CN109023247B - 钢上通过磁控溅射的耐蚀和低脆性铝合金涂层 - Google Patents

钢上通过磁控溅射的耐蚀和低脆性铝合金涂层 Download PDF

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Abstract

钢上通过磁控溅射的耐蚀和低脆性铝合金涂层。本公开提供了用于涂覆钢基板的合金，所述合金包含铝以及锌、镁和锆中的一种或更多种。合金涂层具有约5％或更低的总孔隙体积百分比以及约10微米或更小的平均孔隙直径。本公开还提供了将铝合金沉积到基板上的方法、磁控溅射靶材以及制备带涂层的钢的方法。

Description

钢上通过磁控溅射的耐蚀和低脆性铝合金涂层
技术领域
本公开的各方面总体上涉及用于钢的铝合金涂层、将铝合金沉积到基板上的方法、磁控溅射靶材以及带铝合金涂层的基板。
背景技术
由于钢是一种高强度材料，所以其用在许多行业中。为了改进钢的质量，可在钢上设置涂层。例如，带镉涂层的钢是在潮湿环境中用作航空航天和军事应用的飞机部件的材料。由于镉保护钢免受湿气影响并缓慢劣化，所以镉涂层在行业中被称为“牺牲涂层”。正在开发其它技术以提供其它涂层。例如，低氢脆锌镍(LHE Zn-Ni)(例如，AlumiPlateTM)涂层提供与带镉涂层的铝相似的性能。铝是航空部件上的涂层的另一选择。带铝涂层的钢通常通过将铝离子气相沉积(IVD)到钢上而制成。另选地，已开发出基于离子液体的涂层配方以从涂层配方消除水性和有机溶剂。
尽管如此，需要用于钢的保护涂层，其与通过离子气相沉积形成的涂层相比孔隙率降低，并且与Zn-Ni镀层相比保护涂层中所使用的金属的范围更广。还需要用于钢的保护涂层，其无需使用有机溶剂和其它非理想材料就可形成。
发明内容
本公开提供一种用于涂覆基板(例如，钢基板)的合金涂层，其包含铝以及下列材料中的一种或更多种：基于合金的总重量计约1重量％至约15重量％的锌、基于合金的总重量计约1重量％至约10重量％的镁以及基于合金的总重量计约0.1重量％至约5重量％的锆。合金涂层具有约5％或更低的总孔隙体积百分比以及约10微米或更小的平均孔隙直径。
在其它方面，基板(例如，钢基板)包括设置在其上的本公开的铝合金。
本公开还提供包含本公开的铝合金的磁控溅射靶材。
在其它方面，一种将铝合金磁控溅射到基板上的方法包括使溅射气体流到工艺室的处理区域，该工艺室具有铝合金溅射靶材，该铝合金溅射靶材包含基于合金的总重量计约1重量％至约15重量％的锌、基于合金的总重量计约1重量％至约10重量％的镁以及基于合金的总重量计约0.1重量％至约5重量％的锆中的一种或更多种。合金涂层具有约5％或更低的总孔隙体积百分比以及约10微米或更小的平均孔隙直径。该方法包括将能量脉冲传送到溅射气体并将铝合金沉积到基板上。
附图说明
为了能够详细理解本公开的上述特征，可通过参考方面来获得以上简要概述的本公开的更具体描述，其中一些方面示出于附图中。然而，要注意的是，附图仅示出本公开的典型方面，因此不应被视为限制其范围，因为本公开可允许其它同样有效的方面。
图1是根据本公开的一方面的包括钢基板的飞机。
图2是根据本公开的一方面的在磁控溅射室中在钢基板上沉积铝合金涂层的方法的流程图。
图3是示出使用离子气相沉积或磁控溅射而沉积到钢基板上的铝涂层的总孔隙体积百分比对孔隙直径的曲线图。
图4A是示出使用离子气相沉积而沉积到钢基板上的铝涂层的孔隙分布对孔隙直径的柱状图。
