本发明涉及涂层，尤其涉及一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层及其制备方法。
背景技术：
1、针对服役于高温、高速、高压和大温差震荡冲击等复杂苛刻工况下，新一代装备及其零件对表面超强化材料结构设计和表面防护层的综合性能提出了更为严苛的要求。因此设计和制备兼有优异的硬度和韧性的基体结构以及表面耐摩擦磨损、抗烧蚀和抗冲击多种性能耦合的高性能防护层对于满足各类装备及其零件满足在极端环境长期稳定地使役至关重要。
2、层状金属结构是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学和力学性能不同的金属之间实现牢固冶金结合而得到的一种复合结构。其中的各层金属仍保持各自原有的特性，但其整体物理、化学和力学性能比单一金属有了很大的提高。钽钛金属层状结构是实现兼具钛及钛合金的性能与钽及钽合金的性能的主流耦合形式，例如：公开号为cn113183562a的发明专利中选择不同厚度的钛箔和钽箔，交替叠置钛层和钽层，利用扩散连接法把钛箔和不同厚度的钽箔连接起来，制备了梯度异构钛/钽层状复合材料。然而这种传统的金属层状耦合形式的层状复合材料存在固有的结构缺陷和性能限制，即层间存在降低结合强度的脆性金属间化合物以及异种金属之间原子扩散不充分，制约其实现优异的综合性能。
3、在单金属基体表面制备碳/氮化物层是目前国内外提升基体耐磨性的普遍形式。由于钽钛金属和碳/氮元素的亲和力存在差异，常导致元素扩散的速率不同，而且表面单一组元的碳/氮化物层存在对于钽钛金属综合防护性能不能兼具的局限性，例如化学镀单一层与钽钛基体结合强度不高，镀层薄，易产生氢脆；激光熔覆单一涂层中容易产生裂纹和气孔；热喷涂的单一涂层结合力低、孔隙率大、均匀性差等。因此表面单一组元的碳/氮化物层在多重极端服役环境下容易失效，导致使役寿命和可靠性下降。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提出了一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层及其制备方法，利用金属基体之间相互嵌入的耦合形式，有效解决了钽钛金属层状结构存在的固有结构缺陷和性能限制，克服了表面单一组元碳/氮化物层综合防护性能不能兼具的技术问题。
2、本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层的制备方法，包括以下步骤：
3、s1，在钽基片的表面间隔开设多条沟槽，随后在除沟槽以外的钽基片表面喷涂碳化硼；
4、s2，在沟槽内铺设钛粉，钛粉高出沟槽顶部1.5-2.5mm，预压钛粉使其与钽基片表面齐平，随后放入真空热压烧结炉内烧结得到钽钛互嵌结构的基片；
5、s3，将钽钛互嵌结构的基片置于气相沉积设备的反应腔内，真空环境下通入氢气轰击基片，去除表面杂质；
6、s4，通入含有碳源(co2)或氮源(n2)，以及氢气的混合气体，进行碳化或氮化沉积得到互嵌结构的异质碳化物或氮化物梯度涂层。
7、因为，钽钛金属和碳/氮元素的亲和力存在差异，导致元素扩散的速率不同。所以本发明设计了钽钛互嵌的构型，即在钽基片上加工出具有特定形状特征分布沟槽，利用真空热压烧结，使钽钛金属突破传统的层状结构，以实现二维层面的互嵌结构。在制备钽钛互嵌基体结构过程中，通过预压和各组元材料的物理表面预接触结合，金属原子通过以相互紧密接触的物理表面为扩散通道进行相互扩散，扩散的效率大幅提升，大量原子在界面处相互扩散且发生相互作用，形成大量的化学键，不同的金属之间的接触方式由之前的点或者面接触发展成为体接触，最后使得异种金属之间形成更加牢固的冶金结合。
8、此外，本发明利用微波等离子体化学气相沉积技术，在钽钛互嵌的基体上得到了异质碳/氮化物层。本发明利用微波能量对气体高电离、零污染的优势，激发出高能量密度、活性更大的反应等离子体，结合微波对基片趋肤效应和沉积的活化效应、渗扩效应和溅射效应，可实现钽钛异种金属的表面高效沉积。本发明的碳/氮化层的组成和结构渐变为梯度碳/氮化物层，进而在力学和摩擦磨损实现性能互补，协同提升。
9、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1中铺设钛粉前，在除沟槽以外的钽基片表面喷涂碳化硼。
10、具体的，在烧结前，喷涂碳化硼的设计阻挡了烧结过程中钽基片表面的钽钛互扩散，实现钽钛只在设计的沟槽中充分扩散结合。
11、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1中所述沟槽呈网格状分布，或呈矩形、鳞片形、圆形等其他不规则形并阵列式分布。所述沟槽的深度为0.75-1.5mm，宽度和间距为0.75-1.5mm。
12、在以上技术方案的基础上，优选的，所述沟槽呈网格状分布，或呈矩形阵列式分布；在以上技术方案的基础上，优选的，所述沟槽的深度为0.75-1.5mm，宽度和间距为0.75-1.5mm。
13、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1中，烧结温度为1050-1300℃，烧结前半程压力为10mpa，时间为40min-1h，后半程压力逐渐降低直至0mpa，烧结时间为30min。
14、在以上技术方案的基础上，优选的，后半程每隔5min压力依次递减至5mpa、4mpa、3mpa、2mpa、1mpa和0mpa。
15、在以上技术方案的基础上，优选的，烧结结束后，打磨除去烧结样品表面的残余钛。
16、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2中，气相沉积时，反应腔内真空度＜1pa，氢气流量为300sccm，微波功率为4250w-5000w，腔体压力保持18-22kpa，温度为600-750℃，基片轰击时间为20-30min。
17、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3沉积时，微波功率为4250w-5000w，沉积时间为3-6h，碳化沉积温度为850-1050℃，氮化沉积温度为600-850℃。
18、具体的，时间、温度和微波功率三者的工艺参数对实现钽钛同时实现最佳沉积效果的影响最大，因此需要在恰当的微波功率下，调控出适宜的沉积温度和时间的工艺。
