CN105525258A - 用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层及其制备方法。该Cr-DLC涂层包含：直接形成于铝合金基体表面的Cr底层，以及，直接形成在所述Cr底层上的、掺杂有Cr的DLC涂层；其中的一种典型制备方法包括：以石墨和铬为阴极靶材，利用磁控溅射技术在铝合金表面制备所述Cr-DLC涂层。本发明的掺杂Cr的DLC涂层，表面光滑，结构致密，硬度高、摩擦系数小、耐磨兼抗腐蚀，且制备工艺简单、重复性和可靠性好，成本低廉。

Description

用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金表面防护涂层的制备工艺，特别涉及一种用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层及其制备方法，属于铝合金表面处理和表面改性技术领域。

背景技术

铝合金密度较小，强度高，导电、导热性能优良，塑性和成型性好，易加工，被广泛应用于航空航天、军工、建筑、汽车、船舶等领域中。然而铝合金的硬度偏低，耐磨性差，耐腐蚀性较差，大大制约了铝合金的应用前景。因此，对铝合金的表面处理以提供有效保护和提高铝合金表面性能非常重要。常用的铝合金表面处理方法有阳极氧化法、激光熔覆法、稀土转化膜法等。阳极氧化处理得到的氧化膜比较厚，因此耐蚀性较好，但是由于涂层的附着力差、成本高以及涂层抗冲击性不理想等原因，在工业生产中使用较少；激光熔覆法容易在界面上形成脆性相和裂纹，实际应用中涂层的尺寸精度、对基体复杂形状的容许度、表面粗糙度等问题较难解决；稀土转化膜法的不足之处是稀土盐长期浸泡工艺处理的时间长，处理所需的温度也较高。与以上几种方法或技术相比，改善铝合金表面耐磨和耐腐蚀性最有效的途径是在其表面制备一层耐磨损、抗腐蚀的薄膜，利用薄膜在铝合金基体和外界环境之间形成的屏障，有效的保护铝合金，拓展它的应用范围。

类金刚石碳薄膜具有很多优良的力学、电学、光学、热学和声学等物理性质,又有十分好的化学稳定性。它具有极高的硬度和优异的抗磨损性能，适于作切削刀具、轴承、齿轮及活塞等易磨损机件的镀层；它的耐腐蚀(防酸、防碱)性能好，可作为金属镀层的底层，或者沉积在塑料饰件上，防止酸、碱及有机试剂的侵蚀；它具有良好的生物相容性，可用在人工关节等生命科学领域。因此类金刚石涂层是铝合金表面改性的理想涂层材料，其可能能够改善铝合金运动部件在不同工况下导致的磨损失效和腐蚀磨损。

当前，物理气相沉积是制备硬质涂层的主流技术，主要包括两类技术，一是磁控溅射技术，二是电弧离子镀沉积技术。CN102605319A记载了一种铝合金表面改性沉积类金刚石薄膜的方法，其采用电弧离子镀沉积技术，在铝合金上沉积了一层类金刚石薄膜。但是，电弧离子镀涂层中的液滴由于制备原理本身的限制，始终无法彻底消除，导致涂层结构较为疏松，表面粗糙度差等缺陷。CN102912298A记载了一种具有抗腐蚀和减摩性能的掺Cr的DLC涂层及制备方法，其采用电弧与磁控溅射复合镀膜的方法，在高速钢表面制备了抗腐蚀和减摩性能的掺Cr的DLC涂层（类金刚石涂层）。钢的硬度大，在其表面制备DLC涂层比较容易实现。然而由于铝合金属于软金属，在其表面制备高硬度DLC薄膜存在很大的难度，迄今为止还没有关于采用磁控溅射设备在铝合金表面沉积类金刚石涂层进行表面改性的报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层及其制备方法。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层，包含：直接形成于铝合金基体表面的Cr底层，以及，直接形成在所述Cr底层上的、掺杂有Cr的DLC涂层。

较为优选的，所述Cr底层直接形成在粗糙度为10-40nm，特别是粗糙度为20-40nm的铝合金基体表面。

较为优选的，所述Cr底层的厚度为1-4μm。

一种用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法，包括：

对铝合金基体表面进行抛光，使得铝合金基体表面的粗糙度达到10-40nm；

直接在所述铝合金基体表面沉积Cr底层；

以及，直接在所述Cr底层上沉积掺杂Cr的DLC涂层。

作为较为优选的实施方案之一，所述用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法包括：采用磁控溅射工艺，以铬为阴极靶材，在所述铝合金基体表面沉积Cr底层。

