CN104630725A - 一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法 - Google Patents

一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104630725A
CN104630725A CN201310544722.9A CN201310544722A CN104630725A CN 104630725 A CN104630725 A CN 104630725A CN 201310544722 A CN201310544722 A CN 201310544722A CN 104630725 A CN104630725 A CN 104630725A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
target
film
tin
amorphous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201310544722.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104630725B (zh
Inventor
王德生
胡明
杨军
刘维民
翁立军
孙嘉奕
伏彦龙
高晓明
姜栋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Original Assignee
Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS filed Critical Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority to CN201310544722.9A priority Critical patent/CN104630725B/zh
Publication of CN104630725A publication Critical patent/CN104630725A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104630725B publication Critical patent/CN104630725B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明公开了一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法。薄膜具有4层结构，从基体材料表面到多层薄膜表面，多层薄膜依次为Ti层、非晶Si层、致密Ti层和TiN层。该薄膜同时具有10GPa以上的硬度和良好的耐腐蚀防护性能。通过加入非晶Si层以及致密Ti层，避免形成贯穿多层薄膜的针孔、微裂纹等组织缺陷，较好地解决了传统TiN薄膜耐腐蚀防护性能差的缺点。该多层薄膜易锈蚀基体材料表面的抗磨损耐腐蚀防护。同时，该薄膜也适用于盐雾、高湿热等易于造成腐蚀侵害的环境条件。

Description

一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨损耐腐蚀一体化薄膜材料及其制备方法。
背景技术
    众所周知，以TiN为代表的过渡族金属氮化物薄膜具备高的硬度和化学惰性，其广泛应用于民用工业的工模具、刀具等表面抗磨损防护以及大量金属部件的表面装饰防护。此外，TiN薄膜在航天、核工业等高技术领域运动部件表面也获得了广泛应用，主要用以提高基体材料表面硬度，改善其耐磨损特性，从而达到延长这类机械运动部件使用寿命，提高使役效率及工作可靠性的目的。目前，这类薄膜主要采用物理气相沉积的方法制备。物理气相沉积TiN薄膜一般均存在针孔、微裂纹等组织缺陷。因此，当基体材料为易于发生锈蚀的碳钢和合金钢等材料时，应用环境中的腐蚀介质就会通过上述组织缺陷形成的路径侵害到基体材料，使其发生锈蚀，而严重的锈蚀会造成表面TiN薄膜脱落，进而引起相关运动部件因发生异常磨损而早期失效。所以，针对易于受到腐蚀侵害的金属基体材料以及盐雾、高温高湿等苛刻应用环境，传统TiN薄膜的应用均受到了限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法。
一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料，其特征在于薄膜材料由Ti、Si和N三种元素构成，薄膜呈现出共4层的多层结构，从基体材料表面到多层薄膜表面，多层薄膜依次为Ti层、非晶Si层、致密Ti层和TiN层；所述的金属基体材料选自碳钢或合金钢。
本发明所述的薄膜材料，其中Ti层厚度为0.1～0.5μm，非晶Si层厚度为0.1～0.3μm，致密Ti层厚度为0.1～0.3μm，TiN层厚度为0.5～1μm；薄膜总厚度为0.8～2.1μm。
