CN113718208A

CN113718208A - 多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN113718208A
Application number: CN202111032884.5A
Authority: CN
Inventors: 刘正良; 曾潮流; 杨凌旭; 付超
Original assignee: Songshan Lake Materials Laboratory
Current assignee: Songshan Lake Materials Laboratory
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2021-11-30

Abstract

本发明公开了一种多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法，该涂层的组分质量百分比为：Ni 49.5％～80％，Cr 10％～30％，Al 10％～20％，Y 0～0.5％。本发明制备方法简单易操作，可控性高且成本较低，利用多弧离子镀技术制得相组成为γ/γ’纳米晶涂层，晶界强化和析出强化极大提升了涂层的硬度，可达9.88GPa，进而提高抵抗塑性变形的能力；而且涂层中存在的纳米孔隙，具有弹性变形能力，使得空蚀冲击的能量得到部分耗散而减少自身损伤，遏制空蚀裂纹萌生与扩展，降低空蚀速率，抗空蚀性能优异，另外适用范围广，适合沉积在如铁基，镍基，铜基，铝基等材料上，具有良好的经济性和应用前景。

Description

多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金涂层技术领域，特别涉及一种多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法。

背景技术

空蚀由于其发生范围之普遍，破坏之严重以及机制之复杂一直是困扰工程界和学术界的一大难题。每年因空蚀损伤给水利水电，化学化工和机械制造等多个行业造成了严重的经济损失，如大型水电站每年因空蚀所造成的机组检修带来的经济损失每天数以千万元，但针对此问题至今没有很好的解决方案。

空蚀发生的原因是由于在液体低压区形成的微气泡若发生压力升高，气泡随即发生溃灭形成高速微射流或冲击波击打材料表面造成机械损伤，气泡持续地冲击材料表面将使其发生严重的机械损伤。因此，材料表面的机械性能对空蚀防护至关重要。不锈钢是过流部件常用的结构材料，但其较差的机械性能对空蚀抵抗作用能力较弱，工程上常在其表面施加一层硬质涂层，如WC-Co、Fe基非晶、TiN陶瓷涂层等来进行空蚀防护。但该类涂层本身较差的韧性易导致空蚀裂纹快速地萌生和扩展，大大降低了涂层的防护寿命。因此，制备抗空蚀性能优异的涂层以延长部件的使用寿命无疑具有重要的意义。

发明内容

针对上述不足，本发明目的在于提供一种抗空蚀性能好的多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法。

本发明为实现上述目的，所提供的技术方案是：

一种多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层，其是利用多弧离子镀工艺技术在基体表面沉积而成，兼具纳米晶和纳米微孔结构及强韧性优异优点。所述多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层的组分质量百分比为：Ni 49.5％～80％，Cr 10％～30％，Al 10％～20％，Y 0～0.5％。

多弧离子镀技术是采用阴极电弧蒸发源的一种离子镀技术。利用阴极弧光放电现象，使得靶材表面形成微小的弧斑，其电流密度非常大，可达10^⁵～10^⁷A/cm²。这么大的能量密度可使表面发射金属蒸气流，其速度可达10^⁸m/s，并且施加在基体附近的偏压使蒸气流在到达基体附近后进一步加速，因而制备的涂层与基体具有优良的结合力。蒸气流在到达表面后冷凝结晶，由于蒸气流物质都是原子或分子级别且基体温度较低，形成的涂层一般具有纳米晶结构。涂层中大量的晶界无疑发挥了晶界强化作用，提升了涂层强度。另外，在该成分条件下易析出纳米γ’-Ni₃Al金属间化合物，与基体γ相形成稳定的共格结构，进一步提升了涂层强度。

然而，在沉积过程中不可避免地产生“大颗粒”污染问题，所谓大颗粒，这是由于弧斑局部相当高的能量密度不仅为靶材提供了从固态到完全离化等离子体的局部相变条件，同时也使一些液滴直接从阴极表面喷射出来，利用加速离子和等离子压力输送至基体表面。大颗粒的形成导致涂层中残余少量纳米级孔隙，均匀分布的孔隙降低了涂层的弹性模量。在空蚀冲击时，“松散的”涂层产生较大的弹性位移，耗散了更多的空蚀能量，提高了涂层的抗空蚀性能。虽然孔隙一定程度上降低了涂层的致密度，但可通过控制工艺参数调整孔隙率，弱化孔隙等缺陷对抗空蚀能力的危害，并且涂层本身较高的强度保证了涂层不容易发生不可逆的塑性变形，因此涂层的断裂强度得到提高。

