钛合金表面耐磨Cr-Si复合涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铁合金表面处理领域，特别是一种铁合金表面耐磨&-Si复合涂层及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 铁是地壳中储量较丰富的元素之一，从它的工业价值、资源寿命和发展前景来看， 是仅次于铁、侣正在晒起的"第=金属"。铁的密度远低于钢铁材料，并且具有很高的比强 度，同时具有良好的可塑性。铁合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点，是20世 纪50年代发展起来的一种重要的结构材料，已经发展为主要的飞机结构金属，成为制造高 性能航空发动机风扇、压气机轮盘、叶片等重要构件的主选材料。世界上许多国家都认识到 铁合金材料的重要性，相继对其进行研究和发展，并在航天航空、生物工程、机械工程及运 动器材等方面得到了广泛应用。 TA15合金为中等强度级别的近a型铁合金，既具有良好的热强性和可焊接性，又具 有（a+P)型铁合金的工艺塑形，适合于制造各种焊接零部件，目前主要用来制造50(fCW 下长时间工作的结构零件、焊接承力结构件和一些温度较高、受力较复杂的重要结构零件， 例如应用于发动机的各种叶片、机厘，飞机的各种饭金件、梁、接头、大型壁板、焊接承力框 等，在军工领域和民用领域都具有广阔的应用前景。
[0003] 然而铁合金由于电子层、晶体结构和热传导率的限制，摩擦系数大，耐磨性能较 差，实践中TA15合金的低硬度、低塑性剪切抗力、摩擦系数大、具有严重的粘着磨损和敏感 的微动磨损，严重影响铁合金结构件的安全性和可靠性，限制了TA15合金工件的进一步应 用。在TA15合金表面制备一层具有高硬度、耐磨性能的保护隔离层是解决上述问题的有效 方法之一。
[0004]目前表面工程技术主要为预氧化处理、离子注入、激光烙覆、PVD等，但均存在一 定的缺陷，如预氧化处理形成的氧化保护膜较薄等，且该些技术离手段在铁合金表面获得 的涂（锻）层在高温、循环应力的作用下，很容易剥落而失去防护效果。双层辉光等离子 冶金技术，可W在相对较低温度下制备与基体合金实现冶金结合的耐磨、防腐、抗高温氧化 等功能性涂层，目前已得到广泛的研究，利用该手段能在纯铁合金表面形成成分和强度都 是在较大范围内可调的合金元素渗入层，大大增强铁合金对合金涂层的结合能力，增强膜 基结合强度，有利于提高铁合金基材的摩擦学性能。
[0005] 过渡金属娃化物巧日化-Si、Ti-Si、Ni-Si等）都具有高烙点，高硬度和优良的高 温力学性能，可望被开发成一类新型的高温结构材料，其与高强度镶基高温合金相比具有 更高的高温强度，优异的抗氧化和抗腐蚀能力，较低的密度和高的烙点，可W在更高的温度 和恶劣环境中工作，化-Si涂层中富含化、Si元素，Si能引起化由表向里扩散，造成渗 层下面Cr原子的富集，高温下晶界贫铭的矛盾得到了解决，降低了涂层内部空洞形成的概 率，使涂层的致密性得W提高。
[0006] 目前文献中公开的利用双层辉光等离子技术制备合金复合涂层的文献中，均是将 复合材料混合形成合金后，再与基底材料共渗，如"双辉等离子化-Si共渗改善TiAl基合金 耐磨性能的研究"（李亚非等，稀有金属与硬质合金，2011) -文通过在TiAl基合金表面进 行双辉等离子化-Si共渗，形成=层涂层结构，由外至内依次为富化沉积层，化-Si化合物 层和过渡层，整个涂层厚度近10ym，硬度为HV。. 11200-1250,渗层与基体之间结合力达到 70N，且具有较好的强初性和耐磨性，但是该方法制备&-Si合金祀材工艺复杂，且Si的瓣 射率小于化，化-Si合金祀材中的Si很难瓣射到TiAl基合金表面，因此所形成的涂层表面 Si含量很少，导致整个涂层厚度不足；"双辉等离子渗技术制备化-Si、化、A^&-Si 氧化物涂层及性能研究"（南京航空航天大学硕±学位论文，2011)-文利用双辉等离子技 术在31化不诱钢基体上进行铭娃共渗，最终形成的S层涂层结构由外至内依次为；&沉积 层，化-Si化合物层和扩散层，整个涂层厚度近5ym，涂层致密，与基体结合良好，抗氧化 性能良好，但是涂层中Si渗入比较困难，表层Si含量极少，涂层厚度不足；总体而言，利用 双层辉光技术进行共渗，简单快速，一次性在基体表面形成二元合金层，且涂层与基体结合 良好，然而调节Si-化合金中两种成分的比例，理论上可W调节涂层中两种元素的含量，但 由于Si的瓣射率较低，难W控制Si在合金表面的含量，因此涂层表面硬度也难W控制，所 W可能造成不同成分的祀材制成的涂层表面Si含量都很少，且涂层厚度不足，基体耐磨性 提升有限，此外重新调节合金成分意味着重新制祀材，工艺复杂，成本较高。因此，如何将涂 层材料更好的渗入合金基体，提高合金耐磨性能，一直是本领域亟待解决的技术难题。