一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料的制备方法，其特征在于材料通过磁控溅射方法在辉光等离子体环境中沉积制备，具体步骤为：
步骤一、靶材制备及安装
1）Ti靶的制备：把Ti锭加工成Φ60～90mm，厚度为4～7mm的圆柱形靶；
2）多晶Si靶的制备：把Si物料直接模压成Φ60～90mm，厚度为4～7mm的圆柱形靶；
3）将Ti靶和多晶Si靶分别安装在磁控溅射镀膜装置靶座，并分别连接磁控溅射电源；
步骤二、安装基体材料
将洁净的准备镀膜的金属基体材料装入镀膜真空室，将基体材料镀膜表面与Ti及Si靶材之间的靶距调整至60～100mm；
步骤三、离子轰击处理
将镀膜真空室抽真空至本底气压≤6×10-3Pa，然后充入高纯氩气，气压至2.0～6.0Pa，离子轰击功率0.2～1 W/cm2，离子轰击处理时间为10～30min；
步骤四、溅射镀膜
沉积Ti层：向真空室充入氩气至气压为5×10-1～2.0 Pa，对Ti靶通电，调节Ti靶电压为250～400 V，电流1.2～1.5 A，基体材料偏压-50～-200V，实施Ti底层沉积；
沉积非晶Si层：关闭Ti靶，维持氩气气压至5×10-1～2Pa，对Si靶通电，调节Si靶电压为250～450 V，电流1.2~1.5 A，基体材料偏压-50～-200V，实施非晶Si层沉积；
对非晶Si层氩离子轰击处理：在非晶Si层沉积完成后，关闭Si靶，将基体材料偏压提高至-500V～-1000V，将氩气气压提高至2.0～6.0 Pa，对非晶Si层进行氩离子轰击处理，轰击时间为10～30min；
沉积致密Ti层：将氩气气压重新调整至5×10-1～2.0 Pa，基体材料偏压调整至-50～-200V，对Ti靶通电，调节Ti靶电压为250～400 V，电流1.2～1.5 A，实施致密Ti层沉积；
沉积TiN层：在致密Ti层沉积完成后，维持Ti靶电压、电流、氩气气压以及基体材料偏压不变，并直接通入氮气，至气压2.0～3.0Pa，沉积TiN层，TiN层沉积完成后，关闭Ti靶电源。镀膜结束后，镀膜基体材料在镀膜真空室内自然冷却至室温，得到TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料。 
本发明的关键在于所有镀层均在常温条件下制备，低沉积温度条件保证了Si层形成致密的非晶体结构。在非晶Si层沉积完成后，对非晶Si层进行氩离子轰击处理，该处理步骤可以对非晶Si层表面形成溅射刻蚀作用，造成非晶Si层表面粗糙度增加，而粗糙的非晶Si层会进一步提高后续Ti层沉积时的形核密度，
达到Ti层以小晶粒高致密度方式生长，从而沉积形成致密Ti层。
本发明金属基体材料选自碳钢或合金钢。
本发明金属Ti纯度大于99 wt %。
本发明Si纯度大于99 wt %。
本发明工作氮气纯度大于99.9 wt %。
本发明工作氩气纯度大于99.9 wt %。
本发明的薄膜材料具有多层结构，表面TiN层可为薄膜提供高硬度和良好的耐磨损性能，致密Ti层和非晶Si层可以打断和封闭薄膜中的组织缺陷，避免贯穿膜层的针孔和微裂纹形成，从而使多层薄膜整体获得对基体材料良好的耐腐蚀防护性能。Ti层可以降低多层薄膜与基体材料之间的应力，有效提高多层薄膜承载能力和膜-基结合强度。
本发明薄膜不仅具备传统TiN薄膜高硬度、高化学惰性的特点，同时具备良好的耐腐蚀防护性能，适用于各类金属基体材料，包括易于锈蚀金属材料的表面抗磨损耐腐蚀防护，也适用于盐雾、高温高湿等苛刻应用环境。该薄膜采用多层化结构设计，特别是通过引入非晶Si层，其诱发形成致密Ti层，产生打断和封闭贯穿薄膜的组织缺陷的结构效应，从而克服了传统TiN薄膜适用环境及适用基体材料受到局限的缺点，实现了TiN基薄膜耐磨损和耐腐蚀功能一体化。
    该发明薄膜具备以下具体性能：
薄膜硬度：≥10GPa；
薄膜耐腐蚀防护性能：以40Cr钢为基体材料，镀膜试样在温度40±3℃，相对湿度65±5%RH条件下贮存96h，试样无锈蚀；
    薄膜与钢基体结合强度：采用划痕试验法检测薄膜与钢基体的结合强度，临界载荷Lc≥30N； 
薄膜承载能力：表面垂直加载1838N，用40倍显微观察，本发明薄膜不破裂不剥落。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料，以下通过具体
的实例对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但本发明的上述主题范围不仅
仅局限于下述实例。
实施例1：
选择45钢作为基体材料。
步骤一、靶材制备及安装
1）Ti靶的制备：把Ti锭加工成Φ80mm，厚度为5mm的圆柱形靶；
2）多晶Si靶的制备：把Si物料直接模压成Φ80mm，厚度为5mm的圆柱形靶；
3）将Ti靶和多晶Si靶分别安装在磁控溅射镀膜装置靶座，并分别连接磁控溅射电源；
步骤二、安装准备镀膜基体材料
将洁净的准备镀膜的45钢基体材料装入镀膜真空室，将基体材料镀膜表面与Ti及Si靶材之间的靶距调整至70mm；
步骤三、离子轰击处理
