CN1057347C - 采用多弧离子镀制备合金涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用多弧离子镀制备合金涂层的方法，包括确定合金涂层、工件和合金靶成分，制造合金靶，将工件置于镀膜室内，对镀膜室抽真空，镀膜时选择工件负偏压，必要时可对合金涂层成分含量进行微调。其要点是确定合金靶成分是用公式a_i ⁽⁰⁾＝(a_i/α_i)÷[∑(a_i/α_i)]来算出合金靶各元素成分含量，再依此制造合金靶；通过调整工件负偏压可对性能敏感元素含量进行微调。本发明具有成分含量偏差小、成本低、制造简单等特点。

Description

采用多弧离子镀制备合金涂层的方法

本发明涉及一种合金涂层的制备方法，特别是采用多弧离子镀制备合金涂层的方法。

多弧离子镀是一种设有多个可同时蒸发的阴极弧蒸发源的、独特的物理气相沉积技术，该技术具有沉积速率快、膜层组织致密、附着性强、均匀性好等优点。目前采用多弧离子镀技术制造合金涂层的主要困难是难以得到符合成分要求的合金涂层成分，即所制备的合金涂层与原要求的合金涂层的成分含量之间存在着明显偏差，其绝对偏差(指所制备的合金涂层中某一元素的百分含量与原要求的合金涂层中该元素的百分含量之差)甚至达到10％以上，而相对偏差(某合金元素的绝对偏差与所要求的合金涂层中该元素的百分含量之比值)一般在30％以上。由于存在着上述偏差，故很难保证对一些成分含量要求较高的合金涂层的使用性能，如覆盖型高温合金防护涂层和超硬合金反应涂层。为了减少上述偏差，迄今人们在下述方法中作了一些尝试，一种是通过试验法来调整靶材成分，虽能减少些偏差，但效果仍不理想，且工序繁杂，延长制备时间，增大成本；一种是多源蒸发法，即每种合金元素单独制靶，同时沉积，但由于各元素弧蒸发特性不同，目前尚未解决在技术上实现各元素蒸发量的合适比例的问题，况且有的合金元素难以单独制靶，因此这种方法具有一定局限性；再一种是用组合源蒸发的方法，即对靶重新设计，按所要求的合金涂层成分比例，排列合金元素材料，构成组合式靶源，这种方法的缺点是在组合源的结构设计与制造方面难度较大，成本较高，而且要求在镀膜过程中，阴极弧斑严格按规定轨迹在靶面上运动，这在目前技术上难以做到。

本发明是提供一种采用多弧离子镀制备合金涂层的方法，该方法使制备的合金涂层的成分含量与所要求的合金涂层的成分含量之间的偏差控制在绝对偏差小于2％，相对偏差小于15％，基本满足原设计要求，而且成本低，制造简单，对合金元素无特殊限制，对镀覆工艺无特殊要求。

本发明提出的采用多弧离子镀制备合金涂层的方法包括：1.合金涂层的确定；2.工件(基片)的确定并作镀前处理；3.合金靶成分的确定，制造合金靶；4.将工件置于镀膜室工件架上，将合金靶对称置于阴极弧源位置上，工件与合金靶表面距离应大于10厘米；5.对镀膜室抽真空，通入适量氩气，对工件表面进行轰击清洗；6.选择工件负偏压，选择是否通入反应气体；7.镀膜；8.待镀膜结束，降温后取出工件。

所说的合金靶成分的确定方法，是根据下面的公式确定合金靶的化学成分： ${a_i}^{\left(0\right)}=\frac{\frac{a_i}{{\mathrm{\α}}_i}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{a_i}{{\mathrm{\α}}_i}\right)}\×100\%$ 式中：i从1取到n为正整数，对合金涂层的制备，n为涂层中包含合金元素的个数；对于合金反应涂层的制备，n为合金反应元素的个数；

a_i为第i种元素在合金涂层中所要求的百分含量，或在合金反应涂层中，该元素占合金元素总量的百分比；

a_i ^(O)为第i种元素在合金靶中的百分含量；

α_i为第i种元素在弧等离子体中的离化率。

按上述方式计算得到的a₁ ^(O)、a₂ ^(O)、…、a_n ^(O)为合金靶各元素所占份额比例，然后按此比例进行合金配料制造合金靶。

所说的选择工件负偏压，是指为保证涂层的附着力强，致密度高，又有足够大的沉积速率，镀膜时工件负偏压应置于100V～300V范围内取值，优选在150V～250V之间取值。

按本发明所提出的制备方法，可得到所要求的合金涂层，一般所制备的合金涂层成分含量的绝对偏差最大不超过2％，相对偏差最大不超过15％，任何合金元素都可制膜，除合金靶成分确定和通过工件负偏压进行微调外，其余可用常规方法和设备即可，因此成本低。

