一种钛合金保护涂层及其制备方法与流程

本发明涉及钛合金表面涂层技术领域，尤其涉及一种钛合金保护涂层及其制备方法。

背景技术：

钛合金具有比重小、强度高、耐蚀性好的特点，在重视部件重量的航空航天领域具有广阔的应用空间。但是，由于钛合金的表面硬度低，常常表现为在滑动摩擦条件下不稳定的摩擦系数和摩擦导致钝化膜被破坏，从而带来高磨损，使其在摩擦学领域的应用受到限制。

在钛合金表面制备保护涂层是解决其在摩擦学领域应用受限的有效手段，但由于通常制备的涂层硬度(10gpa以上)与钛合金硬度(3～5gpa)之间差异较大，导致涂层与钛合金基体力学性能失衡、应力过大、涂层承载能力弱，严重限制了钛合金在重载条件下的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钛合金保护涂层及其制备方法，本发明所提供的钛合金保护涂层具有高承载和低摩擦的优点。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种钛合金保护涂层，从内到外依次为类冶金混合界面层、crn层、crcn层和cr掺杂的dlc层；所述类冶金混合界面层通过离子注入沉积法注入氮离子得到。

优选的，所述类冶金混合界面层的厚度为0.01～1μm。

优选的，所述crn层的厚度为0.5～1.5μm。

优选的，所述crcn层的厚度为0.5～2.0μm。

优选的，所述cr掺杂的dlc层的厚度为1.0～2.5μm。

本发明还提供了一种上述技术方案所述的钛合金保护涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)在钛合金基体表面进行氮离子注入，得到类冶金混合界面层；

(2)在所述类冶金混合界面层表面，通过等离子体增强物理气相沉积法依次沉积crn层、crcn层和cr掺杂的dlc层，得到钛合金保护涂层。

优选的，所述氮离子注入的氮气流量为50～150sccm，氮气气压为0.2～0.8pa，射频功率为0.5～1.5kw，注入电压为20～40kv，注入频率为50～300hz，注入脉宽为10～50μs，注入时间为2～8h。

优选的，沉积所述crn层时的真空室气压为0.1～1.0pa，氩气流量为100～300sccm，氮气流量为(0sccm,100sccm]，铬靶电流为5～20a，偏压为-150～-60v，沉积时间为30～90min。

优选的，沉积所述crcn层时的真空室气压为0.1～1.0pa，氩气流量为100～300sccm，氮气流量为(0sccm,100sccm]，甲烷气体流量为(0sccm,150sccm]，铬靶电流为5～20a，偏压为-150～-60v，沉积时间为30～120min。

优选的，沉积所述cr掺杂的dlc层时的真空室气压为0.1～1.0pa，氩气流量为100～300sccm，甲烷气体流量为(0sccm,150sccm]，铬靶电流为5～20a，偏压为-150～-60v，沉积时间为60～240min。

本发明提供了一种钛合金保护涂层，从内到外依次为类冶金混合界面层、crn层、crcn层和cr掺杂的dlc层；所述类冶金混合界面层通过离子注入沉积法注入氮离子得到。在本发明中，所述离子注入沉积法制备的类冶金混合界面层形成了从芯部到表面硬度的梯度增加，在此基础上，依次设置crn层、crcn层和cr掺杂的dlc层，硬度逐步增大，避免了直接在钛合金表面上沉积涂层时出现硬度突变的问题，能够承载较高的压力，且cr元素掺杂的表面工作层在摩擦时能保持摩擦系数低于0.1。本发明所提供的钛合金保护涂层在承载500mpa的压力后，表面没有受到任何损伤，且摩擦系数仅为0.07。

附图说明

图1钛合金保护涂层示意图；

图2实施例1所得钛合金关节轴承内圈保护涂层的结构示意图，图中，1为钛合金关节轴承内圈，2为钛合金关节轴承外圈，3为钛合金关节轴承内圈外表面保护涂层，4为钛合金关节轴承外圈内表面粘接的自润滑衬垫ptfe。

具体实施方式

本发明提供了一种钛合金保护涂层，从内到外依次为类冶金混合界面层、crn层、crcn层和cr掺杂的dlc层；所述类冶金混合界面层通过离子注入沉积法注入氮离子得到。在本发明中，所述离子注入沉积法制备的类冶金混合界面层形成了从芯部到表面硬度的梯度增加，在此基础上，依次设置crn层、crcn层和cr掺杂的dlc层，硬度逐步增大，避免了直接在钛合金表面上沉积涂层时出现硬度突变的问题，且cr元素掺杂的表面工作层在摩擦时能保持摩擦系数低于0.1。