将镀膜真空室抽真空至本底气压5.0×10-3Pa，然后充入高纯氩气，气压至2.0Pa，离子轰击功率0.3 W/cm2，离子轰击处理时间为15min；
步骤四、溅射镀膜
1）沉积Ti层：向真空室充入氩气至气压为8×10-1Pa，对Ti靶通电，调节Ti靶电压为270 V，电流1.3 A，基体材料偏压-50V，实施Ti底层沉积；
2）沉积非晶Si层：关闭Ti靶，维持氩气气压至8×10-1Pa，对Si靶通电，调节Si靶电压为300 V，电流1.3 A，基体材料偏压-50V，实施非晶Si层沉积；
3）对非晶Si层氩离子轰击处理：在非晶Si层沉积完成后，关闭Si靶，将基体材料偏压提高至-800V，将氩气气压提高至2.0 Pa，对非晶Si层进行氩离子轰击处理，轰击时间为25min；
4）沉积致密Ti层：将氩气气压重新调整至8×10-1Pa，基体材料偏压调整至-50V，对Ti靶通电，调节Ti靶电压为270 V，电流1.3 A，实施致密Ti层沉积；
5）沉积TiN层：在致密Ti层沉积完成后，维持Ti靶电压、电流、氩气气压以及基体材料偏压不变，并直接通入氮气，至气压2.0 Pa，沉积TiN层，TiN层沉积完成后，关闭Ti靶电源。镀膜结束后，镀膜基体材料在镀膜真空室内自然冷却至室温。
经检测，薄膜性能如下：
实施例2：
选择40Cr钢作为基体材料。
步骤一、靶材制备及安装
1）Ti靶的制备：把Ti锭加工成Φ80mm，厚度为4mm的圆柱形靶；
2）多晶Si靶的制备：把Si物料直接模压成Φ80mm，厚度为4mm的圆柱形靶；
3）将Ti靶和多晶Si靶分别安装在磁控溅射镀膜装置靶座，并分别连接磁控溅射电源；
步骤二、安装准备镀膜基体材料
将洁净的准备镀膜的40Cr钢基体材料装入镀膜真空室，将基体材料镀膜表面与Ti及Si靶材之间的靶距调整至80mm；
步骤三、离子轰击处理
将镀膜真空室抽真空至本底气压4.0×10-3Pa，然后充入高纯氩气，气压至3.0Pa，离子轰击功率0.4 W/cm2，离子轰击处理时间为15min；
步骤四、溅射镀膜
1）沉积Ti层：向真空室充入氩气至气压为1Pa，对Ti靶通电，调节Ti靶电压为300 V，电流1.5 A，基体材料偏压-70V，实施Ti底层沉积；
2）沉积非晶Si层：关闭Ti靶，维持氩气气压至1Pa，对Si靶通电，调节Si靶电压为330 V，电流1.4 A，基体材料偏压-70V，实施非晶Si层沉积；
3）对非晶Si层氩离子轰击处理：在非晶Si层沉积完成后，关闭Si靶，将基体材料偏压提高至-900V，将氩气气压提高至3.0 Pa，对非晶Si层进行氩离子轰击处理，轰击时间为25min；
4）沉积致密Ti层：将氩气气压重新调整至1Pa，基体材料偏压调整至-70V，对Ti靶通电，调节Ti靶电压为300 V，电流1.5 A，实施致密Ti层沉积；
5）沉积TiN层：在致密Ti层沉积完成后，维持Ti靶电压、电流、氩气气压以及基体材料偏压不变，并直接通入氮气，至气压2.5 Pa，沉积TiN层，TiN层沉积完成后，关闭Ti靶电源。镀膜结束后，镀膜基体材料在镀膜真空室内自然冷却至室温。
经检测，薄膜性能如下：

Claims (8)

1.一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料，其特征在于薄膜材料由Ti、Si和N三种元素构成，薄膜呈现出共4层的多层结构，从基体材料表面到多层薄膜表面，多层薄膜依次为Ti层、非晶Si层、致密Ti层和TiN层；所述的金属基体材料选自碳钢或合金钢。
2.如权利要求1所述的材料，其特征在于薄膜材料，其中Ti层厚度为0.1～0.5μm，非晶Si层厚度为0.1～0.3μm，致密Ti层厚度为0.1～0.3μm，TiN层厚度为0.5～1μm；薄膜总厚度为0.8～2.1μm。
3.如权利要求1所述的一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料的制备方法，其特征在于材料通过磁控溅射方法在辉光等离子体环境中沉积制备，具体步骤为：
步骤一、靶材制备及安装
1）Ti靶的制备：把Ti锭加工成Φ60～90mm，厚度为4～7mm的圆柱形靶；
2）多晶Si靶的制备：把Si物料直接模压成Φ60～90mm，厚度为4～7mm的圆柱形靶；
3）将Ti靶和多晶Si靶分别安装在磁控溅射镀膜装置靶座，并分别连接磁控溅射电源；
步骤二、安装基体材料
将洁净的准备镀膜的金属基体材料装入镀膜真空室，将基体材料镀膜表面与Ti及Si靶材之间的靶距调整至60～100mm；
步骤三、离子轰击处理
将镀膜真空室抽真空至本底气压≤6×10-3Pa，然后充入高纯氩气，气压至2.0～6.0Pa，离子轰击功率0.2～1 W/cm2，离子轰击处理时间为10～30min；
步骤四、溅射镀膜
沉积Ti层：向真空室充入氩气至气压为5×10-1～2.0 Pa，对Ti靶通电，调节Ti靶电压为250～400 V，电流1.2～1.5 A，基体材料偏压-50～-200V，实施Ti底层沉积；
沉积非晶Si层：关闭Ti靶，维持氩气气压至5×10-1～2Pa，对Si靶通电，调节Si靶电压为250～450 V，电流1.2~1.5 A，基体材料偏压-50～-200V，实施非晶Si层沉积；
