一种钼合金基体上FeCrAl镀层的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种钼合金基体上FeCrAl镀层的制备方法，将钼合金基体清洗干燥后放入磁控溅射离子镀设备的真空室中，靶材至少包含1个316l不锈钢靶、1个纯铬金属靶和1个纯铝金属靶，将真空室抽真空，然后对钼合金基体进行离子轰击清洗，清洗后在钼合金基体表面沉积一层铬打底层，最后在铬打底层上沉积FeCrAl镀层。本发明方法具有工艺简捷稳定、镀层成分控制精确、易实现工业化生产的特点。所制备的FeCrAl镀层与钼合金基体结合良好，结构致密，钼合金基体无氧化现象。
【专利说明】
一种钼合金基体上FeCrA I镀层的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于材料表面工程技术领域，具体涉及一种钼合金基体上FeCrAl镀层的制备方法。
【背景技术】
[0002]钼作为一种难熔金属，熔点为2620°C，易于机械加工与压力加工。钼及其合金具有优异的高温力学性能、低的热膨胀系数和高的导电、导热系数，广泛用作高温结构材料和功能材料，是非常有前景的难熔金属材料之一。但在大气环境中，钼合金在300?475°C温度下开始被氧化，生成MoO2膜;在475°C?700 °C之间MoO2膜颜色变深，并伴随着MoO2挥发，其挥发速度随温度的提高而增大，氧化加快。为改善钼合金的高温抗氧化性能且不降低其力学性能，需对其进行表面处理。
[0003]FeCrAl合金由于其优良的高温性能及价格便宜，已被大量的用于生产和生活的各个方面。铝含量增多，合金抗氧化性能提高，但过多的铝会导致合金力学急剧下降。因此，研究人员将其制备成涂层以应用于更加复杂的工况。FeCrAl镀层良好的耐蚀性及高温抗氧化性源于其表面形成致密、稳定、连续的氧化膜。目前，FeCrAl镀层主要通过热喷涂法制备。热喷涂是将固体丝材或粉末熔化成微粒以高速喷到材料表面，形成层状堆积从而改善材料表面性能。此方法制备的镀层气孔较多，导致镀层具有较低的延展性和抗拉强度，较差的延展性及导电性，耐蚀性降低;镀层的成分由丝材或粉末决定而难以控制；喷涂过程中存在氧气，在钼合金基体上采用此方法会导致钼氧化，使镀层与基体的结合变差。因此，在钼基体上制备FeCrAl镀层需要寻找一种新的方法以保护基体并提高镀层的性能以延长其使用寿命O
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种钼合金基体上FeCrAl镀层的制备方法，采用多靶磁控溅射离子镀技术在钼合金基体上制备FeCrAl镀层，解决了现有方法存在的基体氧化、镀层与基体的结合力较弱以及镀层性能较差的问题。
[0005]本发明所采用的技术方案是，一种钼合金基体上FeCrAl镀层的制备方法，将钼合金基体清洗干燥后放入磁控溅射离子镀设备的真空室中，靶材至少包含I个3161不锈钢靶、I个纯铬金属靶和I个纯铝金属靶，将真空室抽真空，然后对钼合金基体进行离子轰击清洗，清洗后在钼合金基体表面沉积一层铬打底层，最后在铬打底层上沉积FeCrAl镀层。
[0006]该方法具体包括以下步骤:
[0007]步骤1、将钼合金基体清洗干燥后放入磁控溅射离子镀设备的真空室中，靶材至少包含I个3161不锈钢靶、I个纯铬金属靶和I个纯铝金属靶，将真空室抽真空到:(I?9) X 10一5Torr0
[0008]步骤2、对钼合金基体进行离子轰击清洗:通入氩气，流量为10?28SCCm，开启金属靶电流，电流分别为:3161不锈钢靶电流I316I为0.3?0.8A，纯铬靶电流Icr为0.3?0.8A，纯铝靶电流Iai为0.3?0.5A;调整工件的负偏压为-480?-320V;时间为12?30min。
[0009]步骤3、沉积铬打底层:调整靶电流分别为:13161为0.3?0.8A，IGr为1.0?3A，Im为
0.3?0.84;调整工件的负偏压为-150?-100￥;时间为5?2011^11。
[0010]步骤4、沉积FeCrAl镀层:调整靶电流分别为:I316I为2?5Α，Ι&为0.5?3A，Iai为0.6?4Α;调整工件的负偏压为-90?-40V;时间为30?380min。镀膜完成后，冷却至室温，取出试样即可。