图4B是示出根据本公开的一方面的使用磁控溅射而沉积到钢基板上的铝涂层的孔隙分布对孔隙直径的柱状图。
图5是示出根据本公开的一方面的Al-5Mg合金在蒸馏水和3.5％NaCl溶液二者中的开路电位的曲线图。
图6是示出根据本公开的一方面的Al-5Zn-5Mg合金在蒸馏水和3.5％NaCl溶液二者中的开路电位的曲线图。
图7是示出根据本公开的一方面的Al-9Zn-5Mg合金在蒸馏水和3.5％NaCl溶液二者中的开路电位的曲线图。
图8是示出根据本公开的一方面的Al-9Zn-5Mg-1Zr合金在蒸馏水和3.5％NaCl溶液二者中的开路电位的曲线图。
为了方便理解，在可能的情况下使用了相同的标号来指代附图中共有的相同元件。可以想到一个方面的元件和特征可被有益地并入其它方面而无需进一步叙述。
具体实施方式
本公开提供用于涂覆钢基板的合金，该合金包含铝以及下列材料中的一种或更多种：基于合金的总重量计约1重量％至约15重量％的锌、基于合金的总重量计约1重量％至约10重量％的镁以及基于合金的总重量计约0.1重量％至约5重量％的锆。合金涂层具有约5％或更低的总孔隙体积百分比以及约10微米或更小的平均孔隙直径。本公开的铝合金可被设置在诸如钢基板的基板(例如，飞机部件)上。本公开的铝合金提供具有根据ASTM B117的500小时或以上的耐蚀性的涂层。
本公开的铝合金可被设置在飞机、航天器、船舶、发动机和吹气式襟翼的部件、排气清洗结构、用于高性能超音速、高超音速和空间返回载具结构的暖结构部件以及推进结构上(例如，发电涡轮机、车辆发动机、替代能源应用以及相关技术)。例如，本公开的铝合金可被设置在飞机的基于钢的起落架和/或底表面上。图1是根据本公开的一方面的包括钢结构(例如，基板)的飞机。如图1所示，飞机100包括飞机结构102，包括诸如细长主体104、从主体104横向延伸的机翼106以及从主体104纵向延伸的机尾108的飞机部件。本公开的铝合金可被设置在这些飞机部件的一个或更多个表面上以在飞机部件上形成一个或更多个耐蚀铝合金涂层。
合金：
本公开的铝(Al)合金包含镁(Mg)、锌(Zn)和锆(Zr)中的一种或更多种。在至少一个方面，本公开的铝合金包含基于合金的总重量计约1重量％至约10重量％，例如约1重量％至约5重量％的Mg。在至少一个方面，本公开的铝合金包含基于合金的总重量计约1重量％至约15重量％，例如约5重量％至约12重量％，例如约8重量％至约10重量％的Zn。在至少一个方面，本公开的铝合金包含基于合金的总重量计约0.1重量％至约5重量％，例如约1重量％至约3重量％，例如约1重量％的Zr。在至少一个方面，铝合金具有5重量％的Mg和95重量％的Al(表示为Al-5Mg)。另选地，铝合金具有5重量％的Mg、5重量％的Zn和90重量％的Al(表示为Al-5Zn-5Mg)。在至少一个方面，铝合金具有9重量％的Zn、5重量％的Mg和86％的Al(表示为Al-9Zn-5Mg)。另选地，铝合金具有9重量％的Zn、5重量％的Mg和1重量％的Zr(表示为Al-9Zn-5Mg-1Zr)。
在至少一个方面，本公开的合金被磁控溅射到钢基板上以形成设置在钢基板上的涂层。在至少一个方面，本公开的铝合金涂层的厚度为0.1μm至约100μm，例如0.1μm至约70μm，例如约1μm至约50μm，例如约2μm至约30μm，例如约0.1μm至约5μm。
磁控溅射