对非晶Si层氩离子轰击处理：在非晶Si层沉积完成后，关闭Si靶，将基体材料偏压提高至-500V～-1000V，将氩气气压提高至2.0～6.0 Pa，对非晶Si层进行氩离子轰击处理，轰击时间为10～30min；
沉积致密Ti层：将氩气气压重新调整至5×10-1～2.0 Pa，基体材料偏压调整至-50～-200V，对Ti靶通电，调节Ti靶电压为250～400 V，电流1.2～1.5 A，实施致密Ti层沉积；
沉积TiN层：在致密Ti层沉积完成后，维持Ti靶电压、电流、氩气气压以及基体材料偏压不变，并直接通入氮气，至气压2.0～3.0Pa，沉积TiN层，TiN层沉积完成后，关闭Ti靶电源；
镀膜结束后，镀膜基体材料在镀膜真空室内自然冷却至室温，得到TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于金属基体材料选自碳钢或合金钢。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于金属Ti纯度大于99 wt %。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于Si纯度大于99 wt %。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于工作氮气纯度大于99.9 wt %。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于工作氩气纯度大于99.9 wt %。
CN201310544722.9A 2013-11-07 2013-11-07 一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法 Active CN104630725B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310544722.9A CN104630725B (zh) 2013-11-07 2013-11-07 一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310544722.9A CN104630725B (zh) 2013-11-07 2013-11-07 一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104630725A true CN104630725A (zh) 2015-05-20
CN104630725B CN104630725B (zh) 2017-04-26

Family

ID=53209963

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310544722.9A Active CN104630725B (zh) 2013-11-07 2013-11-07 一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104630725B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105281271A (zh) * 2015-11-27 2016-01-27 国家电网公司 耐腐蚀卡线器
CN111254401A (zh) * 2020-03-09 2020-06-09 浙江申吉钛业股份有限公司 提高钛合金板材硬质耐磨纳米涂层粘附强度的方法
CN113913740A (zh) * 2021-10-19 2022-01-11 陈水和 一种杀菌胶膜及其卷绕镀制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050109607A1 (en) * 2003-11-20 2005-05-26 Ehiasarian Arutiun P. Combined coating process comprising magnetic field-assisted, high-power, pulsed cathode sputtering and an unbalanced magnetron
CN1978190A (zh) * 2006-11-29 2007-06-13 吉林大学 一种纳米多层膜材料及提高多层膜结构高温稳定性的方法
CN201713572U (zh) * 2010-06-04 2011-01-19 中国科学院金属研究所 一种多层薄膜的沉积装置
CN102392217A (zh) * 2011-11-23 2012-03-28 西北工业大学 一种叶片表面抗点蚀涂层及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050109607A1 (en) * 2003-11-20 2005-05-26 Ehiasarian Arutiun P. Combined coating process comprising magnetic field-assisted, high-power, pulsed cathode sputtering and an unbalanced magnetron