为了更清楚的说明本发明所提供的钛合金保护涂层，下面结合图1进行详细介绍。如图1所示，在钛合金基体上是类冶金混合界面层，然后从内到外依次为crn层、crcn层和cr掺杂的dlc层。

在本发明中，所述类冶金混合界面层的厚度优选为0.01～1μm。

在本发明中，所述crn层的厚度优选为0.5～1.5μm，更优选为0.8～1.2μm。

在本发明中，所述crcn层的厚度优选为0.5～2.0μm，更优选为1.0～1.5μm。

在本发明中，所述cr掺杂的dlc层的厚度优选为1.0～2.5μm，更优选为1.2～1.8μm。

在本发明中，所述类冶金混合界面层、crn层和crcn层作为支撑层，合理的支撑层厚度能够有效支撑表面cr掺杂的dlc层，使得钛合金保护涂层具有更大的压力承受能力。

在本发明中，所述crn层、crcn层和cr掺杂的dlc层优选独立地采用等离子体增强物理气相沉积法制备得到。在本发明中，所述等离子体增强物理气相沉积法制备的涂层具有均匀致密的优势。

本发明还提供了一种上述技术方案所述的钛合金保护涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)在钛合金基体表面进行氮离子注入，得到类冶金混合界面层；

(2)在所述类冶金混合界面层表面，通过等离子体增强物理气相沉积法依次沉积crn层、crcn层和cr掺杂的dlc层。

本发明优选将钛合金基体进行预处理。

在本发明中，所述预处理优选包括清洗和干燥；本发明对所述清洗和干燥的方式没有特殊限定，能够得到清洁、干燥的钛合金基体即可。

在本发明实施例中，所述清洗优选为超声清洗；所述超声清洗的时间优选为10～20min；所述超声清洗所用的清洗剂优选为水基清洗剂，更优选为碱性水基清洗剂。在本发明中，上述清洗方式可以将钛合金基体表面的油脂和其他污染物去除。

在本发明实施例中，所述清洗后的钛合金基体的干燥方式优选为真空干燥；所述真空干燥的温度优选为110～130℃；所述真空干燥的时间优选为15～20min。

预处理完成后，本发明在预处理后的钛合金基体表面进行氮离子注入，得到类冶金混合界面层。

在本发明中，所述氮离子注入可以在钛合金基体表面形成“钉扎”效果，从而形成类冶金混合界面层。

在本发明实施例中，所述在预处理后的钛合金基体表面进行氮离子注入的具体步骤优选为将预处理后的钛合金基体装在夹具上，放入真空室的旋转架上，当真空室真空度达到5×10^-3pa后，通入氮气，调节各参数，进行氮离子注入。

在本发明中，所述氮离子注入的氮气流量优选为50～150sccm，更优选为80～120sccm；氮气气压优选为0.2～0.8pa，更优选为0.4～0.6pa；射频功率优选为0.5～1.5kw，更优选为0.8～1.2kw；注入电压优选为20～40kv，更优选为25～35kv；注入频率优选为50～300hz，更优选为150～200hz；注入脉宽优选为10～50μs，更优选为20～35μs；注入时间优选为2～8h，更优选为4～6h。在本发明中，所述氮离子注入过程中，氮气的流量优选在上述范围内逐渐增大，氮气的气压优选在上述范围内逐渐增大。在本发明中，控制氮气流量和气压缓慢增大，能够使得到的类冶金混合界面层的致密性逐渐增大。

氮离子注入完成后，本发明优选采用辉光等离子体清洗所述类冶金混合界面层的表面，然后在清洗后的类冶金混合界面层表面，通过等离子体增强物理气相沉积法依次沉积crn层、crcn层和cr掺杂的dlc层，得到钛合金保护涂层。在本发明中，所述辉光等离子体清洗能够将类冶金混合界面层的表面氧化物去除，以利于后续的沉积。

