专利名称：被覆件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种被覆件及其制备方法。
背景技术：
碳纤维由于其具有低密度、高强度、高模量、低热膨胀系数、耐腐蚀、易编织加工以及较好的热、电性能等优良特性被广泛用于航天航空、建筑及电子元器件制造等领域。但碳纤维的抗氧化性能较差，且与金属、聚合物复合材料的润湿性不佳，大大限制了碳纤维材料在上述领域的应用。现有技术利用化学气相沉积技术(CVD)将碳纤维(Cf)与硼化锆(ZrB2)相结合形成复合材料，该种复合材料具有优良的机械性能及韧性，但其高温抗氧化
性较差。贵金属铱(Ir)熔点M43°C，因饱和蒸气压低、氧渗透率低而具有优良的高温抗氧化性能，是唯一在1600°C以上的空气中仍具有很好机械性能的金属。但是由于碳纤维与铱涂层之间润湿性较差，沉积于碳纤维材料上的铱涂层经高温处理后会产生大量裂纹，因此所述铱涂层的高温抗氧化性及抗热震性能较差。研究发现，采用真空镀膜技术，于Cf/Zi^2复合基体上依次形成铬涂层及铱涂层， 可提高CfAi^2复合基体及铱涂层的高温抗氧化性及抗热震性能。然而，在高温氧化性条件下，当铱涂层意外失效时，铬涂层与氧气反应形成的Cr2O3层较为疏松无法阻止氧气向膜层内部扩散，如此使CfAi^2复合基体的高温抗氧化性急剧下降。
发明内容
鉴于此，提供一种有效解决上述问题的被覆件。另外，还提供一种上述被覆件的制备方法。一种被覆件，其包括基体、依次形成于该基体上的铬渗入层、铬层、氮化铬梯度膜层及铱层；该基体的材质为碳纤维/硼化锆复合材料，该氮化铬梯度膜层包括依次形成于铬层上的第一梯度氮化铬膜层及第二梯度氮化铬膜层，所述第一梯度氮化铬膜层中的氮元素的质量百分含量由靠近基体至远离基体的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化铬膜层中的氮元素的质量百分含量由靠近基体至远离基体的方向呈梯度减少。一种被覆件的制备方法，包括以下步骤提供基体，该基体的材质为碳纤维/硼化锆复合材料；以铬靶为靶材，于所述基体表面磁控溅射铬层，溅射温度为100 200°C，溅射时间为150 250min ；在磁控溅射该铬层的过程中，该铬层与基体界面处的金属铬向基体扩散，于基体与铬层之间形成铬渗入层；以铬靶为靶材，以氮气为反应气体，于铬层上形成氮化铬梯度膜层，氮化铬梯度膜层包括依次形成于铬层上的第一梯度氮化铬膜层及第二梯度氮化铬膜层，所述第一梯度氮化铬膜层中的氮元素的质量百分含量由靠近基体至远离基体的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化铬膜层中的氮元素的质量百分含量由靠近基体至远离基体的方向呈梯度减少；以铱靶为靶材，于所述氮化铬梯度膜层上磁控溅射形成铱层。所述铬层的形成可提高所述氮化铬梯度膜层、铱层与基体之间的结合力，使被覆件经高温处理后铱层不易剥落或裂纹，如此可提高所述被覆件的高温抗氧化性能。由于通过上述制备方法形成的铱层几乎无针孔、具有良好的致密性，如此可进一步提高所述被覆件的抗氧化性。更重要的是，在高温氧化条件下，所述氮化铬梯度膜层可与进入膜层的氧气反应生成致密的氮氧化铬薄膜，如此可阻挡氧气向膜层内部扩散，避免当铱涂层意外失效时所述被覆件的高温抗氧化性能的急剧下降。由于所述膜层之间的过渡良好，使膜层之间没有成分和力学性能的突变，如此使所述被覆件具有良好的抗热震性能。