CN1978190A (zh) * 2006-11-29 2007-06-13 吉林大学 一种纳米多层膜材料及提高多层膜结构高温稳定性的方法
CN201713572U (zh) * 2010-06-04 2011-01-19 中国科学院金属研究所 一种多层薄膜的沉积装置
CN102392217A (zh) * 2011-11-23 2012-03-28 西北工业大学 一种叶片表面抗点蚀涂层及其制备方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105281271A (zh) * 2015-11-27 2016-01-27 国家电网公司 耐腐蚀卡线器
CN105281271B (zh) * 2015-11-27 2017-12-05 国家电网公司 耐腐蚀卡线器
CN111254401A (zh) * 2020-03-09 2020-06-09 浙江申吉钛业股份有限公司 提高钛合金板材硬质耐磨纳米涂层粘附强度的方法
CN113913740A (zh) * 2021-10-19 2022-01-11 陈水和 一种杀菌胶膜及其卷绕镀制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104630725B (zh) 2017-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhou et al. Microstructure, hardness and corrosion behaviour of Ti/TiN multilayer coatings produced by plasma activated EB-PVD
CN103409722B (zh) 一种在航空发动机压气机叶片表面制备抗侵蚀涂层的方法
CN103029366B (zh) 一种含有NiCrN三元涂层的制品及制备方法
CN107227441B (zh) 一种基于反应溅射迟滞效应的TiAlSiN涂层制备方法
CN108411272A (zh) 一种轴承用AlCrCuFeNi系高熵合金涂层的制备方法
CN109913771B (zh) 一种VAlTiCrSi高熵合金薄膜及其在海水环境下的应用
CN109402564B (zh) 一种AlCrSiN和AlCrSiON双层纳米复合涂层及其制备方法
CN111647851B (zh) 兼具高硬度和高韧性Zr-B-N纳米复合涂层及其制备方法
CN107083551A (zh) 一种三元掺杂纳米复合多层类金刚石涂层及其制备方法和应用
CN101430004A (zh) 一种pvd铬基陶瓷复合涂层活塞环及其制备方法
CN108342705A (zh) 具有自愈合功能的Ta基高温防护涂层的制备方法
CN104630725A (zh) 一种TiN/Ti/Si/Ti多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法
Sui et al. Evolution behavior of oxide scales of TiAlCrN coatings at high temperature
CN102912302B (zh) 一种镁合金表面制备钇/氮化硅复合涂层材料的方法
CN114231901A (zh) 一种CrAlSiN梯度复合涂层及其制备方法
CN104264116A (zh) 一种在X80管线钢基材表面制备AlTiCrNiTa高熵合金涂层的工艺
CN103045998B (zh) 一种含有CrNiTiAlN五元涂层的制品的制备方法
CN112359319B (zh) 一种双周期耐磨抗菌和高韧性复合薄膜的制备方法
CN107142478B (zh) 一种新型耐磨耐腐蚀涂层
Liu et al. Effects of duty cycle on microstructure and mechanical properties of (AlCrNbSiTi) N high-entropy nitride hard coatings deposited by pulsed arc ion plating
CN112941463A (zh) 一种钛合金表面纳米多层氧氮化物耐蚀防护涂层及其制备方法和应用
CN104213088A (zh) 在钛合金材料表面制备耐磨非晶碳氮双层薄膜的方法
CN103774092B (zh) 一种在镁合金表面制备导电且耐腐蚀涂层的方法
CN111471973B (zh) 一种还原性气氛中制备Zr-B-N纳米复合涂层的工艺
CN106467959A (zh) 一种基体表面的固体润滑复合涂层及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant