多弧離子鍍鋁+加弧輝光滲鈮+反沖離子注入制備Fe-Al-Nb合金層技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬于金屬表面改性領(lǐng)域。具體涉及采用多弧離子鍍技術(shù)鍍Al、加弧輝光滲Nb和反沖離子注入相結(jié)合，制備合金元素均勻分布的Fe-Al-Nb涂層。

背景技術(shù)：
Fe-Al-Nb涂層具有優(yōu)異抗高溫沖蝕和耐磨損性能，在高溫下形成的致密氧化膜對基體具有保護作用，故可用于石油化工、航空航天等領(lǐng)域，解決其關(guān)鍵零部件在使用過程中因高溫燃氣和飛灰而引起的沖蝕磨損問題。到目前為止，已采用高速電弧噴涂和超音速電弧噴涂等表面處理技術(shù)制備出Fe-Al-Nb涂層，但存在與基體的結(jié)合強度低、界面處熱應力較大、易夾雜氧化物且污染環(huán)境等問題。目前已有發(fā)明專利CN201410342568.1采用雙輝等離子表面冶金和熱浸鍍復合技術(shù)制備Fe-Al-Nb合金涂層，但該方法存在表面Al貧化的問題，涂層中Fe、Al、Nb等合金元素呈梯度分布，而非均勻分布，故易造成Al集中于涂層中部，形成高Al脆性相而使得涂層的使用壽命降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是避免涂層亞表面附近高Al脆性相的析出，保證Fe、Al、Nb三種合金元素沿截面方向均勻分布，提高涂層的使用壽命，尤其改善其抗高溫氧化性和耐摩擦磨損性能。為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了多弧離子鍍鋁+加弧輝光滲鈮+反沖離子注入制備Fe-Al-Nb合金層的方法，具體步驟如下：步驟1：首先對鋼材表面進行預表面處理，經(jīng)超聲清洗后烘干；步驟2：采用多弧離子鍍技術(shù)進行鍍Al；步驟3：采用加弧輝光技術(shù)滲Nb；步驟4：采用反沖離子注入技術(shù)轟擊材料表面的薄膜。其中步驟1中所述的拋光為對鋼材進行研磨和拋光處理，使其表面粗糙度Ra達到0.5～2μm，超聲時間為30min。其中步驟2中采用多弧離子鍍技術(shù)在普通鋼材表面鍍Al，其中靶材為99.99％Al。具體選用的工藝參數(shù)是：Ar氣流量：25～35SCCM，工作氣壓：0.4～0.6Pa，靶源電流：50～60A，基體負偏壓：-25～45V，沉積溫度：100～150℃，沉積時間：20～40min，沉積速率：0.2～0.4μm/min。其中步驟3中采用加弧輝光技術(shù)在步驟2中所得的多弧離子鍍Al層外表面再進行滲Nb處理，其中靶材為99.99％Nb。具體選用的工藝參數(shù)是：Ar氣氣壓：25～45Pa，電弧電流：60～80A，極間距：100～140mm，偏壓：500～700V，溫度：800～900℃，工作時間60～100min。其中步驟4中采用反沖離子注入技術(shù)對上述制備所得的鍍Al和滲Nb合金層進行離子轟擊，具體選用的工藝參數(shù)是：離子能量：150～200keV，束流：1～5mA，注入時間20～40min。采用以上方法制備所得的Fe-Al-Nb涂層，各合金元素沿截面方向均勻分布，形成Fe2AlNb、Fe3Al、FeAl、NbC等具有高硬度、高強度的化合物相。本發(fā)明的突出優(yōu)點在于充分發(fā)揮了多弧離子鍍技術(shù)、加弧輝光離子滲鍍技術(shù)和反沖離子注入該三項技術(shù)的各自特點，利用其協(xié)同作用原理，最終實現(xiàn)制備出不含高Al相、元素分布均勻、性能優(yōu)異的Fe-Al-Nb涂層。首先采用多弧等離子鍍技術(shù)在普通碳鋼表面形成鍍Al層，其原理是將純Al靶作為蒸發(fā)源(陰極)，通過與陽極殼體之間的弧光放電，使靶材蒸發(fā)并離化，形成空間等離子體，對工件進行沉積鍍覆。該技術(shù)的突出優(yōu)勢是離化率高、沉積速率高，且工作溫度低，不易造成Al的反濺射現(xiàn)象，在基體表面形成Fe-Al金屬間化合物。