在至少一个方面，使用磁控溅射在钢基板上形成耐蚀铝合金涂层。磁控溅射对于沉积如本文所述的涂层是理想的，因为磁控溅射不需要靶材的电离以及靶材的合金沉积到基板上。磁控溅射涉及从靶材移除材料，然后移除的材料被沉积到基板上。用于本公开的磁控溅射的靶材包含本公开的铝合金。铝合金靶材可通过传统熔融和铸造方法来形成。例如，如果期望铝锌镁锆合金，则使用石墨坩埚在电阻加热炉中将所计算量的每种纯金属一起熔融以形成合金。合金锭被铸造并加工成圆柱棒形式。利用放电加工从圆柱棒加工用于后续磁控溅射的靶材。在至少一个方面，圆柱棒被切割成厚度为3mm的3”或2”直径的圆盘以用作靶材。
任何合适的磁控溅射系统可用于将本公开的铝合金沉积到基板上(例如，来自印度班加罗尔Hind High Vac Pvt公司的多靶磁控溅射系统)。磁控溅射系统包括一个或更多个靶材。在至少一个方面，靶材的表面积为约1000cm2至约2000cm2。另选地，靶材的表面积为约50cm2至约500cm2。在至少一个方面，基板被设置在室内的旋转台上。在至少一个方面，在沉积铝合金期间，基板在磁控溅射过程中按照约10转每分钟(rpm)至约400rpm(例如，约20rpm至约200rpm)的速率旋转。
在至少一个方面，在沉积工艺的不同阶段对基板施加偏压。例如，在可旋转基板台中从源(例如，DC和/或RF源)向偏压电极(或卡盘电极)提供偏压，从而在沉积工艺的一个或更多个阶段期间利用在等离子体中形成的离子轰击基板。在至少一个方面，在执行铝合金沉积工艺之后对基板施加偏压。另选地，在铝合金沉积工艺期间施加偏压。较大的负基板偏压将趋向于将等离子体中生成的正离子朝着基板驱动或者反之亦然，以使得当其撞击基板表面时其具有更大量的能量。
在至少一个方面，脉冲DC电源被配置为在介于约10μs到约200μs之间的短持续时间内以例如介于约1兆伏(MV)到约8MV之间的电压输送功率脉冲。典型电源可在短持续时间内以高电压输送功率脉冲，以在脉冲DC处理期间生成高密度和能量的等离子体。电压可为约100V至约12000V。然而，对于铝合金靶材，具有约200V至约1000V的电压的负电压脉冲可足够了，例如对靶材相对于阳极(例如，真空室壁)约500V至约1000V。可通过电源以持续时间(或脉冲宽度)和脉冲循环时间生成功率脉冲(或能量脉冲)。在一个方面，各个功率脉冲的持续时间介于约10μs到约40μs之间，脉冲循环时间为约200μs(对应于5000Hz的脉冲重复频率)，即，顺序脉冲之间的间隔为160-190μs。在脉冲循环时间内输送的功率或能量可在持续时间期间具有非方波形状，因此在该持续时间内的平均功率可为介于约2千瓦(kW)到约40kW之间(例如，介于约2kW到40kW之间)的值。在至少一个方面，提供给靶材的各个功率脉冲具有相等量的功率和/或相等的持续时间。另选地，提供给靶材的各个脉冲具有不同量的功率和/或不同的持续时间。
为了在HIPIMS工艺期间实现高量的无功能量和所溅射的材料的高电离程度，可控制各种处理参数以促使所生成的溅射材料具有低孔隙率和低氢脆性。在一些方面，工艺参数包括与靶材相邻定位的磁控管的磁场强度以及在持续时间内在功率脉冲中输送的功率的量的控制以生成具有可取能量和等离子体密度的等离子体。
较高的等离子体密度将增加HIPIMS沉积速率和穿过等离子体的溅射的原子的电离率。此外，随着偏压增加，等离子体密度的峰值朝着较短的脉冲宽度移位，因此峰值等离子体密度是靶材偏压和脉冲宽度的函数。在一个示例中，在功率脉冲期间施加的500V靶材偏压具有2A的电流和70KHz的脉冲频率。