图1为本发明较佳实施例的被覆件的剖视图；图2制备为制备图1中镀膜件所用真空镀膜机的示意图。主要元件符号说明被覆件10基体11铬渗入层13铬层15氮化铬梯度层17第一梯度氮化铬膜层171第二梯度氮化铬膜层173铱层19镀膜机100镀膜室20真空泵30轨迹21第一靶材22第二靶材23气源通道2具体实施例方式请参阅图1，本发明一较佳实施例的被覆件10包括基体11、依次形成于该基体11 上的铬渗入层13、铬层15、氮化铬梯度膜层17及铱层19。该被覆件10可以为涡轮叶片、喷嘴等航天航空机械零部件，也可为建筑、电子及汽车等交通工具的零部件。该基体11的材质为碳纤维(Cf)/硼化锆(Zi^2)复合材料。所述铬层15、氮化铬梯度膜层17及铱层19均可通过磁控溅射镀膜法形成。所述铬层15的厚度为0. 2 0. 3 μ m。所述氮化铬梯度膜层17包括依次形成于该铬层15上的第一梯度氮化铬膜层171和第二梯度氮化铬膜层173。所述第一梯度氮化铬膜层171中的氮元素的质量百分含量由靠近基体11至远离基体11的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化铬膜层173中的氮元素的质量百分含量由靠近基体11至远离基体11的方向呈梯度减少。所述氮化铬梯度膜层17总的厚度为0. 8 1. 2 μ m。所述第一梯度氮化铬膜层171的厚度为0. 4 0. 6 μ m。所述第二梯度氮化铬膜层173的厚度为0. 4 0. 6 μ m。所述铱层19的厚度为0. 8 1 μ m。所述铬渗入层13是在所述铬层15的形成过程中，铬层15与基体11界面处的金属铬向基体11内扩散而形成。所述铬渗入层13包括碳纤维(Cf)、&4陶瓷相、Cr金属相及Cr-C相。本发明一较佳实施例的制备所述被覆件10的方法主要包括如下步骤提供基体11，该基体11的材质为碳纤维/硼化锆复合材料。请参阅图2，提供一真空镀膜机100，将所述基体11置于该真空镀膜机100内进行氩气等离子体清洗，以进一步去除基体11表面的油污，以及改善基体11表面与后续涂层的结合力。该镀膜机100包括一镀膜室20及与镀膜室20相连接的一真空泵30，真空泵30用以对镀膜室20抽真空。该镀膜室20内设有转架(未图示)、二第一靶材22及二第二靶材 23。转架带动基体11沿圆形轨迹21公转，且基体11在沿轨迹21公转时亦自转。二第一靶材22与二第二靶材23关于轨迹21的中心对称设置，且二第一靶材22相对地设置在轨迹21的内外侧，二第二靶材23相对地设置在轨迹21的内外侧。每一第一靶材22及每一第二靶材23的两端均设有气源通道对，气体经该气源通道M进入所述镀膜室20中。当基体11穿过二第一靶材22之间时，将镀上第一靶材22表面溅射出的粒子，当基体11穿过二第二靶材23之间时，将镀上第二靶材23表面溅射出的粒子。本实例中，所述第一靶材22 为铬靶，所述第二靶材23为铱靶。该等离子体清洗的具体操作及工艺参数为如图2所示，基体11安装于镀膜室 20内，真空泵30对所述镀膜室20进行抽真空处理至真空度为8. 0 X 10-3pa,然后以300 500s ccm(标准状态毫升/分钟)的流量向镀膜室20内通入纯度为99. 999%的氩气，并施加-500 -800V的偏压于基体11，对基体11表面进行等离子体清洗，清洗时间为5 15min。在对基体11进行等离子清洗后，于该基体11上形成铬层15。形成该铬层15的具体操作及工艺参数如下以氩气为工作气体，调节氩气流量为20 150sCCm，于基体11上施加-100 -300V的偏压，并加热镀膜室20至100 200 (即镀膜温度为100 200)；开启已安装于该镀膜机内的第一靶材22的电源，设置其功率为2 5kw，沉积铬层15。沉积该铬层15的时间为5 lOmin。在形成所述铬层15的过程中，由于铬金属与碳纤维/硼化锆复合材料之间具有良好的润湿性，所述铬层15与基体11界面处的金属铬向基体11内扩散，形成包括碳纤维 (Cf)、ZrB2陶瓷相、Cr金属相及Cr-C相的铬渗入层13。该铬渗入层13提高了铬层15与基体11之间的结合力。