故采用該技術(shù)在鋼材表面鍍Al，可大幅度降低采用雙輝技術(shù)滲Al而產(chǎn)生的表面Al貧化現(xiàn)象，以及采用離子注入技術(shù)注Al而產(chǎn)生的注入深度淺(〈1μm)的不足。再采用加弧輝光離子滲鍍技術(shù)在已有的鍍Al層外沉積Nb，充分利用輝光放電與弧光放電，依靠擴散和離子轟擊作用快速滲入已有材料的表面，形成Al-Nb化合物；最后采用反沖離子注入技術(shù)，即利用反沖離子(惰性離子)轟擊材料表面，使涂層中的合金原子(Al和Nb)在高能離子的轟擊作用下，進入基體表面，充分擴散形成最終所需的Fe-Al-Nb金屬間化合物，同時實現(xiàn)了合金元素的均勻分布。附圖說明圖1：本發(fā)明的步驟1表面預處理的示意圖。圖2：本發(fā)明的步驟2多弧離子鍍鍍Al的示意圖。圖3：本發(fā)明的步驟3加弧輝光滲Nb的示意圖。圖4：本發(fā)明的步驟4反沖離子注入的示意圖。圖5：本發(fā)明最后得到的合金層的示意圖。具體實施方式以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。實施例1本實施例1是在以下實施條件和技術(shù)要求下實施的：首先對45鋼表面進行研磨和拋光處理，使其表面粗糙度Ra達到0.5μm，超聲時間為30min。再采用多弧離子鍍技術(shù)在45鋼表面鍍Al，其中靶材為99.99％Al。具體選用的工藝參數(shù)是Ar氣流量為25SCCM，工作氣壓為0.4Pa，靶源電流為50A，基體負偏壓為-25V，沉積溫度為100℃，沉積時間為20min，沉積速率為0.2μm/min。然后采用加弧輝光技術(shù)在上一步所得多弧離子鍍Al層外表面再進行滲Nb處理，其中靶材為99.99％Nb。具體選用的工藝參數(shù)是Ar氣氣壓為25Pa，電弧電流為60A，極間距為100mm，偏壓為500V，溫度為800℃，工作時間為60min。最后采用離子注入技術(shù)對上述制備所得的鍍Al和滲Nb合金層進行離子轟擊，具體選用的工藝參數(shù)是：離子能量為150keV，束流為1mA，注入時間20min。對制備所得復合涂層進行性能測試，在載荷為530g的條件，比磨損率為0.1518×10-3mm3·N-1·m-1，為基體的1/5；在600℃環(huán)境中經(jīng)100h氧化后，復合涂層的增重為1.52mg/cm2，僅為基體的1/4。實施例2本實施例1是在以下實施條件和技術(shù)要求下實施的：首先對45鋼表面進行研磨和拋光處理，使其表面粗糙度Ra達到0.5μm，超聲時間為30min。再采用多弧離子鍍技術(shù)在45鋼表面鍍Al，其中靶材為99.99％Al。具體選用的工藝參數(shù)是Ar氣流量為30SCCM，工作氣壓為0.5Pa，靶源電流為55A，基體負偏壓為45V，沉積溫度為150℃，沉積時間為30min，沉積速率為0.3μm/min。然后采用加弧輝光技術(shù)在上一步所得多弧離子鍍Al層外表面再進行滲Nb處理，其中靶材為99.99％Nb。具體選用的工藝參數(shù)是Ar氣氣壓為35Pa，電弧電流為70A，極間距為120mm，偏壓為700V，溫度為850℃，工作時間為80min。最后采用離子注入技術(shù)對上述制備所得的鍍Al和滲Nb合金層進行離子轟擊，具體選用的工藝參數(shù)是：離子能量為200keV，束流為5mA，注入時間40min。對制備所得復合涂層進行性能測試，在載荷為530g的條件，比磨損率為0.2533×10-3mm3·N-1·m-1，為基體的1/3；在600℃環(huán)境中經(jīng)100h氧化后，復合涂層的增重為1.55mg/cm2，僅為基體的1/4。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對以上實施例所作的任何簡單的修改、等同替換與改進等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍之內(nèi)。