[0011]优选地，步骤I中磁控溅射离子镀设备中有四个靶材，分别为2个3161不锈钢靶、I个纯铬金属靶和I个纯铝金属靶。
[0012]钼合金基体可以是钼合金棒、钼合金管、钼合金片及其它异型件。也可以是纯钼、钼钨合金、钼钛合金、钼锆合金、稀土钼合金或多元系钼合金。
[0013]本发明镀层成分为:Fe(62?72%wt)-Cr(22 ?30%wt)-Al(3 ?12%wt)，厚度在 3?50μπι之间，与钼合金基体结合力为35?55MPa，硬度为7.6?12.6GPa，耐蚀性良好。
[0014]本发明解决的技术关键在于采用多靶磁控溅射离子镀设备沉积镀层，沉积过程中始终在氩气环境中，使钼合金基体不会被氧化;通过离子轰击清洗掉钼合金基体表面的油污、氧化膜，同时开启小电流、高偏压，使一部分镀层原子进入钼合金基体，基体与镀层间形成冶金结合界面；以铬作为打底层，降低基体与镀层间热膨胀系数的差异。以上三种方式提高了基体与镀层的结合力。沉积镀层过程中，同时使用多个金属靶材，对靶材的电流进行单独控制，因此，可以对制备的镀层的成分进行调整和控制。
[0015]对比本发明方法和传统热喷涂法制备的FeCrAl镀层形貌，从图1、2中可看出本发明方法所制备的镀层由柱状晶构成，结构致密、无孔洞，镀层与基体结合处存在明显的铬打底层，打底层与基体及工作层结合良好。从图3、图4可看出，热喷涂法所制备的涂层存在较大的气孔，与基体结合不牢固。
[0016]本发明的有益效果是:
[0017](I)采用磁控溅射方法沉积镀层，可通过控制靶材电流精确调整镀层成分，使镀层适用于更多的工况。
[0018](2)沉积镀层过程中始终在氩气环境中，钼合金基体不会氧化挥发，保护基体的同时提高了基体与镀层的结合力。
[0019](3)通过离子轰击、打底层提高了基体与镀层的结合力。
[0020](4)所制备的镀层无氧化现象，结构致密，从而提高了其抗氧化性能。
[0021 ] (5)该方法工艺简捷稳定，产量大，易于实现工业化生产。
【附图说明】
[0022]图1是本发明所制备的纯钼基体上FeCrAl镀层的表面形貌图；
[0023]图2是本发明所制备的纯钼基体上FeCrAl镀层的截面形貌图；
[0024]图3是电弧喷涂法所制备的纯钼基体上FeCrAl镀层的表面形貌图；
[0025]图4是电弧喷涂法所制备的纯钼基体上FeCrAl镀层的截面形貌图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。
[0027]本发明所提供的采用磁控溅射离子镀技术制备镀层的方法，主要制备过程为:将钼合金试样清洗干燥后放入多靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，经过抽真空、通氩气、离子轰击清洗、沉积铬打底层、镀膜阶段后取出试样即可。
[0028]实施例1:
[0029]将纯钼基体清洗干燥后放入多靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，靶材分别为2个3161不锈钢靶，2个纯铬金属靶，I个纯铝金属靶。将真空室抽真空至9 X 10—5Torr后通入氩气，流量为15sCCm。进行20min的离子轰击清洗:调整负偏压为-400V，同时开启四个靶材电流，13161为0.3A，1&为0.8A，Im为0.3A;之后沉积20min的铬打底层:调整负偏压为-120V，调整四个靶材电流，I3161为0.3A，Icr为1.0A，Im为0.3A;沉积150min的FeCrAl镀层:调整负偏压为-40V，调整四个靶材电流，13161为2A，Icr为0.5A，Iai为0.6A。
[0030]该工艺所得到的FeCrAl镀层成分按重量百分比为:Fe-24.4Cr_3.7A1，厚度为11.4μπι，结合力为55MPa，硬度为10.8GPa，在标准盐雾试验中腐蚀48h后镀层表面形貌基本无变化。
[0031]实施例2:
[0032]将钼锆合金基体清洗干燥后放入多靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，靶材分别为2个3161不锈钢靶，I个纯铬金属靶，I个纯铝金属靶。将真空室抽真空至I X 10—5Torr后通入氩气，流量为24sCCm。进行12min的离子轰击清洗:调整负偏压为-480V，同时开启四个靶材电流，13161为0.5A，Icr为0.3A，Im为0.5A ；之后沉积5min的铬打底层:调整负偏压为-120V，调整四个靶材电流，13161为0.8A，Icr为2A，Im为0.8A ；沉积30min的FeCrAl镀层:调整负偏压为-90V，调整四个靶材电流，I316I为5A，Icr为3A，Iai为3A。
