应用于螺旋桨的抗磨耐腐蚀复合涂层及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于螺旋桨的抗磨耐腐蚀复合涂层及其制备方法。由采用多弧离子镀工艺涂覆的CrSiN涂层和TiAlN涂层组成，其中TiAlN涂层位于CrSiN涂层的上方。选取Cr-Si以及TiAl合金作为多弧离子镀靶材；待涂覆的螺旋桨作为阳极，Cr-Si合金为阴极，通入氮气作为反应气体，得到覆盖CrSiN涂层的螺旋桨；以覆盖CrSiN涂层的螺旋桨为阳极，TiAl合金为阴极，得到涂覆在螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层。本发明所研制的复合涂层，针对螺旋桨的特殊工作环境，能够同时满足螺旋桨对于耐腐耐磨两种性能的要求，将CrSiN涂层和TiAlN涂层结合起来，起到协同保护作用。
【专利说明】应用于螺旋桨的抗磨耐腐蚀复合涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于螺旋桨的抗磨耐腐蚀复合涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]船舶螺旋桨长期浸泡在海水中，海水中的盐类、溶解氧，海洋生物和腐败的有机物等，对螺旋桨均有腐蚀性。当螺旋桨运转时，和流体交互作用会受到较大的循环交变应力，加之海水中有较多的氯离子存在，因而使螺旋桨产生应力腐蚀。另外，桨叶表面的局部在使用时会形成涡流，在低压区不断有汽泡形成和破灭，从而造成桨叶表面紧密相连的空穴，即引起了空泡腐蚀。根据研究发现，提高螺旋桨表面的硬度能够有效的抵抗空泡腐蚀。当船舶在内河航行时，由于内河泥沙含量很大，会因磨损造成桨叶形状的改变和叶面光洁度降低，使船的油耗增加，振动加剧，船速降低。
[0003]因此要求舰船螺旋桨的材料具有较高的耐海水腐蚀，高硬度以及良好的耐磨性能。目前广泛使用锰铜合金制备船用螺旋桨。锰铜合金在铸态下的机械性能良好，但是在海水环境中对应力腐蚀相当敏感，并有严重的脱成分倾向。并且在江河中运行的螺旋桨还会受到泥沙的冲击磨损。这些因素导致了螺旋桨使用寿命变短。
[0004]我们可以通过在现有螺旋桨的表面制备高性能涂层来提高螺旋桨的整体性能。陶瓷材料本身具有高硬度、耐海水腐蚀性以及良好的耐磨性能，可以满足螺旋桨的使用要求。然后目前单一的陶瓷涂层难以同时获得满意的耐腐蚀与耐磨损性能，因此需要研发一种复合涂层来满足使用要求。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的不足，提高螺旋桨的使用寿命，本发明在螺旋桨表面引入抗磨耐腐蚀复合涂层提高在复杂环境下使用的螺旋桨的使用寿命，适合于工业化推广，另外还提供了在螺旋桨上应用该复合涂层的制备方法。
[0006]采用技术方案如下:
[0007]应用于螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层，由采用多弧离子镀工艺涂覆的CrSiN涂层和TiAlN涂层组成，其中TiAlN涂层位于CrSiN涂层的上方。
[0008]按上述方案，CrSiN涂层厚度为1~5 μ m ；TiAlN涂层厚度为1~3 μ m。
[0009]上述应用于螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0010]选取Cr-Si以及TiAl合金作为多弧离子镀靶材；
[0011]待涂覆的螺旋桨作为阳极，Cr-Si合金为阴极，通入氮气作为反应气体，采用的多弧离子镀工艺参数为真空度1.5Pa~2.7Pa，加热温度300°C~400°C，靶弧电流设置80A~120A，负偏压-150V~-200V，沉积时间IOmin~60min，得到覆盖CrSiN涂层的螺旋桨；
[0012]以覆盖CrSiN涂层的螺旋桨为阳极，TiAl合金为阴极，通入氮气作为反应气体，多弧离子镀工艺参数为真空度1.5Pa~2.7Pa ;加热温度150°C~350°C，靶弧电流60A~100A ;负偏压-200V~-400V ;沉积时间IOmin~60min，真空条件下炉冷到室温取出，得到涂覆在螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层。
[0013]按上述方案，Cr-Si合金中Cr含量为40wt%~60wt% ；TiAl合金中Ti含量为60wt% ~80wt%。
[0014]本发明的有益效果:
[0015](I)本发明所采用的多弧离子镀工艺比常规热喷涂工艺所制备的涂层结合力更大，能够使螺旋桨在运行时，涂层不易脱落。
