一种低摩擦系数高耐磨的CrAlN/CrAlSiN/TaC复合涂层及其制备方法

一种低摩擦系数高耐磨的craln/cralsin/tac复合涂层及其制备方法
技术领域
1.本发明属于涂层领域，特别涉及一种低摩擦系数高耐磨的craln/cralsin/tac复合涂层及其制备方法。


背景技术：

2.钛合金具有低密度、比强度高、耐腐蚀等优良的综合性能，被广泛地应用在航空、航天、航海和化工等领域，被誉为“第三代金属”，是一种重要的结构金属，同样也是一种重要的战略金属材料。我国钛矿储存量居全球首位，但是钛合金的制造及应用量远不及发达国家。虽然钛合金在我国具有十分广阔的发展市场，但是钛合金表面硬度低、耐磨性差和抗高温氧化性能差等缺点严重限制了钛合金的发展。
3.开发新型钛合金的时间长、成本巨大，对钛合金进行表面改性处理，既可以有效利用钛合金本身的优点，也可以弥补钛合金的缺点。常用的表面改性技术有：(1)激光熔覆技术，具有能生成大量的中间强化相，加工范围灵活，且激光能量可控，熔覆材料多样等优点，但是激光熔覆易形成气孔、氧化、成分偏析和较大残余应等缺陷；(2)等离子喷涂技术，具有工艺简单、成本低和可制备大面积厚涂层等优点，但是存在涂层孔隙率高、涂层与基体间结合强度差和材料疲劳强度低等问题；(3)微弧氧化技术，具有高硬度、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等优良性能，但是存在涂层为疏松多孔结构，耐磨性和耐蚀性差；(4)多弧离子镀技术，具有镀膜环境为真空，无污染，沉积速度快，膜层均匀等优点。目前采用多弧离子镀技术对钛合金进行表面改性的相关报道较少，尤其是使用多弧离子镀技术制备tac涂层的报道更少。
4.单层craln涂层具有较高的硬度、低摩擦系数等优点，cralsin涂层具有极高的硬度、优良的耐磨性和高延展性等特点，tac涂层具有高的耐磨性、耐腐蚀性、低摩擦系数和良好的生物相容性等优点。在tc4钛合金表面制备此三种涂层的复合涂层，既能够保留tc4钛合金本身的优点，又能显著提高tc4钛合金表面硬度和耐磨性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提高钛合金的硬度和耐磨性能，提供一种低摩擦系数高耐磨的craln/cralsin/tac复合涂层及其制备方法，该方法首先通过等离子氮化技术提高tc4钛合金的表面硬度，然后以多弧离子镀技术制备craln过渡层、cralsin中间层和tac表面层，具有极高的高硬度和优良的耐磨性。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.本发明提供一种低摩擦系数高耐磨的craln/cralsin/tac复合涂层及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.步骤一、将tc4钛合金板材线切割成10mm
×
10mm
×
4mm大小的样品，然后用砂纸和抛光机进行打磨抛光，并进行清洗；
9.步骤二、将步骤一中的样品进行等离子渗氮；
10.步骤三、将步骤二中的样品垂直悬挂于多弧离子镀腔室内的转架上进行沉积复合涂层；
11.步骤四、沉积结束后，关电源，停止通氩气和氮气，样品随炉冷却到室温后取出。
12.进一步地，步骤一所述样品分别置于无水乙醇、丙酮和去离子水中超声清洗10～15min，取出烘干；
13.进一步地，步骤二所述等离子渗氮的温度为850～950℃，并进行保温6～8h；
14.进一步地，步骤三中沉积复合涂层需要的靶材为2个cral靶、2个alsi靶、2个纯ta靶和2个石墨靶，所需工作气体为氩气和氮气；
15.进一步地，步骤三中的镀膜工艺为：
16.a.离子清洗工艺：将多弧离子镀真空腔体抽真空至5.0
×
10-4