[0033]该工艺所得到的FeCrAl镀层成分按重量百分比为:Fe-29.4Cr-6.4Al，厚度为3.7μm，结合力为46MPa，硬度为7.6GPa，在标准盐雾试验中腐蚀48h后镀层表面形貌基本无变化。
[0034]实施例3:
[0035]将钼钇合金基体清洗干燥后放入多靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，靶材分别为2个3161不锈钢靶，I个纯铬金属靶，I个纯铝金属靶。将真空室抽真空至4 X 10—5Torr后通入氩气，流量为28sCCm。进行30min的离子轰击清洗:调整负偏压为-320V，同时开启四个靶材电流，13161为0.8A，Icr为0.5A，Im为0.3A ；之后沉积8min的铬打底层:调整负偏压为-150V，调整四个靶材电流，13161为0.3A，ICr*3A，Im为0.3A;沉积380min的FeCrAl镀层:调整负偏压为-60V，调整四个靶材电流，I316I为5A，Icr为1.4A，Iai为2A。
[0036]该工艺所得到的FeCrAl镀层成分按重量百分比为:Fe-25Cr-4.2Al，厚度为49μπι，结合力为35MPa，硬度为9.2GPa，在标准盐雾试验中腐蚀48h后镀层表面形貌基本无变化。
[0037]实施例4:
[0038]将TZM(Mo-T1-Zr-C)合金基体清洗干燥后放入多靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，靶材分别为2个3161不锈钢靶，I个纯铬金属靶，I个纯铝金属靶。将真空室抽真空至4 X10—5Torr后通入氩气，流量为25SCCm。进行25min的离子轰击清洗:调整负偏压为-450V，同时开启四个靶材电流，I316I为0.3A，Icr为0.6A，Im为0.4A;之后沉积8min的铬打底层:调整负偏压为-100V，调整四个靶材电流，I316I为0.3A，Icr为1.5A，Iai为0.3A;沉积180min的FeCrAl镀层:调整负偏压为-70V，调整四个靶材电流，I316I为4A，Ic^lA，Im为3.5A。
[0039]该工艺所得到的FeCrAl镀层成分按重量百分比为:Fe-22.3Cr-ll.6Al，厚度为23μm，结合力为38MPa，硬度为12.6GPa，在标准盐雾试验中腐蚀48h后镀层表面形貌基本无变化。
[0040]实施例5:
[0041 ]将钼钨合金试样清洗干燥后放入多靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，四个靶材分别为2个3161不锈钢靶，I个纯铬金属靶，I个纯铝金属靶。将真空室抽真空至4 X 10—5Torr后通入氩气，流量为20SCCm。进行15min的离子轰击清洗:调整负偏压为-350V，同时开启四个靶材电流，13161为0.5A，1&为0.6A，Im为0.3A;之后沉积15min的铬打底层:调整负偏压为-120V，调整四个靶材电流，13161为0.5A，Icr为3A，Iai为0.5A;沉积120min的FeCrAl镀层:调整负偏压为-80V，调整四个靶材电流，I316I为3A，ICr为0.8A，Im为1A。
[0042]该工艺所得到的FeCrAl镀层成分按重量百分比为:Fe-26.2Cr_9.6A1，厚度为16.4μπι，结合力为36MPa，硬度为10.6GPa，在标准盐雾试验中腐蚀48h后镀层表面形貌基本无变化。
[0043]实施例6:
[0044]将钼钛合金基体清洗干燥后放入多靶磁控溅射离子镀设备的真空室中，靶材分别为I个3161不锈钢靶，I个纯铬金属靶，I个纯铝金属靶。将真空室抽真空至4 X 10—5Torr后通入氩气，流量为lOsccm。进行20min的离子轰击清洗:调整负偏压为-380V，同时开启四个靶材电流，13161为0.3A，1^为0.5A，Im为0.3A ；之后沉积1min的铬打底层:调整负偏压为-120V，调整四个靶材电流，13161为0.3A，Icr为2A，Iai为0.3A;沉积120min的FeCrAl镀层:调整负偏压为-70V，调整四个靶材电流，I316I为5A，1&为1.2A，Im为3.5A。
