提高制备硬质涂层后金属部件疲劳寿命的方法及表层结构

1.本发明涉及金属部件的硬质涂层及其制备方法。


背景技术：

2.国防军工航空飞机、舰船、军用作战坦克、核电堆等领域关键金属部件，常在高温、高压、高速等苛刻环境下服役，不仅要承受严重的界面摩擦、高温氧化、颗粒冲蚀破坏等压力，而且还经受复杂环境变化引起的高频振动疲劳破坏，实际服役寿命往往较短。
3.为了延长这些关键金属部件服役寿命，硬质涂层因其较高硬度和稳定物化性质，及其对基体自身力学和物化性能影响不大的特点，被认为是改善机械主要零部件摩擦、腐蚀及高温氧化等性能最方便和高效的表面强化措施。然而，在交变载荷下，自身应变能力弱的硬质涂层可形成快速裂纹解理金属部件，或者塑性金属部件表面滑移台阶促进裂纹向涂层表面扩展，最终造成金属部件疲劳寿命降低。这主要是由于硬质涂层与基体在表面平整度、临界断裂应力等物理性能上不匹配造成的。
4.针对上述问题，近年来，人们在硬质涂层结构设计方面做了一些研究工作。如在硬质涂层中引入适当厚度的软质涂层或者调控硬质涂层与软质涂层厚度比值，改善硬质涂层韧性低的特性，钝化由金属部件扩展来的尖端裂纹，达到提升金属部件疲劳寿命的目的。
5.然而，多层硬质涂层结构与金属部件基体之间的不匹配性能仍旧相对较大，尤其是，当镀件在高温环境下疲劳服役时，硬质涂层和金属部件在表面平整度、临界断裂应力等物理性能上的不匹配性将进一步增加，对疲劳裂纹萌生和扩展的抑制能力降低，因此亟需一种提高制备硬质涂层后金属部件疲劳寿命的新方法。


