[发明专利]硼化铬基涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及用硼化物对金属材料的镀覆，具体地说是硼化铬基涂层的制备方法。

背景技术

随着航空、航天及现代新制造业的飞速发展，对材料耐高温和耐磨性的要求越来越严格。如在航天领域，许多零件往往需要在超高温和高真空强腐蚀的极端条件下工作，此时对材料的熔点和耐腐蚀性具有非常苛刻的条件要求；另外，由于钛合金、高硅铝合金和碳纤维复合材料在航空领域的使用越来越多，难切削材料越来越多，对切削刀具的硬度要求越来越高，传统刀具已难以满足要求。二硼化铬(CrB₂)涂层具有高熔点、高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性，再加上其良好的化学惰性以及不易与金属粘结的特点，因而在航空航天的超高温结构部件、耐火材料、硬质工具材料以及耐磨部件领域有着十分广阔的应用前景。但是，硼化铬块体材料的制备工艺复杂，由于熔点较高，不仅烧结温度较高，制备的周期较长，且存在难以获得致密的大尺寸部件的难题，限制了它在苛刻作业环境下的应用。

目前，国内外制备二硼化铬涂层将硼化铬沉积于基体材料的技术有：气相沉积法、熔渣法、激光合金化法。

(1)气相沉积法：可以分为化学气相沉积法和物理气相沉积法两种。

化学气相沉积法：即CVD法，是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学应，并把固体产物沉积到表面生成薄膜的过程。首先将含有构成涂层元素的化合物或单质原料注入到放置有基底的反应室内，然后与原料发生分解、合成、扩散、吸附等过程，最终在基体表面形成薄膜。反应的类型主要包括：热分解、氢还原、金属还原、化学传输和氧化。Motojima等【Motojima S,Sugiyama K.Chemical vapour growth of CrB₂and CrB crystals.Journal of CrystalGrowth,1981,51(3):568-572.】采用CrCl₂、BCl₃和H₂在1050-1100℃的反应温度下制备了CrB₂和CrB晶体薄膜。Jayaraman等【Jayaraman S,Klein E J,Yang Y,et al.Chromium diboride thin films by low temperature chemical vapor deposition.Journal of Vacuum Science&Technology A,2005,23(4):631-633】采用单一前驱体Cr(B₃H₈)₂在较低温度(200-400℃)下制备了CrB₂薄膜。

物理气相沉积法：即PVD法，与化学气相沉积法相对应，是指在真空条件下，采用物理方法，将材料源—固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体或等离子体过程在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。首先是镀料的气化，然后由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，发生多种反应，最后沉积在基体上，获得一定的薄膜。Dahm等【Audronis M,Kelly P J,Arnell R D,et al.The structure and properties of chromium diboride coatings deposited by pulsed magnetron sputtering of powder targets.Surface&Coatings Technology,2005,200(s5-6):1366-1371.】采用非平衡磁控溅射CrB₂靶材的方法，通过调节靶基距、气压和基体偏压获得了CrB₂涂层，CrB₂涂层具有高硬度、优异的耐磨性和耐腐蚀性。张树参【张树参.二硼化铬涂层的制备及其结构和性能的研究.太原：中北大学，2016.】采用高功率脉冲磁控溅射沉积技术获得了CrB₂涂层，涂层厚度约为2.4μm。