pa以下，基体预热至350～450℃，通入100～300sccm的氩气，以-600～-800v的负偏压对样品表面清洗10～15min；
17.b.craln过渡层沉积工艺：腔室内温度保持在350～450℃，通入50～100sccm的氩气和200～400sccm的氮气，开启2个纯cral靶，靶材弧电流为80a，基体负偏压设为-100～-300v，沉积10～30min得到craln过渡层；
18.c.cralsin中间层沉积工艺：开启2个alsi靶，靶材弧电流设为100a，沉积60～120min得到cralsin中间层；
19.d.tac层沉积工艺：关闭所有cral靶和alsi靶，并关闭氮气，通入200sccm的氩气，开启2个纯ta靶和石墨靶，靶材弧电流分别为100a和90a，沉积30～60min得到tac涂层。
20.本发明的有益效果为：
21.(1)由于基体硬度对涂层结合力、塑性变形抗力有较大影响，如果直接在低硬度的tc4钛合金上制备硬质涂层，二者的硬度和膨胀系数相差太大，会降低涂层寿命，因此在沉积复合涂层前，采用等离子渗氮技术提高tc4钛合金表面硬度；
22.(2)由于craln和cralsin涂层具有高硬度和优异的耐磨性，采用多层涂层依次沉积而成的梯度结构可以将两种涂层各自的优异性能组合起来，获得了较高的界面结合强度、硬度和耐磨性；
23.(3)由于tac涂层具有极低的摩擦系数和优异的耐磨性，在craln/cralsin梯度涂层上制备tac涂层，能够显著提高复合涂层的表面质量。
附图说明
24.图1为tc4钛合金、氮化层、单层craln涂层、单层cralsin涂层和单层tac涂层的平均硬度。
25.图2为制备涂层前后摩擦系数对比。
26.图3为制备涂层前后磨痕宽度对比。
27.图中：1为tc4钛合金摩擦系数，2为制备涂层之后的摩擦系数，3为tc4钛合金磨痕宽度，4为制备涂层之后的磨痕宽度。
具体实施方式
28.下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，下列实施例是是基于本发明的示范
性阐述说明，并不限于本发明。
29.实施例1：
30.本发明提供一种低摩擦系数高耐磨的craln/cralsin/tac复合涂层及其制备方法，包括以下步骤：
31.步骤一、将tc4钛合金板材线切割成10mm
×
10mm
×
4mm大小的样品，然后用砂纸和抛光机进行打磨抛光，并进行清洗；
32.步骤二、将步骤一中的样品进行等离子渗氮；
33.步骤三、将步骤二中的样品垂直悬挂于多弧离子镀腔室内的转架上进行沉积复合涂层；
34.步骤四、沉积结束后，关电源，停止通氩气和氮气，样品随炉冷却到室温后取出。
35.进一步地，步骤一所述样品分别置于无水乙醇、丙酮和去离子水中超声清洗10～15min，取出烘干；
36.进一步地，步骤二所述等离子渗氮的温度为850℃，并进行保温6h；
37.进一步地，步骤三中沉积复合涂层需要的靶材为2个cral靶、2个alsi靶、2个纯ta靶和2个石墨靶，所需工作气体为氩气和氮气；
38.进一步地，步骤三中的镀膜工艺为：
39.a.离子清洗工艺：将多弧离子镀真空腔体抽真空至5.0
×
10-4
pa以下，基体预热至350℃，通入300sccm的氩气，以-600v的负偏压对样品表面清洗15min；
40.b.craln过渡层沉积工艺：腔室内温度保持在350℃，通入100sccm的氩气和200sccm的氮气，开启2个纯cral靶，靶材弧电流为80a，基体负偏压设为-100v，沉积10min得到craln过渡层；
41.c.cralsin中间层沉积工艺：开启2个alsi靶，靶材弧电流设为100a，沉积80min得到cralsin中间层；
42.d.tac层沉积工艺：关闭所有cral靶和alsi靶，并关闭氮气，通入200sccm的氩气，开启2个纯ta靶和石墨靶，靶材弧电流分别为100a和90a，沉积30min得到tac涂层。