通过以上两方面，增强了表面强度和弹性变形能力，因此提高了涂层的强韧性，抑制了疲劳裂纹的萌生与扩展，涂层的抗空蚀能力得到显著提升。

所述的多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层不仅可以用于所有不锈钢，也可以用于镍铝青铜、铝青铜、低合金钢、碳钢、Ni基合金和铝合金等各种基体上，适用范围广。如应用于螺旋桨、水轮机叶片等大型设备上，也可应用于不锈钢管道，水泵叶片和阀门等小部件的空蚀防护，延长设备的服役时间，极大地降低设备因空蚀破坏的维修频率，提高设备的使用效率。

一种上述多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层的制备方法，其包括以下步骤：

(1)按照配方称取适应质量分数比的Ni、Cr、Al和Y，并放入熔炼炉内，在真空条件下加热熔炼，在氩气保护条件下，熔炼成铸锭；为保证铸锭的成分组织均匀性，可采用多次熔炼的方式来获得；为方便加工，铸锭优选成圆柱形状；

(2)对铸锭加工成靶材，利用多弧离子镀设备，将靶材引弧后使其发生弧光放电，靶材表面成分得以蒸发沉积在对面的基体表面，实现在基体的表面形成多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层。

作为本发明的一种优选方案，由于铝粉属于危险品，固优选采用块状的铝块来代替，而Ni、Cr和Y可以采用粉状。

作为本发明的一种优选方案，在所述步骤(2)之前，预先对基体表面进行预处理，所述预处理包括机械磨抛、除油和清洗超声中的一种或多种。如采用2000#砂纸对基体表面进行磨抛，在乙醇和丙酮的混合溶液中进行超声清洗15min后以去除杂质、油污等，有利于后续喷涂材料与基体的结合，然后吹干后备用；在预处理完后，将基体不需要沉积的部位包裹住。如用铝箔将所述基体带有螺纹的部分包裹住，只露出需要沉积涂层的那一面，有效防止在后续基体的装备过程中沉积在螺纹部分的涂层对基体的失重造成影响。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤(2)的工艺参数为：多弧离子镀设备腔室的背底真空低于1×10^^-2Pa，沉积时氩气压力约为1×10^^-1Pa，即在0.9×10^^-1Pa～1.1×10^^- ¹Pa之间，基体与靶材的距离为20～25cm，直流电源的电流为60～80A，采用脉冲电源施加基体偏压50～300V，占空比为20～30％，基体温度控制在150～250℃，沉积时间为40～100min。

作为本发明的一种优选方案，在所述步骤(2)的沉积之前，利用高能粒子轰击去除基体表面吸附的少量污染物，以提高涂层与基体的结合力。具体的，在腔室的背底真空低于1×10^^-2Pa后，保持基体偏压约为900V，占空比20％，直流电源为60～80A，轰击时间为3～5min。轰击完成后再按上述步骤(2)的工艺参数沉积多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层。

本发明的有益效果为：本发明利用多弧离子镀技术制得相组成为γ/γ’纳米晶涂层，晶界强化和析出强化极大提升了涂层的硬度，可达9.88GPa的显微硬度，远高于不锈钢基体4.31GPa的显微硬度，进而提高了涂层抵抗塑性变形的能力；而且涂层中存在的纳米孔隙提升了涂层的弹性变形能力，具有小于2％的孔隙率，较高的弹性回复率41.37％，接近形状记忆合金NiTi的弹性回复率48.37％，有效地提升了涂层的弹性变形能力，使得空蚀冲击的能量得到部分耗散而减少自身损伤，遏制空蚀裂纹萌生与扩展，降低了空蚀速率，只有0.081mg/h的空蚀速率，比304L不锈钢的1.5mg/h低两个数量级，表现出优异的抗空蚀性能，另外适用范围广，适合沉积在如铁基，镍基，铜基，铝基等多种常见材料上。本发明提供的多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层的制备方法工艺流程简单易操作，可控性高且成本较低，由于离化率较高，所制备的涂层与基体具有良好的结合力，综合性能优越，具有良好的经济性和应用前景。