如果所要求的合金涂层的性能对某一合金元素的含量具有较大的依赖性(该元素称为性能敏感元素)，则可对涂层成分进行微调。性能敏感元素含量的微调是指在采用本发明所设计的合金靶并且工件负偏压取值在150V～250V范围内制得的合金涂层中，该元素的百分含量与所要求的含量有一定偏差而进行的调整。微调具体方法是：对合金涂层诸元素中离化率较低的性能敏感元素，若用本发明所提供的方法制备的合金涂层中该元素含量略小于所要求的含量，则在镀膜时降低工件负偏压50V～100V；反之则增大工件负偏压50V～100V。对合金涂层诸元素中离化率较高的性能敏感元素，若用本发明所提供的方法制备的合金涂层中该元素含量略小于所要求的含量，则在镀膜时增大工件负偏压50V～100V；反之则降低工件负偏压50V～100V。

下面通过实施例具体说明本发明。

实施例1：在GH-220高温合金上镀43.1Ni-20.9Co-26.1Cr-9.4Al-0.5Si合金涂层，其制备方法是：1.确定合金涂层成分及百分含量：Ni为43.1％、Co为20.9％、Cr为26.1％、Al为9.4％、Si为0.5％。2.工件为GH-220高温合金，按常规方法进行镀前处理。3.确定合金靶成分及百分含量，首先通过有关资料查得各元素的离化率：Ni为60％、Co为70％、Cr为100％、Al为55％、Si为60％，然后通过本发明提供的公式确定合金靶的成分及含量，以Cr为例，Cr在靶材中的百分含量为a_Cr ^(O)，已知Cr在合金涂层中所要求的百分含量a_Cr＝26.1％，Cr的离化率α_Cr＝100％和上面查到的各元素的离化率。代入公式，得： $a_{\mathrm{Cr}}^{\left(O\right)}=\frac{\frac{a_{\mathrm{Cr}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Cr}}}}{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{a_{\mathrm{Cr}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Cr}}}\right)}\×100\%$ $=\frac{\frac{a_{\mathrm{Cr}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Cr}}}}{\frac{a_{\mathrm{Ni}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ni}}}+\frac{a_{\mathrm{Co}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Co}}}+\frac{a_{\mathrm{Cr}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Cr}}}+\frac{a_{\mathrm{Al}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Al}}}+\frac{a_{\mathrm{Si}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Si}}}}\×100\%$ $=\frac{\frac{26.1\%}{100\%}}{\frac{43.1\%}{60\%}+\frac{20.9\%}{70\%}+\frac{26.1\%}{100\%}+\frac{9.4\%}{55\%}+\frac{0.5\%}{60\%}}\×100\%$

＝17.91％同理可算出合金靶中Ni的百分含量a_Ni ^(O)＝49.29％，Co的百分含量a^(O) _Co＝20.49％，Al的百分含量a_Al ^(O)＝11.73％，Si的百分含量a_Si ^(O)＝0.57％。按算出的各元素的百分含量，炼制合金靶材，并按所用多弧设备靶形尺寸进行加工。4.将经镀前处理的GH-220高温合金工件置于镀膜室工件架上，将加工好的四个合金靶对称置于阴极弧源位置上，工件与合金靶表面距离为12～15厘米。5.对镀膜室抽真空，待真空度达到设备使用要求时，通入适量氩气，对工件表面进行辉光轰击清洗。6.选择工件负偏压为150V。7.进行镀膜20分钟。8.待温度降至50℃以下时，取出镀膜工件，经检测其合金涂层成分为42.5Ni-22.3Co-26.3Cr-8.3Al-0.6Si，与所要求的合金涂层成分相比较，见下表：

	Ni      Co      Cr      Al     Si
		所要求的合金涂层百分含量(ωt％)	43.1    20.9    26.1    9.4    0.5
所制备的合金涂层百分含量(ωt％)	42.5    22.3    26.3    8.3    0.6
		绝对偏差(ωt％)	0.6     1.4     0.2     1.1    0.1
相对偏差(ωt％)	1.4     6.7     0.8     11.7