43.实施例2：
44.本发明提供一种低摩擦系数高耐磨的craln/cralsin/tac复合涂层及其制备方法，包括以下步骤：
45.步骤一、将tc4钛合金板材线切割成10mm
×
10mm
×
4mm大小的样品，然后用砂纸和抛光机进行打磨抛光，并进行清洗；
46.步骤二、将步骤一中的样品进行等离子渗氮；
47.步骤三、将步骤二中的样品垂直悬挂于多弧离子镀腔室内的转架上进行沉积复合涂层；
48.步骤四、沉积结束后，关电源，停止通氩气和氮气，样品随炉冷却到室温后取出。
49.进一步地，步骤一所述样品分别置于无水乙醇、丙酮和去离子水中超声清洗10～15min，取出烘干；
50.进一步地，步骤二所述等离子渗氮的温度为850℃，并进行保温6h；
51.进一步地，步骤三中沉积复合涂层需要的靶材为2个cral靶、2个alsi靶、2个纯ta靶和2个石墨靶，所需工作气体为氩气和氮气；
52.进一步地，步骤三中的镀膜工艺为：
53.a.离子清洗工艺：将多弧离子镀真空腔体抽真空至5.0
×
10-4
pa以下，基体预热至350℃，通入300sccm的氩气，以-600v的负偏压对样品表面清洗15min；
54.b.craln过渡层沉积工艺：腔室内温度保持在350℃，通入100sccm的氩气和200sccm的氮气，开启2个纯cral靶，靶材弧电流为80a，基体负偏压设为-200v，沉积20min得到craln过渡层；
55.c.cralsin中间层沉积工艺：同时开启2个alsi靶，靶材弧电流设为100a，沉积100min得到cralsin中间层；
56.d.tac层沉积工艺：关闭所有cral靶和alsi靶，并关闭氮气，通入200sccm的氩气，开启2个纯ta靶和石墨靶，靶材弧电流分别为100a和90a，沉积45min得到tac涂层。
57.实施例3：
58.本发明提供一种低摩擦系数高耐磨的craln/cralsin/tac复合涂层及其制备方法，包括以下步骤：
59.步骤一、将tc4钛合金板材线切割成10mm
×
10mm
×
4mm大小的样品，然后用砂纸和抛光机进行打磨抛光，并进行清洗；
60.步骤二、将步骤一中的样品进行等离子渗氮；
61.步骤三、将步骤二中的样品垂直悬挂于多弧离子镀腔室内的转架上进行沉积复合涂层；
62.步骤四、沉积结束后，关电源，停止通氩气和氮气，样品随炉冷却到室温后取出。
63.进一步地，步骤一所述样品分别置于无水乙醇、丙酮和去离子水中超声清洗10～15min，取出烘干；
64.进一步地，步骤二所述等离子渗氮的温度为850℃，并进行保温6h；
65.进一步地，步骤三中沉积复合涂层需要的靶材为2个cral靶、2个alsi靶、2个纯ta靶和2个石墨靶，所需工作气体为氩气和氮气；
66.进一步地，步骤三中的镀膜工艺为：
67.a.离子清洗工艺：将多弧离子镀真空腔体抽真空至5.0
×
10-4
pa以下，基体预热至350℃，通入300sccm的氩气，以-600v的负偏压对样品表面清洗15min；
68.b.craln过渡层沉积工艺：腔室内温度保持在350℃，通入100sccm的氩气和200sccm的氮气，开启2个纯cral靶，靶材弧电流为80a，基体负偏压设为-300v，沉积30min得到craln过渡层；
69.c.cralsin中间层沉积工艺：同时开启2个alsi靶，靶材弧电流设为100a，沉积120min得到cralsin中间层；
70.d.tac层沉积工艺：关闭所有cral靶和alsi靶，并关闭氮气，通入200sccm的氩气，开启2个纯ta靶和石墨靶，靶材弧电流分别为100a和90a，沉积60min得到tac涂层。
71.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。