附图说明

图1为基体样品的结构示意图。

图2是本发明实施例1、2的涂层的扫描和透射形貌图。

图3是本发明实施例1、2的涂层与304L不锈钢的位移载荷曲线图。

图4是本发明实施例1、2的涂层与304L不锈钢的空蚀失重曲线图。

图5是本发明实施例1、2的涂层空蚀10h与304L不锈钢空蚀5h后的表面形貌。

具体实施方式

本发明实施例中以选用基体材料304L不锈钢为例进行说明，其他实施例中，也可以应用于镍基、铜基、铝基等基体上等。304L不锈钢具有优异的耐海水腐蚀性能和力学性能，常用于舰船上管道、弯头、阀门等关键部件的制造、海水泵的叶片材料以及蒸汽冷凝管的制备等。但是，随着使用时间的延长，304L不锈钢的耐蚀性及其抗空蚀性能随着使用时间的延长会显著下降。特别是随着舰船、水轮机等流体机械不断向高速、大功率方向发展，对材料的综合力学性能提出了更高的要求。在失效断裂前，材料通过弹塑性变形来耗散空蚀冲击能量。人们通常用高硬度的涂层来抵抗空蚀作用，但是由于空蚀所造成微射流打击粒力度很大，且其持续时间和频率都很高，易造成不可控的脆性断裂。如果能在保持涂层的高硬度的条件下，增加涂层弹性变形的能力，这样就使得材料在受到空蚀冲击时，首先利用弹性变形耗散了部分的空蚀能量，大大降低了使涂层发生塑性变形的冲击载荷，减缓了裂纹的萌生，最后达到抑制空蚀发生的作用。

实施例1：本实施例提供一种多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法，其包括以下步骤：

(1)按照配方称取质量分数比的Ni粉64.5％、Cr粉25％、Al块10％、Y粉0.5％，放入多功能真空感应熔炼炉内，先放入低熔点的铝块，在真空条件下通过感应加热熔炼原材料，在氩气保护条件下，熔炼成圆柱形铸锭。之后将圆柱形铸锭机加工成直径100mm、高度40mm的圆锭；

(2)将商用304L不锈钢加工成带有螺纹的形状作样品(基体)，参见图1，该样品包括螺纹部1和沉积面部2，通过螺纹部1便于安装在空蚀机的样品台上。把需要沉积样品的沉积面部2采用2000#砂纸打磨，然后在乙醇和丙酮的混合溶液中超声清洗15min后以去除杂质、油污等，接着吹干后备用；

(3)用铝箔将样品带有螺纹的螺纹部1包裹住，只露出需要沉积涂层的沉积面部2；

(4)将样品悬挂在腔室中心，保持样品需要沉积涂层一面正对靶材，离靶材表面约20mm，整个过程样品保持静止。将腔室的背底真空约为1×10^^-2Pa，通入高纯氩气，压力保持为1×10^^-1Pa。首先采用脉冲电源对基体施加900V的偏压，占空比20％，直流电源为70A，轰击时间为5min，以去除样品表面污染物。随后调整基体偏压为50V，占空比25％，基体温度控制在150～250℃，沉积时间约为70min。

实施例2：本实施例提供一种多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法，其包括以下步骤：

(1)按照配方称取质量分数比的Ni粉64.5％，Cr粉25％，Al块10％，Y粉0.5％，放入多功能真空感应熔炼炉内，先放入低熔点的铝块，在真空条件下通过感应加热熔炼原材料，在氩气保护条件下，熔炼成圆柱形铸锭。之后将其机加工成直径100mm、高度40mm的圆锭。

(2)将商用304L不锈钢加工成带有螺纹的形状作样品(基体)，该样品包括螺纹部和沉积面部，通过螺纹部便于安装在空蚀机的样品台上。把需要沉积样品的沉积面部采用2000#砂纸打磨，然后在乙醇和丙酮的混合溶液中超声清洗15min后以去除杂质、油污等，接着吹干后备用。

(3)用铝箔将样品带有螺纹的螺纹部包裹住，只露出需要沉积涂层的沉积面部；

(4)将样品悬挂在腔室中心，保持样品需要沉积涂层一面正对靶材，离靶材表面约20mm，整个过程样品保持静止。将腔室的背底真空约为1×10^^-2Pa，通入高纯氩气，压力保持为1×10^^-1Pa。首先采用脉冲电源对基体施加900V的偏压，占空比20％，直流电源为70A，轰击时间为5min，以去除基体表面污染物。随后调整基体偏压为250V，占空比25％，基体温度控制在150～250℃，沉积时间为约70min。

实施例3：本实施例提供一种多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法，其与实施例2基本一致，区别在于，涂层的组分质量百分比为：Ni粉49.5％，Cr粉30％，Al块20％，Y粉0.5％。

实施例4：本实施例提供一种多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法，其与实施例2基本一致，区别在于，涂层的组分质量百分比为：Ni粉80％，Cr粉10％，Al块10％。

实施例5：本实施例提供一种多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法，其与实施例2基本一致，区别在于，涂层的组分质量百分比为：Ni粉70％，Cr粉20％，Al块10.7％，Y粉0.3％。