在本发明中，所述辉光等离子体清洗的偏压优选为-800～-500v；所述辉光等离子体清洗的时间优选为25～65min。

在本发明中，沉积所述crn层时的真空室气压优选为0.1～1.0pa，更优选为0.3～0.8pa；氩气流量优选为100～300sccm，更优选为150～250sccm；氮气流量优选为(0sccm,100sccm]，更优选为30～80sccm；铬靶电流优选为5～20a，更优选为8～15a；偏压优选为-150～-60v，更优选为-120～-80v；沉积时间优选为30～90min，更优选为50～70min。在本发明中，沉积所述crn层时，氮气的流量优选为从小逐渐增大。在本发明中，控制氮气流量缓慢增大，能够使得到的crn层的致密性逐渐增大。

在本发明中，沉积所述crcn层时的真空室气压优选为0.1～1.0pa，更优选为0.3～0.8pa；氩气流量优选为100～300sccm，更优选为150～250sccm；氮气流量优选为(0sccm,100sccm]，更优选为30～80sccm；甲烷气体流量优选为(0sccm,150sccm]，更优选为50～100sccm；铬靶电流优选为5～20a，更优选为8～15a；偏压优选为-150～-60v，更优选为-120～-80v；沉积时间优选为30～120min，更优选为80～100min。在本发明中，沉积所述crcn层时，氮气的流量优选为在上述范围内逐渐减小；甲烷气体流量优选在上述范围内逐渐增大。在本发明中，控制氮气流量缓慢减小，甲烷气体流量逐渐增大，能够使得到的crcn层的致密性逐渐增大。

在本发明中，沉积所述cr掺杂的dlc层时的真空室气压为0.1～1.0pa，更优选为0.3～0.8pa；氩气流量优选为100～300sccm，更优选为150～250sccm；甲烷气体流量优选为(0sccm,150sccm]，更优选为50～100sccm；铬靶电流优选为5～20a，更优选为10～15a；偏压优选为-150～-60v，更优选为-110～-90v；沉积时间优选为60～240min，更优选为130～190min。在本发明中，沉积所述cr掺杂的dlc层时，氩气和甲烷气体流量优选在上述范围内逐渐增大，铬靶电流优选逐渐减小，偏压优选逐渐减小。在本发明中，控制甲烷气体流量逐渐增大，能够使得到的cr掺杂的dlc层的致密性逐渐增大。

下面结合实施例对本发明提供的一种钛合金保护涂层及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

1.用工业专用七槽超声波清洗钛合金关节轴承内圈，清洗时间15min，清洗后吹干并在真空烘干箱中保温干燥15min；

2.将清洗干净的关节轴承内圈安装在卡具杆上，装入真空室旋转架上，然后当真空室真空度达到5×10^-3pa后，开启射频电源进行氮离子注入，所述氮离子注入工艺为：氮气的流量从120sccm逐渐增大至150sccm，氮气的气压从0.6pa逐渐增大至0.8pa，射频功率0.5kw，注入电压20kv，注入频率100hz，注入脉宽20μs，注入时间8h；注入完成后得到类冶金混合界面层；

3.用辉光等离子体清洗所述类冶金混合界面层表面，所述清洗的偏压为-800v，清洗的时间为30min；

4.完成清洗后，采用等离子体增强物理气相沉积法在清洗后的类冶金混合界面层表面依次沉积crn层、crcn层和cr掺杂dlc层；沉积所述crn层时的工艺参数为：真空室气压0.3～0.5pa，氮气流量从20sccm逐渐增大至50sccm，铬靶电流6～8a，偏压-80～-60v，沉积时间60min；沉积所述crcn层时的工艺参数为：真空室气压0.3～0.5pa，氮气流量从50sccm逐渐下降至10sccm，甲烷气体流量从30sccm逐渐增大至80sccm，铬靶电流8～10a，偏压-100～-80v，沉积时间60min；沉积所述cr掺杂dlc层时的工艺参数为：真空室气压0.1～0.3pa，氩气流量从100sccm逐渐增大至150sccm，甲烷气体流量从80sccm逐渐增大至120sccm，铬靶电流从12a逐渐减小至10a，偏压从-100v逐渐减小至-120v，沉积时间240min，得到钛合金关节轴承内圈保护涂层。

图2为本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层的结构示意图，包括钛合金关节轴承内圈1，钛合金关节轴承外圈2，钛合金关节轴承内圈外表面保护涂层3，以及钛合金关节轴承外圈内表面粘接的自润滑衬垫ptfe4。

