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大弧源电弧离子镀厚膜沉积及其应用

胡小刚  
【摘要】:超出10微米的厚膜在许多工业领域有着重大需求,如核电、航空航天、机械、汽车、石油化工、船舶等领域。厚膜可以容纳更多的内部缺陷,并且避免缺陷连接导致的贯穿性破坏,提高膜层的耐磨、耐蚀、抗氧化性能、延长损耗时效。如核燃料包壳管销合金表面需要制备大厚度膜层以提高其事故容错能力,增强高温抗氧化性能、延长服役时效;汽车内燃机活塞环在高温高压往复摩擦的工况下,需要制备大厚度耐磨膜层以提高其服役时效和耐磨性能。传统的厚膜制备技术如电镀、喷涂等存在难以克服的问题,如膜层多孔、污染严重、镀液后处理等,膜层性能无法进一步提高。以电弧离子镀为代表的技术可以制备高品质膜层且环境友好,成为物理气相沉积(PVD)方法中沉积厚膜最具潜力的技术。目前电弧离子镀制备厚膜仍需克服金属熔滴多、残余应力大、生长速率慢等困难。为解决上述问题需要综合考虑弧源技术优化、材料和工艺,实现在增加厚度的同时降低缺陷密度。本工作与大连纳晶科技有限公司联合开发了新型0155 mm大面积电弧源技术,弥补了传统弧源面积小、速率慢、熔滴多、磁场不均匀、靶材调整灵活性差等诸多问题,具备工作面积大、生长速率快、熔滴少、弧斑运动均匀快速、双磁场多模式控制等优点,为厚膜的沉积提供了硬件基础,尤其应用在核电和机械领域。通过对新型大面积电弧源的沉积参数进行调制,研究了适配大弧源的厚膜沉积工艺以及提高膜基结合力的工艺。获得了快速沉积、均匀致密、缺陷少的基础沉积参数;结合表面防护为主要目的工业需求,以核用Zr-4合金、不锈钢SUS304为基体材质,沉积了三类厚膜,包括单质金属Cr单层膜、金属与金属氮化物Cr/CrN多层膜、和MAX相金属陶瓷Ti2AlC梯度膜,涵盖了该领域常采用的材料和制备方法。本文的结果充分展示了新型大面积电弧源技术和厚膜设计工艺在沉积多类型厚膜上的应用潜力,得出以下主要结论。(1)核电行业迫切需要一种制备优异厚膜的表面技术,以提高核燃料包壳管的事故容错能力,避免Zr-4合金与高温水蒸气反应生成爆炸性氢气。本工作采用新型大面积电弧源技术,在Zr-4合金表面,制备了均匀、平整、致密的20 μm Cr厚膜,其生长速率达到3.6 μm/h(工业化生长速率),采用特殊的高压复扫工艺使膜基界面处产生冶金结合,结合力优异(100N),可经受至少15.8%的形变量不脱落,承受模拟事故条件下(1000℃,1100℃和1200℃,1小时)的高温氧化。在经受最苛刻测试后(1200℃/1小时),形成三层成分保护;仍能残余约6.8 μm的Cr膜层良好地结合在基体上,形成有效屏障,大厚度显然可以承受多次氧化开裂消耗,另外对裂纹、鼓泡、隆起等缺陷的形成进行了解释。结果充分显示:大面积电弧源及工艺设计能够快速制备单质金属厚膜,膜层致密、均匀,结合力优异,核燃料包壳管在沉积该种厚膜后,可以满足常规工况和事故条件下(1000 ℃高温)的要求。(2)机械领域使用的传统电镀硬Cr需要新型厚膜技术进行替代,以满足造纸机筛鼓叶片在含有砂砾铁钉纸浆中连续工作的耐磨性需求,解决电镀硬Cr厚膜硬度低、磨损快、氧化性差等问题。采用大面积电弧源技术和膜层设计,在筛鼓叶片(304不锈钢)上,沉积了 42 μm的Cr/CrN多层厚膜,平均生长速率达到3.4 μm/h(工业化生长速率)。测试了该部件在实际摩擦磨损工况下的服役行为,结果显示Cr/CrN多层膜的摩擦性能相较于单层Cr得到提高,Cr/CrN的摩擦系数由Cr的0.798降低至0.353,由无防护基体的磨痕宽度320 μm下降至185 μm,磨损仅停留在厚膜表面,磨损速率低,呈磨粒磨损;Cr调制层可提高至少18.4%的显微硬度;膜层的结合力保持在60 N的较好水平,满足服役要求;42 μm的Cr/CrN多层厚膜在1000℃(10h)的高温氧化下,氧化深度被限制在2.3 μm内,氧元素无法深入影响基体;Cr/CrN多层厚膜存在N扩散机制,这与高温沉积以及高能粒子流轰击相关。结果充分显示,新型大面积电弧源技术与工艺设计,可用于快速沉积金属与金属氮化物多层防护厚膜,具有替代传统电镀硬Cr的潜力,并成功应用于造纸机筛鼓叶片上。(3)新型大面积电弧源与其他薄膜制备技术结合,可在核反应堆的锆合金结构件上,制备复杂多组元的MAX相Ti2AlC厚膜,以提高锆合金工件的耐事故能力。复合技术可以避免引入H元素造成氢脆,在核用Zr-4合金表面快速沉积,获得约20 μm致密的Ti-Al-C膜层。550 ℃、650℃、750℃和850℃的真空退火研究显示,最低需要650℃能够获得Ti2AlC结构,更高的温度会加速Ti2AlC的生成,高温对制备Ti2AlC相厚膜是必备的。结果证明大面积电弧源技术亦可与其他镀膜技术合理组合,快速沉积多组元陶瓷厚膜。


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