19、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3沉积时，反应腔内混合气体中氮原子所占原子百分数为25％-95％，碳原子所占原子百分数为0.5％-2％。
20、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3沉积结束后，关闭碳源或氮源，继续通入氢气，以5-15℃/min的速率冷却至20-30℃，随后关闭氢气。
21、在以上技术方案的基础上，优选的，所述异质碳化物梯度涂层为tac、ta2c、tic和ti2c，所述异质氮化物梯度涂层为tan、ta2n、tin和ti2n。碳或氮化物梯度涂层中的c或n原子含量沿靠近钽钛互嵌结构表面的方向逐渐减少，形成成分梯度结构。其中，与钛接触的氮化物梯度层依次为ti2n和tin，碳化物梯度涂层依次为ti2c和tic；而直接与钽接触的氮化物梯度层依次为ta2n和tan的结论，碳化物梯度涂层依次为ta2c和tac此顺序符合规定的梯度变化和氮原子含量递减的描述。其中，异质碳或氮化物梯度涂层的厚度为6-17μm，钽钛互嵌结构层厚度为0.75mm-1.5mm。
22、本发明中，碳或氮化物梯度涂层形成过程主要在于：
23、本发明利用微波对钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物梯度层的透射效应、金属的反射效应和金属微区的趋肤效应，实现碳化物或氮化物梯度涂层与未反应的钽钛互嵌结构基体之间的连续温度梯度。反应初始阶段，微波能量场激发氢气和含氮气体或含碳气体产生的高活性、高能量密度的等离子体与钽钛互嵌结构表层开始反应，在表层形成碳化物或氮化物层；反应过程中微波能量不断穿透碳化物或氮化物层，反应过程中原子、电子和离子的碰撞迁移和钽钛互嵌结构金属基体对微波的反射引起了微波能量场由表层向内部的梯度衰减，从而表现为连续的温度梯度，这种连续的温度梯度使含碳或含氮等离子体与未反应的钽钛互嵌结构基体的反应活性由表层向钽钛互嵌结构基体纵深不断衰减，实现化学反应和速率的梯度变化，有效地形成了连续梯度结构的高性能异质碳化物或氮化物层，最终形成由tac、tic或tan、tin作为涂层表层，ta2c、ti2c或ta2n、ti2n作为过渡层的具有成分连续分布的复合梯度结构。
24、另一方面，本发明提供了一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层，由上述的方法制备得到。
25、本发明的一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层的制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
26、针对钽钛金属层状结构存在的固有的结构缺陷和性能限制以及表面单一组元的碳/氮化物层存在综合防护性能不能兼具的局限性，本发明利用金属基体之间相互嵌入的耦合形式，一方面通过增大金属之间的扩散面积，促进金属原子间的扩散以实现基体力学性能最大化，另一方面利用金属二维互嵌结构优势，在横纵两个方向实现金属基体功能互补，强韧协同提升的效果。同时采用异质化的防护层克服表面单一涂层的限制，涉及异质防护层间二维空间的相互作用，发挥不同成分的涂层异质微结构的异质性特征，因此异质碳/氮化物层间作用机理更为复杂，防护层-结构-性能的正相关性更大，对探索新型的防护层耦合形式提供重要参考价值。
1.一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层的制备方法，其特征在于：步骤s1中铺设钛粉前，在除沟槽以外的钽基片表面喷涂碳化硼。
3.如权利要求1所述的一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层的制备方法，其特征在于：步骤s1中所述沟槽呈网格状分布或呈矩形阵列式分布，所述沟槽的深度为0.75-1.5mm，宽度和间距为0.75-1.5mm。
4.如权利要求1所述的一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层的制备方法，其特征在于：步骤s1中，烧结温度为1050-1300℃，烧结前半程压力为10mpa，时间为40min-1h，后半程烧结时间为30min，后半程每隔5min压力依次递减至5mpa、4mpa、3mpa、2mpa、1mpa和0mpa。
5.如权利要求1所述的一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层的制备方法，其特征在于：步骤s2中，气相沉积时，反应腔内真空度＜1pa，氢气流量为250-350sccm，微波功率为4250w-5000w，腔体压力保持18-22kpa，温度为600-750℃，基片轰击时间为20-30min。
6.如权利要求1所述的一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层的制备方法，其特征在于：步骤s3沉积时，微波功率为4250w-5000w，沉积时间为3-6h，碳化沉积温度为850-1050℃，氮化沉积温度为600-850℃。
7.如权利要求6所述的一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层的制备方法，其特征在于：步骤s3沉积时，反应腔内混合气体中氮原子所占原子百分数为25％-95％，碳原子所占原子百分数为0.5％-2％。
8.如权利要求7所述的一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层的制备方法，其特征在于：步骤s3沉积结束后，关闭碳源或氮源，继续通入氢气，以5-15℃/min的速率冷却至20-30℃，随后关闭氢气。
9.如权利要求8所述的一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层的制备方法，其特征在于：所述异质碳化物梯度涂层为tac、ta2c、tic和ti2c，所述异质氮化物梯度涂层为tan、ta2n、tin和ti2n，所述碳化物或氮化物梯度涂层的c或n原子含量沿靠近钽钛互嵌结构表面的方向逐渐减少，形成梯度结构。
10.一种具有钽钛互嵌结构的异质碳化物或氮化物涂层，其特征在于：由权利要求1-9任一项所述的方法制备得到。