技术实现要素：

6.为消除上述缺陷，本发明之目的在于提供一种提高制备硬质涂层后金属部件疲劳寿命的方法以及一种用于提高金属部件疲劳寿命的金属部件表层结构，以提高制备硬质涂层后金属部件疲劳寿命，推动硬质涂层在金属部件表面改性中的应用。
7.为实现上述目的，本发明提供一种提高制备硬质涂层后金属部件疲劳寿命的方法，包含以下步骤：(1)在制备硬质涂层前，应用强化技术对金属部件基体进行强化处理，使所述金属部件的表面形成应力状态为压应力的压应力强化层；(2)应用涂层制备技术在强化的金属部件基体表面制备硬质涂层。
8.作为优选方式，所述强化技术可以是单一强化技术，也可以是两种或两种以上单一强化方式的组合。
9.作为优选方式，所述单一强化技术是以下强化技术之一：激光冲击强化、喷丸、振动光整、离子注/渗。
10.作为优选方式，在所述步骤(1)中，金属部件表面经强化处理后，沿其表面到内部，压应力是逐渐降低的，压应力强化层控制在3mm以内。
11.作为优选方式，所述硬质涂层的硬度不低于基体的硬度。
12.作为优选方式，所述步骤(1)和步骤(2)分别为：所述步骤(1)：采用n离子浸没注/渗技术对tc6叶片进行表面强化，a.将tc6叶片置于转架之上，开动转动轴数并调至转动轴数1，关闭真空腔体，待真空度达到1
×
10-3pa，开启加热管至450℃；b.氩离子辉光清洗：温度450℃，氩气工作气压1pa，偏压1000v，清洗时间40min；c.强化工艺参数：温度450℃，氮气气压7.5pa，基体电源压-500v，注/渗时间30min；所述步骤(2)：在经步骤(1)强化的叶片表面制备tialcn涂层或tialcrn涂层；另外，所述方法还包括步骤(3)：完成上述tialcn涂层制备之后，待真空室温度下降至80℃时，逐步关闭分子泵和机械泵，打开进气阀，取出tc6叶片。
13.作为优选方式，所述步骤(2)为：a.制备tin层：以金属ti为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在强化的tc6叶片表面制备1μm厚的tin涂层，工艺条件包括：温度450℃，弧流150a，工作气压1pa，偏压-100v；b.制备(ti,al)n层：以金属ti靶材和ti3al1靶材两个靶为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在tin层上制备厚度2.5μm的(ti,al)n层，工艺条件包括：温度450℃，ti靶弧流80a，ti1al3靶弧流160a下，工作气压1pa，偏压-100v；c.制备ticn层：以金属ti为靶材，氮气和乙炔为工作气体，直流电源为弧源，在(ti,al)n层上制备厚度3μm的ticn层。工艺条件包括：温度450℃，靶弧流160a，工作气压0.8pa，乙炔和氮气分压比pc2h2:pn2从0.07逐步上升至0.2，偏压-100v。
14.作为优选方式，所述步骤(2)为：a.制备过渡层cr层：以金属cr为靶材，氩气为工作气体，直流电源为弧源，在强化的tc6叶片表面制备100nm厚的cr过渡层，工艺条件包括：温度450℃，气压1pa，基体偏压-100v；b.制备tialcrn层工艺：以金属cr靶材和ti3al1靶材两个靶为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在过渡层cr层上制备3.5μm tialcrn层，工艺条件包括：温度450℃，cr靶弧流70a，ti1al3靶弧流160a，基体偏压-100v；c.制备tialcrn层：以金属cr靶材和ti3al1靶材两个靶为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在tialcrn层上制备3μm tialcrn层，工艺条件包括：温度450℃，cr靶弧流70a，ti1al3靶弧流160a，基体偏压-60v。
15.另一方面，本发明提供一种用于提高金属部件疲劳寿命的金属部件表层结构，包括：应用强化技术对金属部件基体进行强化处理形成的位于所述金属部件基体表面的压应力强化层，该压应力强化层的应力状态为压应力；在所述压应力层表面形成的硬质涂层。
16.作为优选方式，所述金属部件是tc6叶片，压应力强化层的厚度在3mm以内，并且，沿tc6叶片基体表面到内部，压应力强化层的压应力是逐渐降低的；所述硬质涂层是tialcn涂层或tialcrn涂层。
17.本发明从力学性能匹配的角度出发，在制备硬质涂层之前，对金属部件表面进行强化处理，引入表面压应力，增加其与硬质涂层力学性能的匹配性。
18.本发明通过于塑性金属部件表面引入压应力，协调了塑性金属部件与硬质涂层的变形匹配性，既可降低硬质涂层形成快速裂纹解理金属部件的几率，又可抑制塑性金属部件表面和次表面疲劳裂纹的萌生、扩展和溢出，提升了金属部件的疲劳寿命。尤其是当镀件在高温环境下疲劳服役时，离子体浸没注/渗强化技术可显著抑制基体表面压应力的释放，提高基体与硬质涂层之间高温下的力学匹配性，延长制备硬质涂层后金属部件高温疲劳寿命。本发明工艺简单、工业操作性强，容易实现机械异构件的均匀强化和疲劳寿命提升，推广容易。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅用于解释本发明的构思。
20.图1本发明方法对应的工艺流程图；
21.图2本发明制备硬质涂层后金属部件的结构示意图。
具体实施方式
22.为了更清晰的理解本发明上述目的、特征和优点，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
