具体实施方式

鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的一个方面提供的一种耐高压抗磨蚀防护复合涂层包括依次形成于基体表面的Cr过渡层和NiCr_xN层，且1.6≤x≤2.0；其中，所述NiCr_xN层中的Ni原子以纳米晶的形式镶嵌在Cr_xN晶体的晶格结构中，所述Cr_xN晶体的晶格结构包括由CrN相和Cr₂N相形成的混合相结构。

具体的，本发明中的耐高压抗磨蚀防护复合涂层的结构示意图如图1所示。

本发明中的耐高压抗磨蚀防护复合涂层能够服役环境为：海底10MPa～50MPa的高水压，同时300N～1200N的高载荷环境中。

在一些较为具体的实施方案中，所述NiCr_xN层中Ni的含量为11～20wt％。

在一些较为具体的实施方案中，所述Cr过渡层的厚度为150～250nm。

进一步的，所述NiCr_xN层的厚度为2.8～5.6μm。

进一步的，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层的总厚度为3.3～6.1μm。

在一些较为具体的实施方案中，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层在压力为15MPa、3.5wt％NaCl溶液中的自腐蚀电流密度为4×10^-10～5×10^-10A·cm^-2。

进一步的，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层的纳米硬度为16～22GPa，弹性模量为195～253GPa。

进一步的，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层在压力为15MPa、载荷为1200N、3.5wt％NaCl溶液中与密封环(如PEEK圆环)配副时，摩擦系数小于0.015。

本发明实施例的另一个方面还提供了前述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层的制备方法，其包括：

提供基体；

采用高功率磁控脉冲溅射技术在所述基体表面沉积形成Cr过渡层；

以及，采用高功率磁控脉冲溅射技术复合直流磁控溅射技术(即：采用高功率磁控脉冲溅射技术和直流磁控溅射技术的双靶共溅射技术)在所述Cr过渡层表面沉积形成NiCr_xN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。

在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法具体包括：将所述基体置于反应腔体中，以Cr靶为靶材，以惰性气体为工作气体，采用高功率脉冲磁控溅射技术，在所述基体表面沉积形成Cr过渡层，其中所述高功率脉冲磁控溅射技术采用的溅射源占空比为5％～15％，高功率磁控脉冲溅射源的功率为2000～3500W，基体脉冲偏压为-100～-200V，惰性气体流量为50～55sccm，沉积温度为150～250℃，沉积时间为5～6min。

进一步的，所述惰性气体包括氩气，且不限于此。

在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法具体包括：采用高功率磁控脉冲溅射技术和直流磁控溅射技术，以惰性气体和氮气为工作气体，在所述Cr过渡层表面沉积形成NiCr_xN层，其中，NiCr靶采用直流磁控溅射源，Cr靶采用高功率磁控脉冲溅射源，所述高功率脉冲磁控溅射技术采用的溅射源占空比为5％～15％，高功率磁控脉冲溅射源的功率为2000～3500W，直流磁控溅射源的功率为1500～2500W，基体脉冲偏压为-100～-200V，惰性气体与氮气的流量比为3∶1～1∶1，沉积温度为150～250℃，沉积时间为180～200min。

进一步的，所述惰性气体包括氩气，且不限于此。

在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法还包括：先对基体的表面进行预处理。

进一步的，所述预处理包括：将基体置于反应腔体中，抽真空至3.0×10^-5Torr以下，之后将反应腔体加热至100～150℃，打开线性离子源和脉冲偏压对基体进行偏压刻蚀清洗30～45min，其中线性离子源的电流为0.1～0.3A，脉冲偏压为-100～-250V。

在一些较为具体的实施方案中，所述基体包括金属基体，且不限于此。

进一步的，所述金属基体包括不锈钢基体，且不限于此。

更进一步的，所述不锈钢基体包括431不锈钢、17-4HP不锈钢或2507不锈钢，且不限于此。

在一些更为具体的实施方案中，所述耐高压抗磨蚀防护复合涂层的制备方法包括：

(1)将基体表面进行预处理：

将金属基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10^-5Torr，之后使腔室加热100～150℃，打开线性离子源和脉冲偏压对基体进行偏压刻蚀清洗30～45min，其中线性离子源电流和脉冲偏压分别为0.27～0.36A和-200～-250V。

