮气为反应气体。HfMSiCN梯度陶瓷层包括沉积层、扩散层，其中扩散层与Ti60基体相连，能够提高涂层与基体之间的结合强度，提高基体的力学性能，降低高温摩擦系数，磨损率。

技术领域

本发明属于Ti60合金表面改性技术领域，具体涉及一种耐火元素掺杂的耐磨梯度HfMSiCN陶瓷层及其制备方法。

背景技术

随着海洋强国、制造强国战略的不断实施，海洋资源的开发离不开设备的更新换代，海洋船舶发动机的高温部件面临更严峻的服役环境。Ti60合金因其高比强度，优异的耐腐蚀性能、抗蠕变性能，在船舶、舰载机发动机关键部位有着广泛的应用价值，但其高温下耐磨性差、易氧化等缺点限制了其在发动机高温部位的进一步应用。由于高温摩擦磨损行为始端发生在Ti60合金表面，采用表面改性技术在Ti60零部件表面制备耐高温涂层，在保留基体材料原始优异性能的同时，使表面克服上述问题。

过渡金属碳化物(TMC)和氮化物(TMN)具有共价键、离子键和金属键的组合，由于其优异的性能，包括高硬度和熔点以及优异的热稳定性，被广泛用作有前途的陶瓷材料。岩盐结构中的许多结晶TMC和TMN，由于空位稳定，此外，过渡金属碳氮化物(TMCNs，M＝3d、4d或5d TM)表现出比其相应的纯碳化物和氮化物(如TaCN、NbCN、CrCN和HfCN)更优异的性能，如高硬度(H)、强度和韧性。Suxuan Du等人在期刊《SurfaceCoatings Technology》第328卷中“N dependent tribochemistry:Achieving superhard wear-resistant low-friction TaCxNy films”一文中研究了直流磁控溅射法沉积的TaC_xN_y涂层，该涂层中C和N原子占据Ta亚晶格的间隙位置以形成NaCl型TaC_xN_y固溶体。与TaC涂层相比，TaC_xN_y涂层显示出更好的磨损性能，和最小的磨损率。但是，溅射沉积的涂层与基体的结合力差，进一步限制了其应用范围，如耐高温氧化性差和超高温磨损条件下涂层易剥落。为进一步提高TMCNs涂层的性能。许多研究者通过将改性元素(Si，B)添加到TMCNs陶瓷涂层中以形成复合陶瓷涂层，获得具有低透氧性、中等热膨胀系数和高温磨损时高粘度的复合氧化物层来弥补TMCNs涂层的缺点。

近年来，各种含有N、B、C和其它元素的陶瓷涂层得到广泛应用，如Martin Matas等人在期刊《Acta Materialia》第206卷中“Dependence of characteristics of Hf(M)SiBCN(M＝Y,Ho,Ta,Mo)thin films on the M choice:Ab-initio and experimentalstudy”一文中研究了磁控溅射方法沉积的Hf(M)SiBCN涂层，表明选择合适的M种类和成分，可以在较低温度下获得高温稳定性好，高电导率的硬膜。但磁控溅射沉积的陶瓷层，与基体结合力差，限制了其应用范围。

目前，陶瓷涂层的制备方法主要有热喷涂技术、磁控溅射技术、激光熔覆技术。但均存在一些缺点：热喷涂技术虽然操作简单，制备周期短，不易产生变形和应力，但涂层与基体结合力差、厚度薄、易产生疏松多孔结构等，使其在高速重载环境下难以满足使用要求；激光熔覆技术由于瞬时能量高，制备过程中易造成金属液滴飞溅，容易在涂层表面形成小颗粒，导致涂层与基体结合力差；磁控溅射技术在涂层制备方面的应用虽然广泛，但制备的薄膜厚度有限，与基体结合力不足，难以保证涂层中各元素的百分比与靶材中相等。因此，亟需一种能够提高涂层与基体的结合强度，提高涂层的综合性能，工序简单的制备方法。

发明内容