一种微晶铝化物涂层制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及表面涂层技术领域，特别涉及了一种微晶铅化物涂层制备方法。
【背景技术】
[0002] 铅化物或改性铅化物涂层因具有优异的抗高温氧化和耐高温腐蚀性能，在当前高 温防护涂层领域仍占据重要地位，广泛应用于电力、航空、航天和化工行业。
[0003] 传统铅化物涂层制备工艺主要有固体粉末包埋渗铅、液相渗铅、气相渗铅料浆渗 铅、热喷涂渗铅和真空锥膜扩散渗铅。固体粉末包埋渗铅的优点是操作简单，工艺稳定，渗 层深度容易控制，缺点是产生粉尘危害和产生有害气体，劳动条件差，生产周期长，有孔零 件清除渗剂困难。液相渗铅的优点是生产效率高，容易实现连续化生产，缺点是渗层表面粗 糖，均匀性差，夹杂物多，巧巧容易腐蚀损坏，蒸发有害气体。气相渗铅的优点是劳动条件较 好，可渗带孔零件，缺点是工艺稳定性不够好，渗铅层铅浓度较低。料浆渗铅、热喷涂渗铅和 真空锥膜渗铅的优点是涂层中可加入活性改性元素从而改善涂层的抗热腐蚀性能，也可进 行局部渗铅。料浆渗铅缺点是常见料浆中含有毒添加剂，不利健康。热喷涂渗铅缺点是涂 层粗糖，均匀性差，操作时噪声大。真空锥膜渗铅的缺点是锥层结合力差。同时，上述方法 均需要对工件进行加热，使铅元素扩散进入基体而形成铅化物涂层。对于媒基合金渗铅涂 层，加热温度通常需要达到900-105(TC。采用辉光放电的新型渗铅工艺利用物理气相获得 渗层的方法[参见文献；CN87104626,中国专利]，解决了传统工艺对环境不友好的问题。但 该方法仍然需要在制备过程中对工件进行加热。上述方法获得的涂层组织晶粒度，因加热 温度不同，通常在几十微米到毫米量级。由于晶粒粗大，涂层的抗循环氧化能力较差，具体 表现为在冷热循环过程中表面氧化膜易剥落。此外，工件加热温度高，也容易导致工件组织 长大，影响工件力学性能。
[0004] 涂层晶粒越细小，越有利于A1的选择性氧化，从而可改善涂层的抗氧化性能。杨 松風等人采用磁控瓣射方法获得了微晶铅化物涂层[参见文献：杨松風，王福会，朱圣龙， 柱状晶界面对瓣射NiAl微晶涂层高温氧化性能的影响，金属学报37 (2001) 62引，涂层表现 出优异的抗高温氧化性能。该方法在实际应用上的主要问题是需要预先制备NiAl祀材。 NiAl是一种金属间化合物，其脆性较大，祀材在铸造过程和使用过程中容易开裂。因此，发 明一种既具有微米晶粒度，涂层抗循环氧化性能好，不影响基体组织和力学性能，又具有良 好实用性的新型渗铅方法具有广阔的应用前景。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种不用加热基体的，环境友好的，能制备微晶铅化物涂层 的新方法，特提供了一种微晶铅化物涂层制备方法。
[0006] 本发明的原理为；利用真空阴极电弧，使祀材原子蒸发并形成高密度等离子体； 等离子体中金属离子在高频脉冲偏压加速和引导下，注入到工件表层内部，在工件表面形 成微晶铅化物涂层。
[0007] 本发明提供了一种微晶铅化物涂层制备方法，其特征在于；制备过程在真空中进 行；采用真空阴极电弧蒸发方法产生高密度等离子体；在工件上施加高频脉冲负偏压，使 等离子体中金属离子注入到工件表层内部，并形成亚微米级晶粒的铅化物涂层。
[0008] 所述的真空阴极电弧蒸发方法，使用纯铅或铅合金祀材，弧电流40~50A;所述铅 合金中合金组元包括但不限于Si、HfXr、Y、原子序数为57到71的15种铜系元素之一，或 上述元素的组合，合金组元总含量为lOppm至15%，此值为原子比。