(2)采用高功率磁控脉冲溅射技术在金属基体表面沉积Cr过渡层；

作为优选，沉积Cr过渡层的条件包括：Cr靶，氩气流量50～55sccm，沉积时间5～6min，高功率磁控脉冲溅射源功率和脉冲偏压分别为2500w和-150～-200V。

(3)采用高功率磁控脉冲溅射技术和直流磁控溅射技术的双靶共溅射的方式在Cr过渡层上沉积NiCrxN层。

作为优选，沉积NiCr_xN层的条件包括：Cr靶，NiCr靶，氩气流量和氮气流量比为1∶1，沉积时间180～200min，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，高功率磁控脉冲溅射源功率、直流磁控溅射源的电流和脉冲偏压分别为2500W、0.8～1.2A和-150～-200V。

本发明中的耐高压抗磨蚀防护复合涂层与不锈钢基体的结合强度为20～25N，在15MPa高压下的3.5wt％NaCl溶液中的自腐蚀电流密度低至4～5×10^-10A·cm^-2，较不锈钢基体降低一个数量级以上；复合涂层的纳米硬度为16～22GPa，弹性模量为195～253GPa；复合涂层在15MPa高压下3.5wt％NaCl溶液中1200N载荷下与PEEK圆环配副时摩擦系数＜0.015；在海水高水压环境下呈现高的腐蚀和磨蚀抗力，在海水泵运动部件的表面防护领域显示出巨大的应用潜力。

本发明制备的耐高压抗磨蚀防护复合涂层在海底10～50MPa高水压，同时在300～1200N高载荷下的复杂苛刻环境下具有高的润滑性、高耐磨性、高耐蚀性。

本发明实施例的另一个方面还提供了前述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层于深海高压高载荷环境下金属表面防护领域中的用途。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种海水泵运动部件，所述海水泵运动部件的表面设置有前述的耐高压抗磨蚀防护复合涂层。

下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。

实施例1

本实施例中，基体材料为431不锈钢，涂层的结构如图1所示，其中涂层总厚度为3.1μm。

上述431表面的涂层制备步骤如下：

步骤1：将431不锈钢基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10^-5Torr后打开加热器并设定加热温度为150℃，待温度到达后向真空腔室通入40sccm流量的高纯氩气，打开线性离子源和脉冲偏压，分别设定线性离子源电流和脉冲偏压为0.28A和-200V，对431不锈钢基体进行偏压刻蚀清洗30min；

步骤2：通入50sccm流量的高纯氩气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率和脉冲偏压为10％、2500W和-150V，采用高功率磁控溅射技术在不锈钢基体表面溅射5min，沉积温度为200℃，制备Cr过渡层；

步骤3：通入50sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源、直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率、直流磁控溅射源的功率和脉冲偏压为10％、2500W、2000W和-150V，采用高功率磁控溅射源和直流磁控溅射技术在Cr层上溅射180min，沉积温度为200℃，制备NiCr_xN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。

本实施例制备的耐高压抗磨蚀防护复合涂层截面SEM照片如图2所示，所制备的复合涂层呈NiCr_xN层和Cr层结构，涂层致密完整无明显缺陷，且与不锈钢基体结合紧密，涂层总厚度为3.23μm，所制备涂层的纳米硬度为18GPa，弹性模量为224GPa；在3.5wt％NaCl溶液中为期16天的15MPa高压浸泡测试表明，所制备涂层的阻抗模值在浸泡后随时间的推移愈来愈高，维持在1.4×10⁶Ω·cm²，高于431不锈钢基体一个数量级以上，显示出对431不锈钢优异的长期高压下的腐蚀防护能力。图3为复合涂层的COF变化曲线，在3.5wt％NaCl溶液中15MPa的水压下和1200N载荷下与Φ16mm外径为Φ30mm的PEEK圆环进行的旋转摩擦磨损测试时(转速1000r/min)，所制备涂层在时长1h(滑行距离1.9km)的测试过程中始终保持摩擦系数＜0.015，涂层表面仅有轻微的磨损损伤(如图4所示)，显示出对431不锈钢在深海高压高载荷的环境中的长寿命磨蚀防护性能。