于该铬层15上形成氮化铬梯度膜层17，所述氮化铬梯度膜层17包括依次形成于该铬层15上的第一梯度氮化铬膜层171和第二梯度氮化铬膜层173。形成所述第一梯度氮化铬膜层171的具体操作及工艺参数如下保持所述氩气的流量、施加于基体11的偏压、铬靶电源功率及镀膜温度不变，以氮气为反应气体，向镀膜室内通入初始流量为10 lOOsccm的氮气，于所述铬层15上沉积第一梯度氮化铬膜层171。 在沉积梯度膜层11的过程中，每沉积5min将氮气的流量增大15 20sCCm，沉积该第一梯度氮化铬膜层171的时间为15 35min。形成所述第二梯度氮化铬膜层173的具体操作及工艺参数如下保持所述氩气的流量、施加于基体11的偏压、铬靶电源功率及镀膜温度不变，以氮气为反应气体，向镀膜室内通入初始流量为130 50SCCm的氮气，于所述第一梯度氮化铬膜层171上沉积第二梯度氮化铬膜层173。在沉积第二梯度氮化铬膜层173的过程中，每沉积5min将氮气的流量减小10 20SCCm，沉积该第二梯度氮化铬膜层173的时间为15 25min。所述氮化铬梯度膜层17与铬层15、后续镀覆的铱层19之间过渡较好，膜层之间没有成分和力学性能的突变。于该氮化铬梯度膜层17上形成铱层19，形成所述铱层19的具体操作及工艺参数如下关闭所述第一靶材22的电源，保持所述氩气的流量、施加于基体11的偏压及镀膜温度不变，开启已安装于所述镀膜室20内第二靶材23的电源，设置其功率为2 5kw，于所述铬层15上沉积铱层19。沉积该铱层19的时间为60 85min。在磁控溅射形成铱层19的过程中，铱金属将扩散至所述第二梯度氮化铬膜层173 的表层内，如此使铱层19与第二梯度氮化铬膜层173之间过渡较好，没有成分和力学性能的突变。本发明较佳实施例被覆件10的制备方法，先于基体11上磁控溅射形成铬层15， 再于所述铬层15上依次形成第一梯度氮化铬膜层171和第二梯度氮化铬膜层173，再于该第二梯度氮化铬膜层173上形成铱层19，膜系逐层过渡较好，膜层之间的结合力较好且膜层内部没有明显的应力产生，如此可提高膜层之间的结合力，使被覆件10经高温处理后铱层19不易发生剥落或裂纹，如此可提高所述被覆件10的高温抗氧化性能。由于通过上述制备方法形成的铱层19几乎无针孔、具有良好的致密性，如此可进一步提高所述被覆件10 的抗氧化性。更重要的是，在高温氧化条件下，所述氮化铬梯度膜层17可与进入膜层的氧气反应生成致密的氮氧化铬薄膜，如此可阻挡氧气向膜层内扩散，避免当铱涂层意外失效时所述被覆件10的高温抗氧化性能的急剧下降。由于被覆件10膜层之间的良好过渡，使膜层之间没有成分和力学性能的突变，如此使所述被覆件10具有良好的抗热震性能。
权利要求
1.一种被覆件，包括基体及铱层，该基体的材质为碳纤维/硼化锆复合材料，其特征在于所述被覆件还包括依次形成于该基体上的铬渗入层、铬层、氮化铬梯度膜层，该铱层形成于该氮化铬梯度膜层上，该氮化铬梯度膜层包括依次形成于铬层上的第一梯度氮化铬膜层及第二梯度氮化铬膜层，所述第一梯度氮化铬膜层中的氮元素的质量百分含量由靠近基体至远离基体的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化铬膜层中的氮元素的质量百分含量由靠近基体至远离基体的方向呈梯度减少。
2.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于所述铬层、氮化铬梯度膜层及铱层均通过磁控溅射镀膜法形成。
3.如权利要求2所述的被覆件，其特征在于所述铬渗入层是在所述铬层的形成过程中，铬层与基体界面处的金属铬向基体内扩散而形成。
4.如权利要求3所述的被覆件，其特征在于所述铬渗入层中含有碳纤维、ZrB2陶瓷相、Cr金属相及Cr-C相。