从上面看出，Ni、Co、Cr、Al四种元素中最大绝对偏差为1.4％，最大相对偏差为11.7％。对微量元素Si，由于其所占份额很小，只要满足其微量即可，一般不计算其偏差。9.从上表看出，Al元素含量的相对偏差较大，而对于高温防护涂层，Al作为保护性氧化膜形成元素，一般要求其含量更为精确，故Al亦可称为性能敏感元素，为此，可通过微调来调整。在Ni、Co、Cr、Al和Si诸元素中，Al的离化率较低，且所制备的合金涂层中Al元素含量为8.3％低于所要求的含量9.4％，故应降低工件负偏压，只需将上述步骤中工件负偏压降至100V，其它步骤不变，便得到如下合金涂层成分：43.6Ni-21.6Co-24.5Cr-9.6Al-0.7Si，这样，Al元素的绝对偏差降至0.2％，相对偏差降至2.1％。

实施例2：(90Ti-10Al)N二元合金超硬反应膜的制备方法为：1.本例为合金反应涂层，包含的合金反应元素为Ti和Al，其重量百分比a_Ti为90％，a_Al为10％。2.工件为不锈钢材质，按常规方法进行镀前处理。3.合金靶成分的确定，先查得Ti的离化率α_Ti为80％，Al的离化率α_Al为55％，代入本发明所提供的公式得： $a_{\mathrm{Ti}}^{\left(O\right)}=\frac{\frac{a_{\mathrm{Ti}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ti}}}}{\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{a_i}{{\mathrm{\α}}_i}\right)}\×100\%$ $=\frac{\frac{a_{\mathrm{Ti}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ti}}}}{\frac{a_{\mathrm{Ti}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Ti}}}+\frac{a_{\mathrm{Al}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Al}}}}\×100\%$ $=\frac{\frac{90\%}{80\%}}{\frac{90\%}{80\%}+\frac{10\%}{55\%}}\×100\%$

＝86.1％

同理算出：a_Al ^(O)＝13.9％按86.1Ti-13.9Al的合金成分炼制合金靶材，按所用多弧离子镀设备靶形尺寸进行加工。4.将经过镀前处理的不锈钢工件置于镀膜室工件架上，将加工好的两个合金靶对称置于阴极弧源位置上，工件与靶面的距离为15厘米。5.对镀膜室抽真空，待真空度达到设备使用要求时，通入适量氩气，对工件表面进行辉光轰击清洗，然后启动弧源，将工件负偏压调至600V，进行弧光轰击清洗约三分钟。6.选择工件负偏压为150V，通入适量N₂气。7.进行镀膜25分钟。8.待温度降至100℃以下，取出镀膜工件，经检测得到涂层为(91Ti-9Al)N的反应膜，与所要求的元素含量相比，Ti和Al的绝对偏差均为1％，相对偏差分别为1.1％和10％。

Claims (2)

1.一种采用多弧离子镀制备合金涂层的方法，包括：(1).合金涂层的确定；(2).工件的确定并作镀前处理；(3).合金靶成分的确定，制造合金靶；(4).将工件置于镀膜室工件架上，将合金靶对称置于阴极弧源位置上，工件与合金靶表面距离应大于10厘米；(5).对镀膜室抽真空，通入适量氩气，对工件表面进行轰击清洗；(6).选择工件负偏压，选择是否通入反应气体；(7).镀膜；(8).待镀膜结束，降温后取出工件。

所说的合金靶成分确定，是根据下面的公式确定合金靶的化学成分： ${a_i}^{\left(0\right)}=\frac{a_i/{\mathrm{\α}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(a_i/{\mathrm{\α}}_i)}\×100\%$ 式中：i从1取到n为正整数，对合金涂层的制备，n为涂层中包含合金元素的个数，对合金反应涂层的制备，n为合金反应元素的个数；a_i为第i种元素在合金涂层中所要求的百分含量，或在合金反应涂层中，该元素占合金元素总量的百分比；a_i ^(O)为第i种元素在合金靶中的百分含量；α_i为第i种元素在弧等离子体中的离化率。按上述方式计算得到的a₁ ^(O)、a₂ ^(O)、…、a_n ^(O)为合金靶各元素所占份额比例，然后按此比例进行合金配料制造合金靶。

2.根据权利要求1所述的多弧离子镀合金涂层的制备方法，其特征是：所说的对合金涂层成分进行微调是指对性能敏感元素含量的微调，对于合金涂层诸元素中离化率较低的性能敏感元素，当用所述方法制备的合金涂层中该元素含量略小于所要求的含量时，则在镀膜时降低工件负偏压50V～100V，当用所述方法制备的合金涂层中该元素含量略大于所要求的含量时，则在镀膜时增大工件负偏压50V～100V；对于合金涂层诸元素中离化率较高的性能敏感元素，当用所述方法制备的合金涂层中该元素含量略小于所要求的含量时，则在镀膜时增大工件负偏压50V～100V，当用所述方法制备的合金涂层中该元素含量略大于所要求的含量时，则在镀膜时降低工件负偏压50V～100V。