作为更为优选的实施方案之一，所述用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法包括：

a、将抛光后的铝合金基体置于磁控溅射设备真空室内的衬底支架上，并对所述真空室抽真空至真空度等于或小于3.0×10^-3Pa；

b、在所述真空室内通入高纯Ar，并对铝合金基体施加高偏压，以对所述铝合金基体表面进行轰击清洗活化；

c、调节输入所述真空室的高纯Ar流量，至所述真空室内的气压达到设定范围，再开启柱弧Cr靶，在所述铝合金基体表面沉积Cr底层。

进一步的，步骤b中，通入所述真空室内的高纯Ar流量优选为10-20sccm，柱弧C靶电流优选为0.1-0.2A，柱弧Cr靶电流为0.1-0.3A，施加在铝合金基体上的高偏压为-400~-1000V，轰击清洗时间为10-30min。

进一步的，步骤c中，通入所述真空室内的高纯Ar流量优选为10-20sccm，柱弧C靶电流优选为0A，柱弧Cr靶电流优选为1-4A，施加在铝合金基体上的偏压优选为-40~-100V，持续10-20min，从而在所述铝合金基体表面沉积Cr底层。

作为更为优选的实施方案之一，所述用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法包括：在Cr底层制备完成后，分别将柱弧C靶电流、柱弧Cr靶电流调节为1-3.5A、0.38A，持续2-10h，在Cr底层上沉积形成掺杂Cr的DLC涂层。

进一步的，在完成掺杂Cr的DLC涂层的沉积后，将所述铝合金基体于真空室冷却到室温后再取出。

作为较为优选的实施方案之一，所述用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法包括：对铝合金基体进行打磨、除油、去污、抛光处理，至铝合金基体表面粗糙度为10-40nm，再置于丙酮、无水乙醇中各超声清洗10-30min，之后以氮气吹干，备用。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

（1）采用磁控溅射技术在铝合金基片上沉积类金刚石薄膜，薄膜与铝合金结合强度高、硬度高、摩擦系数小、耐磨损、耐腐蚀；

（2）本发明在铝合金表面上能实现类金刚石薄膜的沉积，且沉积薄膜均匀致密；

（3）本发明采用过渡层设计方法，制备出了掺Cr的DLC涂层；

（4）本发明工艺和设备简单、易于操作、重复性和可靠性好，使用的石墨靶材成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一典型实施方案之中一种用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的结构示意图；

图2a-图2b分别是实施例1中沉积于铝合金表面的掺Cr的DLC涂层的表面和截面形貌图；

图3是原始铝合金基体（空白样）和实施例1中表面具有防腐耐磨Cr-DLC涂层的铝合金基体在3.5wt.%的NaCl溶液中的极化曲线测试结果图；

图4a-图4b是原始铝合金基体（空白样）与实施例1中表面具有防腐耐磨Cr-DLC涂层的铝合金基体的摩擦曲线及磨损率结果图。

图5是原始铝合金基体（空白样）与实施例1中表面具有防腐耐磨Cr-DLC涂层的铝合金基体的硬度测试结果图；

附图标记说明：铝合金基体1、Cr底层2、掺杂有Cr的DLC涂层3。

具体实施方式

本发明的一个方面提供了一种用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层，其包括直接形成于铝合金基体表面的Cr底层，以及，直接形成于所述Cr底层上的、掺杂有Cr的DLC涂层。该防腐耐磨Cr-DLC涂层的结构可参阅图1。

作为较为优选的实施方式，所述Cr底层是直接形成在粗糙度为10-40nm铝合金基体表面。

本发明的掺杂Cr的DLC涂层，表面光滑，结构致密，硬度高、摩擦系数小、耐磨兼抗腐蚀，其中，由于采用的Cr中间过渡层（Cr底层）与铝合金基体的热膨胀系数相差不大，且与基底金属的晶格常数比较接近，还与上层的类金刚石层（掺杂有Cr的DLC涂层）有很强的杂化作用，因而涂层结合力强，避免了DLC涂层直接沉积在铝合金等软金属基体上引起的内应力大、易发生脆性破裂和剥离而导致过早失效的问题。