在利用一个或更多个清洁过程清洁钢基板之后，基板被安装在支撑件上，所述支撑件在沉积期间可操作以旋转。清洁过程包括利用氧化铝砂粒对基板表面进行喷砂，然后通过吹空气和氩气来去除灰尘颗粒。在沉积之前，也可清洁靶材表面。典型的靶材清洁包括利用丙酮进行超声表面清洁。在至少一个方面，通过反转基板的极性或者施加附加电压使用氩离子等离子体来清洁基板。在沉积铝合金期间，靶材的一部分与钢基板的一部分之间的最近距离为约3cm至约20cm，例如约6cm至约10cm。
图2是在磁控溅射室中在钢基板上沉积铝合金涂层的方法的流程图。如图2所示，方法200包括在将基板引入室中并且可选地清洁基板之后，利用高真空泵将室(例如，真空沉积装置200)抽真空202至低于5×10-4Torr(例如，低于5×10-6Torr)的压力。在至少一个方面，在沉积之前，钢基板被加热至约300℃至约900℃，例如约450℃至约700℃，例如约570℃至约630℃的温度。
方法200包括使溅射气体流204到工艺室的处理区域，该工艺室就要铝合金溅射靶材。方法200包括将能量脉冲输送206到溅射气体以产生溅射等离子体。溅射气体通常是对基板或溅射靶材呈惰性的气体。在一个示例中，溅射气体是氩气。使用恒定氩气流，使得室压力为约15mTorr或更低，例如约1mTorr至约10mTorr，例如约3mTorr至约8mTorr。优选在纯氩溅射气体中开始沉积。气体按照在沉积期间维持的恒定流量引入。在与铝合金溅射靶材相邻的处理体积中形成溅射等离子体，以形成溅射的铝合金材料。在一个方面，溅射等离子体具有溅射持续时间，并且能量脉冲具有介于2W/cm2到12W/cm2之间的平均功率。通过磁场来控制溅射等离子体，该磁场小于900Gauss。
通常，提供能量脉冲包括选择形成等离子体的靶材偏压和脉冲宽度，其将赋予可取量的能量以提供可取的等离子体能量以向溅射的原子提供高电离率和电离程度，这提供了可取的溅射沉积速率。在一个方面，用于形成溅射等离子体的能量脉冲各自具有介于约1W/cm2到约10W/cm2之间的平均功率。磁控管的磁场可小于约300Gauss(例如，约200Gauss)。在至少一个方面，基板为6英寸×6英寸，并且溅射工艺的总功率为约1kW。在至少一个方面，使用较大的基板(例如，顶表面积为15m2的基板)。可例如从印度班加罗尔Hind High VacPvt公司获得合适的大面积涂覆机。方法200包括溅射208铝合金靶材以形成溅射的铝合金并将铝合金沉积210到基板(例如，钢基板)上。
在另一方面，上述磁控溅射方法可用于形成一个或更多个中间层。一旦中间层形成，就将铝合金材料沉积到包含一个或更多个中间层的钢基板上。在至少一个方面，中间层包括具有金属氧化物、氮化物、碳化物和金属氮氧化物的第二层。
示例：
使用来自印度班加罗尔Hind High Vac Pvt公司的多靶磁控溅射系统来沉积涂层。该溅射系统具有利用旋转在平坦基板上沉积的能力以及用于在钢基板上涂覆的真空顺应旋转装置。
为了制造用于磁控溅射的铝和铝合金靶材，使用了电解级铝锭(99.9％)、电解级Zn(99.9％)、>99％纯Mg和99％纯Zr棒。通过熔融和铸造方法制成Al合金。取预定量的纯金属并利用石墨坩埚在电阻加热炉中熔融。按照圆柱棒的形式加工铸锭，利用放电加工从圆柱棒加工靶材。通过此工艺制成以下合金靶材：