[0009] 所述的高频脉冲负偏压方法，偏压为-400~-1000V，占空比20~60%，频率5~ 100曲Z。
[0010] 所述的真空，通氮气前背底真空度最优达到0. 05化或更低，至少应达到5Pa，通氮 气后真空度为6-40化。
[0011] 所述的微晶铅化物涂层的制备工艺过程，安装工件和祀材，真空室抽真空，通入氮 气，在工件上施加高频脉冲负偏压，引燃真空阴极电弧，涂层达到所要求厚度后，关闭铅化 物涂层制备系统，取出工件。
[0012] 本发明与其他方法的区别：
[0013] 与真空电弧离子锥的区别；本方法中金属离子能注入工件表层内部，并形成铅化 物；而真空电弧离子锥方法中金属离子仅沉积在工件表面，不能与工件表面原子形成铅化 物。
[0014] 与阴极电弧源离子渗金属（参见文献；CN88100549A，中国专利）的区别；本方法 中工件温度较低，主要依赖铅离子自身能量与基体形成铅化物；而阴极电弧源离子渗金属 方法中主要依靠离子加热工件至高温，达800~1400°C。
[0015] 与离子注入的区别；本方法注入深度为十微米至百微米级，能形成铅化物相（如 目-NiAl、M2AI3和NisAl)，可显著提高工件的长期抗高温氧化和腐蚀性能；而离子注入的 深度仅为纳米级，且不能形成铅化物，对长期抗高温氧化和腐蚀性能影响不大；
[0016] 与辉光或加弧辉光放电渗铅方法（参见文献；CN90103841，中国专利；）的区别： 本方法中工件不需要高温加热，渗铅源为真空阴极电弧蒸发产生的等离子体，其离化率接 近100%;辉光放电渗铅方法中工件需要由辉光放电加热至高温，渗铅源为热阴极瓣射产生 的气相铅原子，其离化率一般不足5%;加弧辉光放电渗铅需要给工件施加辅助阴极W产生 空必阴极效应来加热工件至高温。
[0017] 与真空锥膜渗铅和热喷涂渗铅方法的区别：本方法中金属离子具有很高能量，能 够直接注入到工件表层内，不需要加热基体；真空锥膜渗铅和热喷涂渗铅方法中，制备过程 分制备铅涂层和真空退火两步，真空退火步骤需要加热工件W使工件表面的铅渗入工件表 层内并形成铅化物。
[001引本发明的优点：
[0019] 涂层晶粒度达到亚微米级，抗循环氧化性能优于普通的晶粒度达到几十微米W上 的铅化物涂层；
[0020] 可W控制涂层成分，制备合金元素改性涂层，抗高温腐蚀性能优于简单铅化物涂 层；
[0021] 制备过程中不需要加热工件，对基体组织和力学性能影响小，并可减少能源消耗； 而现有的固相、液相、气相、料浆渗铅和真空锥膜渗铅、热喷涂渗铅W及辉光放电渗铅方法 中都需要对工件进行加热；
[0022] 涂层结构致密，结合力优于电子束物理气相沉积、磁控瓣射和电弧离子锥的NiAl 涂层；
[0023] 工艺性能和工业放大性优于电子束物理气相沉积、磁控瓣射和电弧离子锥NiAl 涂层。送Η种方法都需要制备NiAl祀，NiAl很脆，难W做成大尺寸祀材；而本方法中仅需 要制备纯铅或铅合金祀，纯铅或铅合金的加工性能很好，易于做成大尺寸祀材；
[0024] 与固相、液相、气相和料浆渗铅比，本方法的涂层质量稳定性好，生长速率高，可达 10~30μm/h;工作环境好，不会产生环境污染问题。
【附图说明】
[00巧]下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
[0026] 图1为在纯媒试样上用本发明的微晶铅化物涂层制备方法得到的涂层表面和截 面扫描电镜显微照片：气压10化，弧电流40A，偏压-1000V，占空比20%，频率10曲Z;
[0027] 图2为在纯媒试样上用本发明的微晶铅化物涂层制备方法得到的涂层表面和截 面扫描电镜显微照片：气压15化，弧电流40A，偏压-800V，占空比60%，频率8