本发明的另一个方面提供了一种用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法，其可以包括：采用磁控溅射技术，以石墨和铬为阴极靶材，在铝合金表面上制备所述防腐耐磨Cr-DLC涂层。

在一典型实施方案之中，一种用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法可以包括以下步骤：

步骤1，对铝合金基底（如下亦称铝合金基材、铝合金基片或基材）进行表面预处理；

步骤2，将预处理好的铝合金基片放入磁控溅射设备真空室内的衬底支架上，并对磁控溅射设备真空室抽真空；

步骤3，通入高纯Ar（纯度在99.99%以上），对铝合金基体施加高偏压，以对表面进行轰击清洗活化；

步骤4，调节高纯Ar流量，调节真空室气压，然后开启柱弧Cr靶，在铝合金基体表面制备Cr底层（亦称Cr过渡层）；

步骤5，调节柱弧Cr靶电流和偏压，开启柱弧C靶，在过渡层上沉积DLC薄膜；

步骤6，沉积结束后，关闭电源和偏压，关闭气体，待工件在真空室冷却到室温，打开真空室取出样品。

作为较佳实施方案之一，步骤1对铝合金基片进行表面预处理的过程包括：对铝合金基材进行砂纸打磨、除油、去污、抛光处理至表面粗糙度为30nm，之后放入丙酮，无水乙醇中超声清洗各10-30min，使用氮气吹干。

作为较佳实施方案之一，步骤2中磁控溅射设备真空室抽真空后的真空度等于或小于3.0×10^-3Pa。

作为较佳实施方案之一，步骤3中高纯Ar流量为10-20sccm（标准毫升/分钟），柱弧C靶电流为0.1-0.2A，柱弧Cr靶电流为0.1-0.3A，在铝合金基片上施加的高偏压为-400~-1000V，轰击清洗时间为10-30min。

作为较佳实施方案之一，步骤4中高纯Ar流量为10-20sccm（标准毫升/分钟），调整C靶电流为0A，调整柱弧Cr靶电流为3A，调节偏压到-40~-100V，在基底表面沉积Cr过渡层，持续10-20min。

作为较佳实施方案之一，步骤5中Cr底层制备完成后，打开柱弧C靶的控制电源，调节柱弧C靶电流为1-3.5A，调节柱弧Cr靶电流为0.38A，在Cr过渡层上沉积Cr-DLC涂层，沉积时间为2-10h。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅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的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。

实施例1：

（1）将铝合金加工成边长25mm的正方形，厚度为3mm。

（2）采用普通洗涤剂对加工后的铝合金基材进行除油和去污处理，然后依次使用400-1200^#砂纸打磨样品，最后表面抛光至表面粗糙度为30nm。将抛光后的铝合金放入丙酮和无水乙醇中分别超声清洗10min，最后使用N₂吹干。

（3）将抛光清洗后铝合金基片放入磁控溅射设备真空室内，然后关闭真空室，抽真空至真空度小于等于3.0×10^-3Pa。

（4）通入高纯Ar，同时开启石墨柱弧，电流为0.2A，开启铬柱弧，电流为0.3A，同时施加-500V偏压对基底进行轰击清洗，轰击清洗时间为30min，以除去表面的残余氧化物和其他杂质。

（5）完成对铝合金基片的轰击清洗后，保持Ar流量16sccm不变，同时调节偏压为-70V，调整Cr电流为3.0A，C靶电流为0A，在铝合金基底表面沉积Cr过渡层，沉积时间为10min。

（6）Cr过渡层沉积完成后，保持Ar流量16sccm和偏压-70V不变，调整Cr靶电流为0.38A，C靶电流为3.5A，在过渡层上沉积掺杂Cr的DLC涂层，沉积时间为5.8h。