i)Al-5Mg(5重量％的Mg，其余为Al)
ii)Al-5Zn-5Mg(5重量％的Zn，5重量％的Mg，其余为Al)
iii)Al-9Zn-5Mg(9重量％的Zn，5重量％的Mg，其余为Al)
iv)Al-9Zn-5Mg-1Zr(9重量％的Zn，5重量％的Mg，1重量％的Zr，其余为Al)
将圆柱棒切割成厚度为3mm的3”和2”直径圆盘形式以用作靶材。将靶材安装在室的水冷阴极上。铝合金靶材的表面利用丙酮进行超声清洁并被溅射1小时，然后沉积在基板上。
利用氧化铝砂粒对基板(4130高强度钢)进行喷砂并且在通过吹空气和氩气去除灰尘颗粒之后将其置于与闸板附接(以避免靶材预溅射期间的任何污染)的底板上。
使用与系统附接的涡轮泵将真空室抽至1-2×10-6mbar。在对靶材进行溅射清洁之后将铝或铝合金溅射沉积在基板上。基板尺寸从1英寸×3英寸至3英寸×3英寸变化。铝或铝合金涂层的涂层厚度取决于沉积时间和沉积功率。典型的沉积速率被计算为在300瓦(DC)的功率下每小时2-3微米。
为了将铝合金沉积到平坦的钢基板上，例如DC功率、氩气流入室中的速率、沉积压力(4-6×10-3mbar)以及靶材至基板距离(10厘米)的沉积参数保持不变，以将各个涂层形成到其相应钢基板上。在当前室中同时对四个基板进行涂覆。在沉积期间平坦基板按照20RPM旋转。为了将合金沉积到4340高强度钢上，样品在沉积室内按照200RPM旋转。靶材与基板之间的距离为6cm，所有其它参数保持不变。在溅射工艺期间，通过对室抽真空来使沉积室中的氧的存在最小化，以获得足够明亮的涂层。
所有涂覆的样品均能接受转化涂层，例如铬酸盐涂层(例如，ALODINE 1200)。通过开路电位测量在盐雾室中(根据ASTM B 117)对钝化样品进行防腐蚀测试。
孔隙率：使用压汞仪(AMP-60-K-A-1，PMI，美国)测量样品的孔隙率。利用30000至60000PSI的最大汞注射压力测量孔隙率。将涂覆的样品抽真空至～10-2mbar的真空度，然后通过施加液压将汞引入孔隙中。测量注入孔隙内的汞的量以获得涂层上的孔隙率。假设固体金属基板在已进行沉积的表面上没有任何孔隙。
在至少一个方面，本公开的铝合金涂层具有约5％或更低的总孔隙体积百分比以及约10微米或更小的平均孔隙直径。例如，铝合金涂层可具有约0.1％至约5％(例如，约1％至约3％)的总孔隙体积百分比以及约1微米至约10微米(例如，约3微米至约7微米)的平均孔隙直径。图3是示出使用离子气相沉积或磁控溅射而沉积到钢基板上的铝涂层的总孔隙体积百分比对孔隙直径的曲线图。如图3所示，使用离子气相沉积而沉积的铝涂层(以及本公开的铝合金涂层)具有～20％的总孔隙体积是由于大于5微米直径的孔的存在(线302)。相比之下，由于直径大于5微米的孔隙，如上所述使用磁控溅射而沉积的铝涂层(以及本公开的铝合金涂层)仅具有5％的总孔隙体积(线304)。
图4A和图4B是示出使用离子气相沉积或磁控溅射而沉积到钢基板上的铝涂层的孔隙分布对孔隙直径的柱状图。如图4A所示，铝涂层(通过传统离子气相沉积工艺沉积)的总孔隙的40％或以上具有大于0.5微米的孔隙直径。相比之下，如图4B所示，铝涂层(如上所述通过磁控溅射沉积)的总孔隙的10％或以下具有大于0.5微米的孔隙直径。
盐雾测试(ASTM B 117)