23.在此记载的实施方式为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施方式外，本领域技术人员还能够基于本技术权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施方式做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
24.本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。
25.本发明的一种提高制备硬质涂层后金属部件疲劳寿命的方法服务于机械零部件实际工况应用。具体方法流程图如图1所示，包括：金属部件基体表面强化和制备硬质涂层两部分。经基体表面强化和制备硬质涂层两部分工艺处理后，得到的制备硬质涂层后金属部件结构示意图如图2所示。制备硬质涂层后金属部件由基体材料1、基体表面的压应力强化层2和硬质涂层3构成。
26.具体流程顺序，如图1所示，首先，应用激光冲击强化、喷丸、振动光整、离子注/渗等单一强化技术或者上述两种及两种以上强化技术的组合，对金属部件基体1的表面进行强化，于1表面形成表面强化层2；之后，经硬质涂层制备方法，在强化层2上制备硬质涂层3。
27.强化技术可以是单一强化技术，也可以是两种或两种以上单一强化方式的组合。单一强化技术包括但不限于：激光冲击强化、喷丸、振动光整、离子注/渗。
28.参见图2，金属部件表面的经强化处理后得到压应力强化层2，压应力强化层2沿其表面到内部，压应力是逐渐降低的，压应力强化层控制在3mm以内。
29.硬质涂层3的硬度优选不低于基体材料1的硬度。
30.下面将结合示例对本发明提供的一种提高硬质涂层疲劳寿命的复合方法进行详细的说明。
31.示例1本实施为提高制备tialcn硬质涂层后tc6叶片疲劳寿命的方法，其步骤如下：
32.(1)采用n离子浸没注/渗技术对tc6叶片进行表面强化。
33.a.将tc6叶片置于转架之上，开动转动轴数并调至转动轴数1。关闭真空腔体，待真空度达到1
×
10-3pa，开启加热管至450℃。
34.b.氩离子辉光清洗：温度450℃，氩气工作气压1pa，偏压1000v，清洗时间40min；
35.c.强化工艺参数：温度450℃，氮气气压7.5pa，基体电源压-500v，注/渗时间30min。
36.(2)在经(1)强化的叶片表面制备tialcn涂层：
37.a.制备tin层：以金属ti为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在强化的tc6叶片表面制备1μm厚的tin涂层。工艺条件包括：温度450℃，弧流150a，工作气压1pa，偏压-100v。
38.b.制备(ti,al)n层工艺：以金属ti靶材和ti3al1靶材两个靶为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在tin层上制备厚度2.5μm的(ti,al)n层。工艺条件包括：温度450℃，ti靶弧流80a，ti1al3靶弧流160a下，工作气压1pa，偏压-100v。
39.c.制备ticn层工艺：以金属ti为靶材，氮气和乙炔为工作气体，直流电源为弧源，在(ti,al)n层上制备厚度3μm的ticn层。工艺条件包括：温度450℃，靶弧流160a，工作气压0.8pa，乙炔和氮气分压比pc2h2:pn2从0.07逐步上升至0.2，偏压-100v。
40.(3)完成上述tialcn涂层制备之后，待真空室温度下降至80℃时，逐步关闭分子泵和机械泵，打开进气阀，取出tc6叶片。
41.在振动疲劳试验平台上，施加最大应力值σmax＝500mpa，获得n离子注/渗强化复合tialcn涂层后tc6叶片的疲劳寿命比未注/渗强化制备tialcn涂层后tc6叶片的提高55％。
42.示例2：本示例是提高制备tialcrn硬质涂层后tc6叶片疲劳寿命的方法，其步骤如下：
43.本示例与示例1具体方式的不同点在于制备涂层部分，即步骤(2)，其他步骤与示例1具体方式相同。步骤(2)的详细步骤如下：
44.(2)叶片表面制备tialcrn涂层：
45.a.制备过渡层cr层工艺：以金属cr为靶材，氩气为工作气体，直流电源为弧源，在强化的tc6叶片表面制备100nm厚的cr过渡层。工艺条件包括：温度450℃，气压1pa，基体偏压-100v。
46.b.制备tialcrn层工艺：以金属cr靶材和ti3al1靶材两个靶为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在过渡层cr层上制备3.5μm tialcrn层。工艺条件包括：温度450℃，cr靶弧流70a，ti1al3靶弧流160a，基体偏压-100v。
47.c.制备tialcrn层工艺：以金属cr靶材和ti3al1靶材两个靶为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在tialcrn层上制备3μm tialcrn层。工艺条件包括：温度450℃，cr靶弧流70a，ti1al3靶弧流160a，基体偏压-60v。
48.在振动疲劳试验平台上，施加最大应力值σmax＝500mpa，获得n离子注/渗强化复合tialcrn涂层后tc6叶片疲劳寿命比未n离子注/渗强化制备tialcrn涂层后tc6叶片的提高220％。
49.以上对本发明的一种提高制备硬质涂层后金属部件疲劳寿命的方法以及一种用于提高金属部件疲劳寿命的金属部件表层结构的实施方式进行了说明，其目的在于解释本发明之精神。对于本发明构思的具体特征可以根据上述披露的特征的作用进行具体设计，这些设计均是本领域技术人员能够实现的。而且，上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据本发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。