（7）掺杂有Cr的DLC涂层沉积结束后，关闭弧电源和偏压，关闭气体，待样品在真空室中冷却到室温，打开真空室取出样品，该样品的结构如图1所示。

进一步的，该样品的表面及截面图如图2a-图2b所示，可以看出：制备的涂层表面很致密，而从截面可以明显看出分层的现象。

对在铝合金上沉积的掺杂Cr的DLC涂层进行腐蚀测试，获得的极化曲线测试结果如图3所示，可以看出：

与未进行表面保护的原始铝合金基底（空白样）相比，经过实施例1处理后的样品的腐蚀电流为3447nA/cm²，相对于空白样的4303nA/cm²大幅降低，腐蚀电位达到了-577.5mV。腐蚀电流的降低和腐蚀电位的升高表明铝合金表面的涂层能为基底提供良好的隔绝Cl^-、水、O₂等腐蚀的能力。

对在铝合金上沉积的掺杂Cr的DLC涂层进行干摩擦和海水摩擦的摩擦性能测试，获得的摩擦系数曲线结果如图4a-图4b所示，可以看出：

与未进行表面保护的铝合金基底相比，经过本实施例处理后的样品的摩擦系数无论是在干摩擦还是海水摩擦的条件下都明显降低，且海水摩擦下的摩擦系数为0.1，远小于干摩擦条件下的0.25。磨损率显著减小，达到了7.13×10^-3m³/Nm。摩擦系数的降低和磨损率的减小说明铝合金表面掺杂Cr的DLC涂层能提高基底的减摩效果。

对在铝合金上沉积的掺杂Cr的DLC涂层进行了纳米压痕的测试，硬度测试结果如图5所示，可以看出：

与未进行表面保护的铝合金基底相比，经过本实施例处理后的样品的硬度得到很大的提高，达到了16GPa，是未进行保护的铝合金基底的4倍。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，但对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层，其特征在于包含：直接形成于铝合金基体表面的Cr底层，以及，直接形成在所述Cr底层上的、掺杂有Cr的DLC涂层。

2.根据权利要求1所述的用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层，其特征在于所述Cr底层直接形成在粗糙度为10-40nm的铝合金基体表面。

3.一种用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法，其特征在于包括：

对铝合金基体表面进行抛光处理，使得铝合金基体表面的粗糙度达到10-40nm；

直接在所述铝合金基体表面沉积Cr底层；

以及，直接在所述Cr底层上沉积掺杂Cr的DLC涂层。

4.根据权利要求3所述用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法，其特征在于包括：采用磁控溅射工艺，以铬为阴极靶材，在所述铝合金基体表面沉积Cr底层。

5.根据权利要求4所述用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法，其特征在于包括：

a、将抛光后的铝合金基体置于磁控溅射设备真空室内的衬底支架上，并对所述真空室抽真空至真空度等于或小于3.0×10^-3Pa；

b、在所述真空室内通入高纯Ar，并对铝合金基体施加高偏压，以对所述铝合金基体表面进行轰击清洗活化；

c、调节输入所述真空室的高纯Ar流量，至所述真空室内的气压达到设定范围，再开启柱弧Cr靶，在所述铝合金基体表面沉积Cr底层。

6.根据权利要求5所述用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法，其特征在于步骤b中，通入所述真空室内的高纯Ar流量为10-20sccm，柱弧C靶电流为0.1-0.2A，柱弧Cr靶电流为0.1-0.3A，施加在铝合金基体上的高偏压为-400~-1000V，轰击清洗时间为10-30min。

7.根据权利要求5所述用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法，其特征在于步骤c中，通入所述真空室内的高纯Ar流量为10-20sccm，柱弧C靶电流为0A，柱弧Cr靶电流为1-4A，施加在铝合金基体上的偏压为-40~-100V，持续10-20min，从而在所述铝合金基体表面沉积Cr底层。

8.根据权利要求3-7中任一项所述用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法，其特征在于包括：在Cr底层制备完成后，分别将柱弧C靶电流、柱弧Cr靶电流调节为1-3.5A、0.38A，持续2-10h，在Cr底层上沉积形成掺杂Cr的DLC涂层。

9.根据权利要求8所述用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法，其特征在于包括：在完成掺杂Cr的DLC涂层的沉积后，将所述铝合金基体于真空室冷却到室温后再取出。

10.根据权利要求3所述用于铝合金表面的防腐耐磨Cr-DLC涂层的制备方法，其特征在于包括：对铝合金基体进行打磨、除油、去污、抛光处理，至铝合金基体表面粗糙度为10-40nm，再置于丙酮、无水乙醇中各超声清洗10-30min，之后以氮气吹干，备用。