发现在500小时盐雾曝露之后，钢基板上溅射沉积的Al-5Mg涂层没有红锈形成(人眼可观察到)。类似地，在500小时盐雾测试之后，钢基板上溅射沉积的Al-9Zn-5Mg涂层没有红锈形成。然而，在1000小时盐雾测试之后，在溅射沉积的Al-9Zn-5Mg涂层上观察到小的红锈斑点。离子气相沉积限于纯Al涂层。此外，具有多个元件的IVD非常困难。因此，磁控溅射使得易于操纵合金组成。目前航空航天工业中的做法是由IVD使用纯Al涂层，但是其没有提供纯水中的牺牲保护。因此，磁控溅射和Al合金沉积提供了优于传统方法和耐蚀材料的优点。此外，Al合金提供比纯Al更好的耐蚀性。
对于钢基板上溅射沉积的Al-9Zn-5Mg-1Zr涂层，在500小时盐雾测试之后或者甚至在1000小时之后没有观察到红锈形成。Zn含量小于9％的合金可承受的盐雾小时数少。类似地，Zn含量大于或等于10％的合金由于其与水性介质中的氯化物反应而会增加氢脆性。这些耐蚀合金涂层的耐蚀性与Zn-Ni镀层(根据ASTM B 117具有500小时或以上的耐蚀性)在同一数量级上。
湿度测试
具有本公开的溅射沉积的合金的钢基板还经受湿度测试。对于湿度测试，带划痕的测试面板在100°F至115°F(38至46℃)下暴露于95％最小相对湿度500小时。
溅射沉积的带100％铝涂层的钢基板在500小时湿度测试之后没有观察到红锈形成。类似地，溅射沉积的带Al-5Mg涂层的钢基板在500小时湿度测试之后没有红锈形成。类似地，溅射沉积的带Al-9Zn-5Mg-1Zr涂层的钢基板在500小时湿度测试之后没有红锈形成。
开路电位：
开路电位用作设置在钢基板上的本公开的铝合金涂层的防腐蚀能力的定量标准。涂层的开路电位对钢应该是负的，这指示涂层为钢提供牺牲保护。开路电位是指示材料在腐蚀介质中对电化学氧化的热力学趋势的参数。依据ASTM G 82在14天内在蒸馏水和3.5％NaCl溶液中测量这些铝合金涂层的开路电位。以涂覆的表面作为工作电极制成电化学电池并且甘汞电极用作参比电极。开路电位测量期间的温度维持在约30℃。
从对通过磁控溅射与传统离子气相沉积形成的带铝涂层的钢基板的比较研究，观察到：
i)对于在3.5％NaCl溶液中的4130钢基板，纯铝涂层的开路电位为负的，并且
ii)对于在蒸馏水中的4130基板，溅射沉积的和离子气相沉积的铝涂层的开路电位为正的，这指示出铝涂层将不会为钢基板牺牲。
因此，本公开的溅射沉积的铝合金涂层可用于克服100％Al涂层在蒸馏水中的开路电位限制，并且还改进耐蚀性。
100％铝、含锰(Mn)的铝合金、含镁(Mg)的铝合金和含Mg硅(Si)的合金在水中具有优异的耐蚀性。向这些铝合金中的任一种添加铜(Cu)会增加腐蚀速率。向这些铝合金添加Mg会增加铝合金在海水中的耐蚀性。此外，Al-Mg合金在海水中具有比Al-Mg-Si合金更好的耐蚀性。在室温下，Mg在Al合金中具有2％的固溶度，并且超过5％Mg含量，铝合金变得易受应力腐蚀。因此，决定研究Al合金的最大5％的Mg含量。
高锌含量改进Al合金的耐蚀性。此外，向Al-Zn合金添加Mg进一步改进耐蚀性。Al-Zn-Mg涂层提供比Al-Zn涂层更好的耐蚀性。此外，可通过在合金中包含Zr来实现Al-Zn-Mg合金的机械性质和耐应力腐蚀性的改进。
图5是示出Al-5Mg合金在蒸馏水和3.5％NaCl溶液二者中的开路电位的曲线图。如图7所示，直的实线表示钢在3.5％NaCl溶液(502)或纯水(504)中的稳定电位。稳定电位是当电路开路并被允许与周围环境(例如，盐水或纯水)平衡时的开路电位。曲线表示带Al-5Mg涂层的钢在3.5％NaCl溶液(506)或纯水(508)中的开路电位值。与钢在盐水中相比负开路电位值越大，这些铝合金涂层可为钢提供越多牺牲保护。在纯水中，这些涂层比钢更卓越(noble)，因此提供屏障保护。