实施例6：本实施例提供一种多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法，其与实施例2基本一致，区别在于，涂层的组分质量百分比为：Ni粉54.6％，Cr粉30％，Al块15％，Y粉0.4％。

实施例7：本实施例提供一种多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法，其与实施例2基本一致，区别在于，涂层的组分质量百分比为：Ni粉65％，Cr粉17.9％，Al块17％，Y粉0.1％。

上述实施例为本发明作进一步说明的较好实施方式，本发明不能一一列举出全部的实施方式，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。凡采用上述实施例之一的技术方案，或根据上述实施例所做的等同变化，均在本发明保护范围内。并且，本发明优选出两种不同偏压制备的涂层与未施加涂层的不锈钢基体进行对比，两种涂层分别用LV coating(低偏压)和HV coating(高偏压)表示。将优选出的两种偏压状态下涂层在磁致振动空蚀机上检测其抗空蚀性能。其中实施例1为低偏压，实施例2为高偏压。

参见图2中(a)、(c)，为实施例1低偏压涂层的扫描和透射形貌，参见参见图2中(b)、(d)，为实施例2高偏压涂层的扫描和透射形貌。通过对比，可以看出低偏压下的涂层孔隙率比高偏压下的孔隙率高，两者都是纳米晶结构，但高偏压下晶粒更加细小。

参见图3，在恒压力10mN状态下测得实施例1低偏压涂层、实施例2高偏压涂层和基体的位移载荷曲线，施加涂层后硬度和弹性回复率得到明显的提高。

参见图4，通过空蚀曲线可以看出实施例1低偏压涂层、实施例2高偏压涂层的空蚀失重明显低于基体，并且高偏压涂层的抗空蚀性能最好。

为进一步表示样品空蚀后的形貌，参见图5的(a)、(b)、(c)，依次是304L不锈钢空蚀5h后的表面形貌、实施例1低偏压涂层空蚀10h后的表面形貌、实施例2高偏压涂层在空蚀10h后的表面形貌。

通过图5中(a)可以看出304L不锈钢基体空蚀5h就受到严重的空蚀损伤，整体表面均被破坏了。通过图5中(b)可以看出低偏压涂层在空蚀10h后，其表面仍未被全部破坏，只是个别位置相对产生了较深的空蚀坑，整体空蚀损伤相对不是很严重，具有一定保护效果。通过图5中(c)可以看出高偏压涂层即使在空蚀10h后，其表面几乎未受到明显的空蚀损伤,抗空蚀效果好。

经实验测试，本发明制备的多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层具有良好的结合强度，表现出高达9.88GPa的显微硬度，远高于不锈钢基体4.31GPa的显微硬度，具有小于2％的孔隙率，较高的弹性回复率41.37％，接近形状记忆合金NiTi的弹性回复率48.37％，有效地提高了涂层的机械性质。而且本发明多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层表现出只有0.081mg/h的空蚀速率，比304L不锈钢的1.5mg/h低两个数量级，表现出优异的抗空蚀性能。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它涂层及方法，均在本发明保护范围内。

Claims

1.一种多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层，其特征在于，其的组分质量百分比为：Ni49.5％～80％，Cr 10％～30％，Al 10％～20％，Y 0～0.5％。

2.根据权利要求1所述的多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层，其特征在于，其具有纳米晶粒和纳米微孔的微观结构。

3.根据权利要求1或2所述的多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层，其特征在于，其通过多弧离子镀工艺沉积在基体表面，所述基体为不锈钢、镍铝青铜、铝青铜、低合金钢、碳钢、Ni基合金或铝合金。

4.一种权利要求1-3中任意一项所述多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)按照配方称取适应质量分数比的Ni、Cr、Al和Y，并放入熔炼炉内，在真空条件下加热熔炼，在氩气保护条件下，熔炼成铸锭；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述Al为块状的铝块，先将铝块放入熔炼炉，再放入Ni、Cr和Y。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的熔炼为多次。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述铸锭为圆柱形。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)之前，预先对基体表面进行预处理，所述预处理包括机械磨抛、除油和清洗超声中的一种或多种，在预处理完后，将基体不需要沉积的部位包裹住。

9.根据权利要求4或8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的工艺参数为：多弧离子镀设备腔室的背底真空低于1×10^^-2Pa，沉积时氩气压力为0.9×10^^-1Pa～1.1×10^^- ¹Pa，基体与靶材的距离为20～25cm，直流电源的电流为60～80A，采用脉冲电源施加基体偏压50～300V，占空比为20～30％，基体温度控制在150～250℃，沉积时间为40～100min。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的沉积之前，利用高能粒子轰击去除基体表面吸附的污染物。