[0045]该工艺所得到的FeCrAl镀层成分按重量百分比为:Fe-27Cr-10.2Al，厚度为14μπι，结合力为46MPa，硬度为12.3GPa，在标准盐雾试验中腐蚀48h后镀层表面形貌基本无变化。
[0046]对比例
[0047]采用电弧喷涂工艺制备涂层FeCrAl涂层。所用丝材化学成分按质量百分比为:Fe-20Cr-9Al。首先对纯钥基体进彳丁嗔砂处理，提尚基体的粗糖度，从而提尚基体与涂层之间的机械啮合力。清洗纯钼基体后开始喷涂FeCrAl涂层，喷涂工艺参数为电压:30V;电流强度:150A ；喷涂距离:30cm喷涂气流:0.4MPa0
[0048]经检测，该工艺所得到的FeCrAl涂层成分按重量百分比为:Fe_18.2Cr_8.6A1。厚度约30μπι，结合力为32MPa，硬度为410Hv0.05，在标准盐雾试验中腐蚀48h后涂层表面已发生锈蚀。
[0049]本发明以上描述只是部分实施例，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】。上述的【具体实施方式】是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本发明的材料和方法，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均属本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种钼合金基体上FeCrAl镀层的制备方法，其特征在于，将钼合金基体清洗干燥后放入磁控溅射离子镀设备的真空室中，靶材至少包含I个3161不锈钢靶、I个纯铬金属靶和I个纯铝金属靶，将真空室抽真空，然后对钼合金基体进行离子轰击清洗，清洗后在钼合金基体表面沉积一层铬打底层，最后在铬打底层上沉积FeCrAl镀层。2.根据权利要求1所述的钼合金基体上FeCrAl镀层的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施: 步骤1、将钼合金基体清洗干燥后放入磁控溅射离子镀设备的真空室中，靶材至少包含I个3161不锈钢靶、I个纯铬金属靶和I个纯铝金属靶，将真空室抽真空到:(I?9) X 10一5Torr; 步骤2、对钼合金基体进行离子轰击清洗:通入氩气，流量为10?28sccm，开启金属革巴电流，电流分别为:3161不锈钢靶电流I316I为0.3?0.8A，纯铬靶电流Icr为0.3?0.8A，纯铝靶电流Iai为0.3?0.5A;调整工件的负偏压为-480?-320V;时间为12?30min; 步骤3、沉积铬打底层:调整靶电流分别为:13161为0.3?0.8A，Icr为1.0?3A，Im为0.3?0.8A;调整工件的负偏压为-150?-100V;时间为5?20min; 步骤4、沉积FeCrAl镀层:调整靶电流分别为:I3i6i为2?5A，Icr为0.5?3A，Iai为0.6?4A;调整工件的负偏压为-90?-40V;时间为30?380min。镀膜完成后，冷却至室温，取出试样即可。3.根据权利要求1所述的钼合金基体上FeCrAl镀层的制备方法，其特征在于，步骤I中所述靶材有四个，分别为2个3161不锈钢靶、I个纯铬金属靶和I个纯铝金属靶。4.根据权利要求1-3中任一项所述的钼合金基体上FeCrAl镀层的制备方法，其特征在于，所述钼合金基体为纯钼、钼钨合金、钼钛合金、钼锆合金、稀土钼合金或多元系钼合金。5.根据权利要求1-3中任一项所述的钼合金基体上FeCrAl镀层的制备方法，其特征在于，所述镀层成分为:Fe:62?72%wt，Cr:22?30%wt，Al:3?12%wt，三组分百分含量总和为 100%。6.根据权利要求1-3中任一项所述的钼合金基体上FeCrAl镀层的制备方法，其特征在于，所述镀层厚度在3?50μηι之间。
【文档编号】C23C14/16GK105862003SQ201610403883
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】张国君, 曹琳琳, 王涛, 任帅
【申请人】西安理工大学