5.如权利要求2所述的被覆件，其特征在于所述铬层的厚度为0.2 0. 3 μ m，所述铱层的厚度为0.8 Ιμπι。
6.如权利要求2所述的被覆件，其特征在于所述氮化铬梯度膜层的总厚度为0.8 1. 2 μ m，所述第一梯度氮化铬膜层的厚度为0. 4 0. 6 μ m，所述第二梯度氮化铬膜层的厚度为0. 4 0. 6 μ m。
7.一种被覆件的制备方法，包括以下步骤提供基体，该基体的材质为碳纤维/硼化锆复合材料；以铬靶为靶材，于所述基体表面磁控溅射铬层，溅射温度为100 200°C，溅射时间为 150 250min ；在磁控溅射该铬层的过程中，该铬层与基体界面处的金属铬向基体扩散，于基体与铬层之间形成铬渗入层；以铬靶为靶材，以氮气为反应气体，于铬层上依次形成氮化铬梯度膜层，氮化铬梯度膜层包括依次形成于铬层上的第一梯度氮化铬膜层及第二梯度氮化铬膜层，所述第一梯度氮化铬膜层中的氮元素的质量百分含量由靠近基体至远离基体的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化铬膜层中的氮元素的质量百分含量由靠近基体至远离基体的方向呈梯度减少；以铱靶为靶材，于所述氮化铬梯度膜层上磁控溅射形成铱层。
8.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于磁控溅射形成所述铬层的工艺参数为以氩气为工作气体，氩气流量为20 150sCCm，施加于基体上的偏压为-100 -300V，铬靶的电源功率为2 5kw，沉积时间为5 lOmin。
9.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于磁控溅射形成所述氮化铬梯度膜层包括如下步骤于铬层上沉积第一梯度氮化铬膜层以氩气为工作气体，氩气流量为20 150sCCm，施加于基体上的偏压为-100 -300V，铬靶的电源功率为2 5kw，向镀膜室内通入初始流量为10 lOOsccm的氮气，在沉积第一梯度氮化铬膜层过程中，每沉积5min将氮气的流量增大15 20sccm，沉积时间为15 !35min ；于第一梯度氮化铬膜层上沉积第二梯度氮化铬膜层以氩气为工作气体，氩气流量为 20 150sccm，施加于基体上的偏压为-100 -300V，铬靶的电源功率为2 5kw，向镀膜室内通入初始流量为130 50sCCm的氮气，在沉积第一梯度氮化铬膜层过程中，每沉积5min将氮气的流量减小15 20sccm，沉积时间为15 25min。
10.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于磁控溅射形成所述铱层的工艺参数为以氩气为工作气体，氩气流量为20 150sCCm，施加于基体上的偏压为-100 -300V，铱靶的电源功率为2 5kw，镀膜温度为100 200，镀膜时间为60 85min。
全文摘要
一种被覆件，其包括基体、依次形成于该基体上的铬渗入层、铬层、氮化铬梯度膜层及铱层；该基体的材质为碳纤维/硼化锆复合材料，该氮化铬梯度膜层包括依次形成于铬层上的第一梯度氮化铬膜层及第二梯度氮化铬膜层，所述第一梯度氮化铬膜层中的氮元素的质量百分含量由靠近基体至远离基体的方向呈梯度增加、所述第二梯度氮化铬膜层中的氮元素的质量百分含量由靠近基体至远离基体的方向呈梯度减少。所述被覆件具有良好的高温抗氧化性及抗热震性。本发明还提供了所述被覆件的制备方法。
文档编号C23C14/18GK102534490SQ20101061692
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者张新倍, 李聪, 蒋焕梧, 陈文荣, 陈正士 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司