实施例2

本实施例中，基体材料为17-4HP不锈钢，涂层包括Cr过渡层和NiCr_xN层，涂层总厚度为4.3μm。

上述17-4HP表面的涂层制备步骤如下：

步骤1：将17-4Hp不锈钢基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10^-5Torr后打开加热器并设定加热温度为150℃，待温度到达后向真空腔室通入40sccm流量的高纯氩气，打开线性离子源和脉冲偏压，分别设定线性离子源电流和脉冲偏压为0.28A和-200V，对17-4Hp不锈钢基体进行偏压刻蚀清洗30min；

步骤2：通入50sccm流量的高纯氩气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率和脉冲偏压为10％、2500W和-150V，采用高功率磁控溅射技术在不锈钢基体表面溅射6min，沉积温度为200℃，制备Cr过渡层；

步骤3：通入40sccm流量的高纯氩气和40sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源、直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率、直流磁控溅射源的功率和脉冲偏压为10％、2500W、2000W和-150V，采用高功率磁控溅射源和直流磁控溅射技术在Cr层上溅射180min，沉积温度为200℃，制备NiCr_xN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。

本实施例制备的耐高压抗磨蚀防护复合涂层的纳米硬度为19GPa，弹性模量为230GPa；在3.5wt％NaCl中的电化学阻抗谱和动电位极化曲线测试结果表明，所制备涂层的极化电阻和自腐蚀电流密度分别为6.8×10⁶Ω·cm²和2.8×10^-10A·cm^-2，明显提高了17-4Hp基体的电化学腐蚀抗力。在3.5wt％NaCl溶液中30MPa水压下和1200N载荷下与Φ16mm外径为Φ30mm的PEEK圆环进行的旋转摩擦磨损测试时(转速1000r/min)，所制备涂层在时长1h(滑行距离1.9km)的测试过程中最终稳定到摩擦系数＜0.02，涂层表面仅出现浅显的磨损痕迹，显示出对17-4HP在海水环境中优异的磨蚀防护性能；磨损性能如图6所示。

对比例1

本实施例为实施例2的对比实施例。

本实施例中，基体为17-4HP不锈钢。涂层为Cr过渡层和Cr_xN层，涂层总厚度为3.8μm。

上述17-4HP不锈钢表面的涂层制备步骤如下：

步骤1：同实施例2中的步骤1；

步骤2：同实施例2中的步骤2；

步骤3：通入40sccm流量的高纯氩气和40sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源和脉冲偏压为10％、2500W、-150V，采用高功率磁控溅射源技术在Cr层上溅射180min制备Cr_xN层，从而获得复合涂层。

纳米压痕测试结果表明，所制备涂层的纳米硬度为14GPa，弹性模量165.5GPa，弹性模量明显低于实施例1中制备的NiCr_xN层；在3.5wt％NaCl溶液中15MPa高压下1200N载荷下时长1h的磨蚀测试中，所制备涂层COF＜0.08，但涂层的韧性表现不佳，表面已出现明显碎裂剥落，如图5所示。

对比例2

本实施例为实施例2的对比实施例。

本实施例中，基体为17-4HP不锈钢。涂层为Cr过渡层和NiCrN层，涂层总厚度为3.8μm。

上述17-4HP不锈钢表面的涂层制备步骤如下：

步骤1：同实施例2中的步骤1；

步骤2：同实施例2中的步骤2；

步骤3：通入40sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，分别设定直流磁控溅射源的功率、直流磁控溅射源的电流和脉冲偏压为2000W、1A和-150V，采用直流磁控溅射技术在Cr层上溅射180min，制备NiCrN层，从而获得复合涂层；磨损性能如图6所示。

对比例3

本实施例为实施例2的对比实施例。

本实施例中，基体为17-4HP不锈钢。涂层为Cr过渡层和CrN层，涂层总厚度为3.8μm。

上述17-4HP不锈钢表面的涂层制备步骤如下：

步骤1：同实施例2中的步骤1；

步骤2：同实施例2中的步骤2；

步骤3：通入50sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开直流磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定直流磁控溅射源的功率、直流磁控溅射源的电流和脉冲偏压为2000W、1A和-150V，采用直流磁控溅射技术在Cr层上溅射180min，制备CrN层，从而获得复合涂层；磨损性能如图6所示。