技术特征：
1.一种提高制备硬质涂层后金属部件疲劳寿命的方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)在制备硬质涂层前，应用强化技术对金属部件基体进行强化处理，使所述金属部件的表面形成应力状态为压应力的压应力强化层；(2)应用涂层制备技术在强化的金属部件基体表面制备硬质涂层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述强化技术可以是单一强化技术，也可以是两种或两种以上单一强化方式的组合。3.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述单一强化技术是以下强化技术之一：激光冲击强化、喷丸、振动光整、离子注/渗。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，金属部件表面经强化处理后，沿其表面到内部，压应力是逐渐降低的，压应力强化层控制在3mm以内。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬质涂层的硬度不低于基体的硬度。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)分别为：所述步骤(1)：采用n离子浸没注/渗技术对tc6叶片进行表面强化，a.将tc6叶片置于转架之上，开动转动轴数并调至转动轴数1，关闭真空腔体，待真空度达到1
×
10-3pa，开启加热管至450℃；b.氩离子辉光清洗：温度450℃，氩气工作气压1pa，偏压1000v，清洗时间40min；c.强化工艺参数：温度450℃，氮气气压7.5pa，基体电源压-500v，注/渗时间30min；所述步骤(2)：在经步骤(1)强化的叶片表面制备tialcn涂层或tialcrn涂层；另外，所述方法还包括步骤(3)：完成上述tialcn涂层制备之后，待真空室温度下降至80℃时，逐步关闭分子泵和机械泵，打开进气阀，取出tc6叶片。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)为：a.制备tin层：以金属ti为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在强化的tc6叶片表面制备1μm厚的tin涂层，工艺条件包括：温度450℃，弧流150a，工作气压1pa，偏压-100v；b.制备(ti,al)n层：以金属ti靶材和ti3al1靶材两个靶为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在tin层上制备厚度2.5μm的(ti,al)n层，工艺条件包括：温度450℃，ti靶弧流80a，ti1al3靶弧流160a下，工作气压1pa，偏压-100v；c.制备ticn层：以金属ti为靶材，氮气和乙炔为工作气体，直流电源为弧源，在(ti,al)n层上制备厚度3μm的ticn层。工艺条件包括：温度450℃，靶弧流160a，工作气压0.8pa，乙炔和氮气分压比pc2h2:pn2从0.07逐步上升至0.2，偏压-100v。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)为：a.制备过渡层cr层：以金属cr为靶材，氩气为工作气体，直流电源为弧源，在强化的tc6叶片表面制备100nm厚的cr过渡层，工艺条件包括：温度450℃，气压1pa，基体偏压-100v；b.制备tialcrn层工艺：以金属cr靶材和ti3al1靶材两个靶为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在过渡层cr层上制备3.5μm tialcrn层，工艺条件包括：温度450℃，cr靶弧流70a，ti1al3靶弧流160a，基体偏压-100v；c.制备tialcrn层：以金属cr靶材和ti3al1靶材两个靶为靶材，氮气为工作气体，直流电源为弧源，在tialcrn层上制备3μm tialcrn层，工艺条件包括：温度450℃，cr靶弧流70a，ti1al3靶弧流160a，基体偏压-60v。9.一种用于提高金属部件疲劳寿命的金属部件表层结构，包括：
应用强化技术对金属部件基体进行强化处理形成的位于所述金属部件基体表面的压应力强化层，该压应力强化层的应力状态为压应力；在所述压应力层表面形成的硬质涂层。10.如权利要求9所述的金属部件表层结构，所述金属部件是tc6叶片，压应力强化层的厚度在3mm以内，并且，沿tc6叶片基体表面到内部，压应力强化层的压应力是逐渐降低的；所述硬质涂层是tialcn涂层或tialcrn涂层。

技术总结
一种提高制备硬质涂层后金属部件疲劳寿命的方法以及一种用于提高金属部件疲劳寿命的金属部件表层结构，方法包含以下步骤：(1)在制备硬质涂层前，应用强化技术对金属部件基体进行强化处理，使所述金属部件的表面形成应力状态为压应力的压应力强化层；(2)应用涂层制备技术在强化的金属部件基体表面制备硬质涂层。本发明能够提高制备硬质涂层后金属部件疲劳寿命，推动硬质涂层在金属部件表面改性中的应用。应用。应用。


技术研发人员：李刘合 李花 张然 徐晔
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/13