[0016](2)本发明所研制的复合涂层，能够同时满足螺旋桨对于耐腐耐磨两种性能的要求。其中，CrSiN涂层耐腐蚀性能优异；TiAlN涂层具有高硬度，耐磨性能良好。针对螺旋桨的特殊工作环境，将CrSiN涂层和TiAlN涂层结合起来，起到了协同保护作用。
[0017](3)该双层薄膜制备工艺简便，易于控制，生产周期短，操作方便。可以延长螺旋桨的使用寿命，适合于工业化推广。
【具体实施方式】
[0018]为了更好理解本发明下面结合具体的实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0019]应用于螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层，由采用多弧离子镀工艺涂覆的CrSiN涂层和TiAlN涂层组成，其中TiAlN涂层位于CrSiN涂层的上方。CrSiN涂层主要作用为防腐，TiAlN涂层主要作用为耐磨，同时两者复合使用还有一定的协同促进作用，应用在螺旋桨的表面，在复杂水文环 境下可以大大提高螺旋桨的使用寿命。
[0020]经过试验证明，本发明应用于螺旋桨表面，CrSiN涂层厚度最宜为I~5μπι ;TiAlN涂层厚度最宜为I~3 μ m。
[0021]在螺旋桨表面制备本发明的抗磨耐腐蚀复合涂层过程如下:
[0022]待涂覆的螺旋桨作为阳极，Cr-Si合金为阴极，通入氮气作为反应气体。采用的多弧离子镀工艺参数为真空度1.5Pa~2.7Pa，加热温度300°C~400°C，靶弧电流设置80A~120A，负偏压-150V~-200V，沉积时间IOmin~60min。得到覆盖CrSiN涂层的螺旋桨；
[0023]更换TiAl合金为阴极，通入氮气作为反应气体，多弧离子镀工艺参数为真空度
1.5Pa~2.7Pa ;加热温度150。。~350°C，靶弧电流60A~100A ;负偏压-200V~-400V ；沉积时间IOmin~60min。真空条件下炉冷到室温取出，得到应用在螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层。
[0024]多弧离子镀制备应用于螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层过程中，所使用的Cr-Si合金靶材中Cr含量为40wt%~60wt% ；TiAl合金靶材中Ti含量为60wt%~80wt%，靶材中各组分的含量决定了涂层的组织及性能。
[0025]采用GB6458-86盐雾试验国家标准,对复合涂层试样进行盐雾腐蚀实验。将实验放入盐雾试验箱中，经过200~300小时盐雾腐蚀实验，试样表面完整。
[0026]在M2000磨损试验机上进行磨损实验。块状上试样为涂层试样，环状下试样为GCrl5(6015HRC)。磨损时间20-60分钟，结果表明实验表面未出现剥落，采用扫描电镜观测到复合涂层未被磨穿。
[0027]实施例1
[0028]选取实验用小型锰铜螺旋桨，对螺旋桨做预处理:将基片放置在碱洗液中，加热到90°C清洗10分钟，去除基片油迹。然后将基片在去离子水中清洗5分钟，再放入丙酮中超声清洗10分钟；在无水乙醇超声波清洗，放置在真空容器中保存备用。
[0029]选取Cr-Si以及TiAl合金靶材作为多弧离子镀靶材:靶材大小为直径70-100mmX30-50mm 备用。Cr-Si 靶材中 Cr 含量为 50wt% ；TiAl 靶材中，Ti 含量为 70wt%。
[0030]将上述处理后的螺旋桨安装在多弧离子镀设备的基片台作为阳极，将上述Cr-Si靶材装入多弧离子镀的弧头中，作为阴极，通入氮气作为反应气体。多弧离子镀工艺参数为:真空度2.66Pa ;加热温度380°C，靶弧电流80A ;负偏压-150V ;沉积时间60min ;所得到的CrSiN涂层厚度为3 μ m。
[0031]更换为TiAl靶材，通入氮气，调整多弧离子镀工艺参数为:真空度2.0Pa ;加热温度200°C;靶弧电流60A ;负偏压-200V ;沉积时间60min ;真空炉冷至室温取出，得到应用于螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层，其中TiAlN涂层厚度为3 μ m，复合涂层厚度为6 μ m。
[0032]将制备完成后的试样放置在盐雾腐蚀箱中进行耐腐蚀性能测试，经过300小时的盐雾试验，试样表面完整。之后将试样放置在M2000型磨损试验机上进行60分钟磨损实验，实验表面未出现剥落，采用扫描电镜观测到复合涂层未被磨穿。
[0033]对比例I