经俄歇电子能谱仪测量所得钛合金关节轴承内圈保护涂层的类冶金混合层厚度为0.5μm；经扫描电子显微镜测量所述crn层厚度为0.9μm；所述crcn层厚度为1.2μm；所述cr-dlc层厚度为1.5μm。

将本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在500mpa静载荷下保压5min后，经表面形貌检查无任何损伤，说明本发明所提供的保护涂层具有较高的承载能力。

采用摆动摩擦磨损试验机测得本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在摩擦时的摩擦系数为0.07，耐磨性提高3倍，说明本发明所提供的保护涂层具有摩擦系数低、耐磨性高的优势，具有减摩、耐磨性能，适用于摩擦学领域的应用。

实施例2

1.按照实施例1步骤1所述的方法处理钛合金关键轴承内圈；

2.将清洗干净的关节轴承内圈安装在卡具杆上，装入真空室旋转架上，然后当真空室真空度达到5×10^-3pa后，开启射频电源进行氮离子注入，所述氮离子注入工艺为：氮气的流量从80sccm逐渐增大至120sccm，氮气的气压从0.4pa逐渐增大至0.6pa，射频功率1kw，注入电压40kv，注入频率100hz，注入脉宽20μs，注入时间4h；注入完成后得到类冶金混合界面层；

3.按照实施例1步骤3所述的方法对所述步骤2得到的类冶金混合界面表面进行辉光等离子体；

4.完成清洗后，按照实施例1步骤4的方法在步骤3清洗得到的类冶金混合界面层表面依次沉积crn层、crcn层和cr掺杂dlc层。

经俄歇电子能谱仪测量所得钛合金关节轴承内圈保护涂层的类冶金混合层厚度为0.2μm；经扫描电子显微镜测量所述crn层厚度为0.9μm；所述crcn层厚度为1.2μm；所述cr-dlc层厚度为1.5μm。

将本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在500mpa静载荷下保压5min后，经表面形貌检查无任何损伤，说明本发明所提供的保护涂层具有较高的承载能力。

采用摆动摩擦磨损试验机测得本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在摩擦时的摩擦系数为0.07，耐磨性提高了近3倍，说明本发明所提供的保护涂层具有摩擦系数低、耐磨性高的优势，具有减摩、耐磨性能，适用于摩擦学领域的应用。

实施例3

1.按照实施例1步骤1所述的方法处理钛合金关键轴承内圈；

2.按照实施例1步骤2所述的方法制备类冶金混合界面层；

3.用辉光等离子体清洗所述类冶金混合界面层表面，所述清洗的偏压为-500v，清洗的时间为60min；

4.完成清洗后，按照实施例1步骤4的方法在步骤3清洗得到的类冶金混合界面层表面依次沉积crn层、crcn层和cr掺杂dlc层。

经俄歇电子能谱仪测量所得钛合金关节轴承内圈保护涂层的类冶金混合层厚度为0.5μm；经扫描电子显微镜测量所述crn层厚度为0.9μm；所述crcn层厚度为1.2μm；所述cr-dlc层厚度为1.5μm。

将本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在500mpa静载荷下保压5min后，经表面形貌检查无任何损伤，说明本发明所提供的保护涂层具有较高的承载能力。

采用摆动摩擦磨损试验机测得本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在摩擦时的摩擦系数为0.07，耐磨性提高了近3倍，说明本发明所提供的保护涂层具有摩擦系数低、耐磨性高的优势，具有减摩、耐磨性能，适用于摩擦学领域的应用。

实施例4

1.按照实施例1步骤1所述的方法处理钛合金关键轴承内圈；

2.按照实施例1步骤2所述的方法制备类冶金混合界面层；

3.按照实施例1步骤3所述的方法对所述步骤2得到的类冶金混合界面表面进行辉光等离子体；

4.完成清洗后，采用等离子体增强物理气相沉积法在清洗后的类冶金混合界面层表面依次沉积crn层、crcn层和cr掺杂dlc层；

沉积所述crn层时的工艺参数为：真空室气压0.3～0.5pa，氮气流量从50sccm逐渐增大至80sccm，铬靶电流8～10a，偏压-100～-80v，沉积时间45min；