摩擦磨损后的测试结果表明：实施例2中的NiCr_xN涂层的磨损率最低，达到了3.04×10^-10m³/Nm，而对比例2中的NiCrN和对比例3中的CrN涂层的磨损率分别为6.30×10^-10m³/Nm和16.66×10^-10m³/Nm，如图6所示。

实施例3

本实施例中，基体材料为431不锈钢，涂层包括Cr过渡层和NiCr_xN层。

上述431不锈钢表面的涂层制备步骤如下：

步骤1：将431不锈钢基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10^-5Torr后打开加热器并设定加热温度为100℃，待温度到达后向真空腔室通入40sccm流量的高纯氩气，打开线性离子源和脉冲偏压，分别设定线性离子源电流和脉冲偏压为0.1A和-100V，对431不锈钢基体进行偏压刻蚀清洗45min；

步骤2：通入50sccm流量的高纯氩气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率和脉冲偏压为5％、2000W和-100V，采用高功率磁控溅射技术在不锈钢基体表面溅射6min，沉积温度为150℃，制备Cr过渡层；

步骤3：通入50sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源、直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率、直流磁控溅射源的功率脉冲偏压为5％、2000W、1500W和-100V，采用高功率磁控溅射源和直流磁控溅射技术在Cr层上溅射200min，沉积温度为150℃，制备NiCr_xN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。

实施例4

本实施例中，基体材料为17-4HP不锈钢，涂层包括Cr过渡层和NiCr_xN层。

上述17-4HP不锈钢表面的涂层制备步骤如下：

步骤1：将17-4HP不锈钢基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10^-5Torr后打开加热器并设定加热温度为120℃，待温度到达后向真空腔室通入40sccm流量的高纯氩气，打开线性离子源和脉冲偏压，分别设定线性离子源电流和脉冲偏压为0.2A和-200V，对431不锈钢基体进行偏压刻蚀清洗40min；

步骤2：通入53sccm流量的高纯氩气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率和脉冲偏压为10％、2500W和-150V，采用高功率磁控溅射技术在不锈钢基体表面溅射5.5min，沉积温度为200℃，制备Cr过渡层；

步骤3：通入50sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源、直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率、直流磁控溅射源的功率脉冲偏压为10％、2500W、2000W和-150V，采用高功率磁控溅射源和直流磁控溅射技术在Cr层上溅射190min，沉积温度为200℃，制备NiCr_xN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。

实施例5

本实施例中，基体材料为2507不锈钢，涂层包括Cr过渡层和NiCr_xN层。

上述2507不锈钢表面的涂层制备步骤如下：

步骤1：将2507不锈钢基体置于真空腔室内，抽真空至3.0×10^-5Torr后打开加热器并设定加热温度为150℃，待温度到达后向真空腔室通入40sccm流量的高纯氩气，打开线性离子源和脉冲偏压，分别设定线性离子源电流和脉冲偏压为0.3A和-250V，对431不锈钢基体进行偏压刻蚀清洗30min；

步骤2：通入55sccm流量的高纯氩气，打开高功率磁控溅射源和脉冲偏压，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率和脉冲偏压为15％、3500W和-200V，采用高功率磁控溅射技术在不锈钢基体表面溅射5min，沉积温度为250℃，制备Cr过渡层；

步骤3：通入50sccm流量的高纯氩气和50sccm流量的高纯氮气，打开高功率磁控溅射源、直流磁控溅射源和脉冲偏压，NiCr靶使用直流磁控溅射源，Cr靶使用高功率磁控脉冲溅射源，分别设定高功率磁控溅射源占空比、高功率磁控溅射源功率、直流磁控溅射源的功率脉冲偏压为15％、3500W、2500W和-200V，采用高功率磁控溅射源和直流磁控溅射技术在Cr层上溅射180min，沉积温度为250℃，制备NiCr_xN层，从而获得耐高压抗磨蚀防护复合涂层。

此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。

应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。