【发明内容】
[0007] 针对现有的技术中存在的铁合金耐磨性能差的问题，本发明提供了铁合金表面耐 磨化-Si复合涂层及其制备方法，提高铁合金的耐磨性能，本发明是该样实现的： 一种铁合金表面耐磨化-Si复合涂层，所述复合涂层从表层由外至内依次为Si沉积 层、化-Si金属间化合物过渡层、化沉积层和化扩散层。
[0008] 进一步，本发明所述的Si沉积层厚4-10ym，Si含量从复合涂层表层由外向内梯 度下降。
[0009] 进一步，本发明所述的化-Si金属间化合物过渡层厚8-15ym，Si含量从化-Si金 属间化合物过渡层表层由外向内梯度下降，化含量从化-Si金属间化合物过渡层表层由外 向内梯度上升。
[0010] 进一步，本发明所述的化沉积层厚3-6ym，化含量从化沉积层表层由外向内梯 度下降。
[0011] 进一步，本发明所述的&扩散层厚度为7-9ym，&含量从&扩散层表层由外向 内梯度下降。
[0012] 如本发明所述铁合金表面耐磨&-Si复合涂层的制备方法，具体步骤为： (a) 将铁合金和化祀材装入双辉等离子表面合金化装置中，W铁合金为阴极，W化祀 材为源极； (b) 抽真空，送入氣气，启动辉光，调试工艺参数为： 源极电压；900-1000V; 阴极电压；350-450V; 氣气气压；30-35Pa; 祀材与工件间距；15-20mm; 保温时间；3-3. 5h; (c) 保温结束后，降低源极和阴极电压至OV，断电，抽真空，装置冷却至室温，完成&扩 散层和化沉积层的制备； (d)更换Si祀材为源极，重复步骤（b)和步骤（C)，完成化-Si金属间化合物过渡层和 Si沉积层的制备，即获得耐磨化-Si复合涂层。
[0013] 如本发明所述的铁合金表面耐磨化-Si复合涂层的制备方法中，铁合金为TA15合 金。
[0014] 相对应现有技术，本发明的有益效果在于： (1)本发明的阴极和源极结构采用不诱钢圆筒洞穴法布置，强化辉光放电，增加合金元 素供给量，W提高表面合金的元素含量。
[0015] (2)采用本发明制备的化/Si复合涂层具有优良的综合性能，涂层硬度在HV0. 1 900-1200范围内，厚度在20-40微米范围内可调。
[0016] (3)采用本发明制备的化-Si复合涂层具有Si沉积层、（化Si)金属间化合物过渡 层、Cr沉积层W及Cr扩散层四层保护的结构特征，该种特殊的四层复合结构，可W提高复 合涂层与基体的结合强度，复合涂层均匀致密、连续、没有裂纹；成分呈梯度分布的化-Si 复合涂层，极大提高了铁合金的耐磨性能。
[0017] (4)本发明通过分两次单独渗化、Si,解决了辉光共渗技术中化Si合金祀材中Si 难W瓣射的问题，同时两次渗入可W分别调节源极阴极电压、保温时间等参数，按需求得到 不同厚度的合金涂层，方便进行实验工艺探究工作。
【附图说明】
[001引图1为实施例化-Si复合涂层的沈M图。
[0019] 图2为实施例化-Si复合涂层的结合力检测图。
[0020] 图3为实施例磨损后化-Si复合涂层的沈M图。
[0021] 图4为实施例元素变化示意图。
【具体实施方式】
[0022] W下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述，下列实施例仅用 于说明而非是对本发明权利要求范围的限制；下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明， 均为常规方法；所述试剂和生物材料，如无特殊说明，均从商业途径获得。
[0023] 实施例1 将TA15合金切割成15臟X15臟X5mm试样后，用砂纸打磨试样表面，再用化302 抛光粉抛光至镜面； 双层辉光等离子渗金属炉的源极采用纯化(纯度99. 99%)祀材和纯Si(纯度99.99%)