按照实施例1步骤4中沉积crcn层和cr掺杂dlc层的方法在所述crn上依次沉积crcn层和cr掺杂dlc层，得到钛合金关节轴承内圈保护涂层。

经俄歇电子能谱仪测量所得钛合金关节轴承内圈保护涂层的类冶金混合层厚度为0.5μm；经扫描电子显微镜测量所述crn层厚度为1.0μm；所述crcn层厚度为1.2μm；所述cr-dlc层厚度为1.5μm。

将本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在500mpa静载荷下保压5min后，经表面形貌检查无任何损伤，说明本发明所提供的保护涂层具有较高的承载能力。

采用摆动摩擦磨损试验机测得本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在摩擦时的摩擦系数为0.07，耐磨性提高了近3倍，说明本发明所提供的保护涂层具有摩擦系数低、耐磨性高的优势，具有减摩、耐磨性能，适用于摩擦学领域的应用。

实施例5

1.按照实施例1步骤1所述的方法处理钛合金关键轴承内圈；

2.按照实施例1步骤2所述的方法制备类冶金混合界面层；

3.按照实施例1步骤3所述的方法对所述步骤2得到的类冶金混合界面表面进行辉光等离子体；

4.完成清洗后，采用等离子体增强物理气相沉积法在清洗后的类冶金混合界面层表面依次沉积crn层、crcn层和cr掺杂dlc层；

按照实施例1步骤4中沉积crn层的方法在所述类冶金混合界面层表面沉积crn；

沉积所述crcn层时的工艺参数为：真空室气压0.5～0.8pa，氮气流量从60sccm逐渐下降至40sccm，甲烷气体流量从60sccm逐渐增大至80sccm，铬靶电流10～12a，偏压-100～-80v，沉积时间70min；

按照实施例1步骤4中沉积cr掺杂dlc层的方法在所述crcn层表面沉积cr掺杂dlc层，得到钛合金关节轴承内圈保护涂层。

经俄歇电子能谱仪测量所得钛合金关节轴承内圈保护涂层的类冶金混合层厚度为0.5μm；经扫描电子显微镜测量所述crn层厚度为0.9μm；所述crcn层厚度为1.4μm；所述cr-dlc层厚度为1.5μm。

将本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在500mpa静载荷下保压5min后，经表面形貌检查无任何损伤，说明本发明所提供的保护涂层具有较高的承载能力。

采用摆动摩擦磨损试验机测得本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在摩擦时的摩擦系数为0.07，耐磨性提高了近3倍，说明本发明所提供的保护涂层具有摩擦系数低、耐磨性高的优势，具有减摩、耐磨性能，适用于摩擦学领域的应用。

实施例6

1.按照实施例1步骤1所述的方法处理钛合金关键轴承内圈；

2.按照实施例1步骤2所述的方法制备类冶金混合界面层；

3.按照实施例1步骤3所述的方法对所述步骤2得到的类冶金混合界面表面进行辉光等离子体；

4.完成清洗后，按照实施例1步骤4的方法在步骤3清洗得到的类冶金混合界面层表面依次沉积crn层、crcn层和cr掺杂dlc层；

按照实施例1步骤4所述沉积crn层和crcn层的方法在类冶金混合界面层表面依次沉积crn层和crcn层；

在crcn层表面按照如下工艺沉积cr掺杂dlc层：真空室气压0.3～0.5pa，氩气流量从150sccm逐渐增大至200sccm，甲烷气体流量从120sccm逐渐增大至150sccm，铬靶电流从15a逐渐减小至12a，偏压从-100v逐渐减小至-120v，沉积时间180min，得到钛合金关节轴承内圈保护涂层。

经俄歇电子能谱仪测量所得钛合金关节轴承内圈保护涂层的类冶金混合层厚度为0.5μm；经扫描电子显微镜测量所述crn层厚度为0.9μm；所述crcn层厚度为1.2μm；所述cr-dlc层厚度为1.2μm。

将本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在500mpa静载荷下保压5min后，经表面形貌检查无任何损伤，说明本发明所提供的保护涂层具有较高的承载能力。

采用摆动摩擦磨损试验机测得本实施例所得钛合金关节轴承内圈保护涂层在摩擦时的摩擦系数为0.07，耐磨性提高了近3倍，说明本发明所提供的保护涂层具有摩擦系数低、耐磨性高的优势，具有减摩、耐磨性能，适用于摩擦学领域的应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。