[0034]重复实施例制备过程，制作厚度为6μ m的CrSiN涂层，但不制作TiAlN涂层。
[0035]试样按照实施例1所述进行耐腐蚀实验，试样经过300小时盐雾腐蚀实验无明显变化，但涂层表面出现少量点蚀。
[0036]试样按照实施例1所述进行耐磨性实验，由于CrSiN相对于TiAlN较软，试样经过30分钟的磨损，涂层发生剥落。
[0037]对比例2
[0038]重复实施例制备过程，制作厚度为6μ m的TiAlN涂层，但不制作CrSiN涂层。
[0039]试样按照实施例1所述进行耐腐蚀实验，试样经过100小时盐雾腐蚀实验，涂层表面出现点蚀。
[0040]试样按照实施例1所述进行耐磨性实验，试样经过60分钟的磨损，涂层表面未出现剥落，采用扫描电镜观测到复合涂层未被磨穿。
[0041]实施例2
[0042]重复实施例1的制备过程，但改变以下工艺参数:
[0043]Cr-Si靶材中Cr含量为40wt% ；TiAl靶材中，Ti含量为80wt%。
[0044]CrSiN涂层制备过程多弧离子镀的参数为:真空度1.5Pa，加热温度为300°C，靶弧电流设置80A，负偏压为-200V ;沉积时间为lOmin。制作厚度为I μ m。
[0045]TiAlN涂层制备过程多弧离子镀的参数为:真空度控制在1.5Pa ;加热温度为150°C，靶弧电流设置为60A，负偏压为-400V，沉积时间为lOmin。制作厚度为3 μ m。
[0046]按照实施例1所述进行耐腐蚀实验，复合涂层经过160小时的盐雾试验，试样表面未出现点蚀。
[0047]按照实施例1所述进行耐磨性实验，试样经过50分钟的测试，表面未出现剥落。
[0048]实施例3
[0049]重复实施例1的制备过程，但改变以下工艺参数:
[0050]Cr-Si靶材中Cr含量为60wt% ；TiAl靶材中，Ti含量为60wt%。[0051]CrSiN涂层制备过程多弧离子镀的参数为:真空度2.7Pa，加热温度为400°C，靶弧电流设置120A，负偏压为-150V ;沉积时间为60min。制作厚度为5 μ m。
[0052]TiAlN涂层制备过程多弧离子镀的参数为:真空度控制在2.7Pa;加热温度为350°C，靶弧电流设置为100A，负偏压为-200V，沉积时间为60min。制作厚度为I μ m。
[0053]将制备完成后的试样放置在盐雾腐蚀箱中进行耐腐蚀性能测试，经过300小时的盐雾试验，试样表面完整未出现点蚀。
[0054]将试样放置在M2000型磨损试验机上进行磨损实验，经过50分钟的测试，试样表面未出现脱落。
【权利要求】
1.应用于螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层，其特征在于由采用多弧离子镀工艺涂覆的CrSiN涂层和TiAlN涂层组成，其中TiAlN涂层位于CrSiN涂层的上方。
2.如权利要求1所述的应用于螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层，其特征在于所述的CrSiN涂层厚度为I~5 μ m ;所述的TiAlN涂层厚度为I~3 μ m。
3.权利要求1或2所述应用于螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 选取Cr-Si以及TiAl合金作为多弧离子镀靶材； 待涂覆的螺旋桨作为阳极，Cr-Si合金为阴极，通入氮气作为反应气体，采用的多弧离子镀工艺参数为真空度1.5Pa~2.7Pa，加热温度300°C~400°C，靶弧电流设置80A~120A，负偏压-150V~-200V，沉积时间IOmin~60min，得到覆盖CrSiN涂层的螺旋桨； 以覆盖CrSiN涂层的螺旋桨为阳极，TiAl合金为阴极，通入氮气作为反应气体，多弧离子镀工艺参数为真空度1.5Pa~2.7Pa ;加热温度150°C~350°C，靶弧电流60A~100A ;负偏压-200V~-400V ;沉积时间IOmin~60min，真空条件下炉冷到室温取出，得到涂覆在螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层。
4.如权利要求3所述的应用于螺旋桨表面的抗磨耐腐蚀复合涂层的制备方法，其特征在于Cr-Si合金中Cr含量为40wt%~60wt% ；TiAl合金中Ti含量为60wt%~80wt%。
【文档编号】C23C14/06GK103789727SQ201410064091
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】吴卫国, 张朴 申请人:武汉理工大学