图6是示出Al-5Zn-5Mg合金在蒸馏水和3.5％NaCl溶液二者中的开路电位的曲线图。如图6所示，Al-5Zn-5Mg合金在两种介质中的开路电位对钢为阴极的(水：线602；3.5％NaCl：线604)。直的实线表示钢在3.5％NaCl溶液(606)或纯水(608)中的稳定电位。同样，与钢在盐水中相比负开路电位值越大，这些铝合金涂层可为钢提供越多牺牲保护。
图7是示出Al-9Zn-5Mg合金在蒸馏水和3.5％NaCl溶液二者中的开路电位的曲线图。如图7所示，与Al-5Zn-5Mg相比，Al-9Zn-5Mg合金在蒸馏水中以及在盐水介质中(分别为线706和708)对钢基板提供更低的开路电位。直的实线表示钢在3.5％NaCl溶液(704)或纯水(702)中的稳定电位。
图8是示出Al-9Zn-5Mg-1Zr合金在蒸馏水和3.5％NaCl溶液二者中的开路电位的曲线图。如图8所示，曲线表示带Al-9Zn-5Mg-1Zr涂层的基板在纯水(802)和3.5％NaCl溶液(804)中的开路电位值。这些铝合金涂层为钢提供牺牲保护。在纯水中，这些涂层比钢更卓越，因此提供屏障保护。
氢脆性
根据ASTM F 519使用具有缺口的1a.1型试样执行氢脆性(HE)测试。对于HE测试，在没有任何涂层的情况下将负荷施加到高强度钢4340试样(1a.1型)上的缺口，以确定基于三个未涂覆样品的平均缺口断裂强度(NFS)值。高强度钢4340样品的平均NFS被确定为3953Kg 200小时。在ASTM F 519下未观察到失效。
如上所述将合金溅射沉积到新的高强度钢4340试样(1a.1型)上。然后，将平均NFS值的75％负荷(3953Kg的75％＝2964.75Kg，约2965Kg)施加到样品并在此负荷下保持200小时。没有观察到断裂，指示涂层通过了HE测试。观察到使用传统离子气相沉积工艺沉积到高强度钢4340试样上的合金涂层也通过测试，但是如上所述，离子气相沉积样品没有通过腐蚀测试，特别是OCP测试。此外，IVD涂层涉及附加喷丸步骤以减小孔隙率以通过腐蚀测试(即，盐雾)。
总之，本公开的铝合金可被设置在诸如钢基板(例如，飞机部件)的基板上。与通过离子气相沉积形成的涂层相比，本公开的铝合金提供减小的孔隙率。另外，与无法形成具有超过两种不同的金属的涂层的Zn-Ni镀层相比，本公开的铝合金允许在耐蚀涂层中使用范围更广的金属。与根据ASTM B 117具有500小时或以上的耐蚀性的Zn-Ni镀层相比，本公开的铝合金提供具有相同或更大的耐蚀性的涂层。本公开的合金可在不使用有机溶剂以及其它不利材料的情况下形成。
根据以下条款描述另外的方面：
条款1.一种用于涂覆钢基板的合金涂层，该合金包含：
铝；以及
下列材料中的一种或更多种：
基于合金的总重量计约1重量％至约15重量％的锌，
基于合金的总重量计约1重量％至约10重量％的镁，以及
基于合金的总重量计约0.1重量％至约5重量％的锆，
所述合金涂层具有约5％或更低的总孔隙体积百分比以及约10微米或更小的平均孔隙直径。
条款2.根据条款1所述的合金涂层，其中，所述合金包含约5重量％至约12重量％的锌。
条款3.根据条款1或2所述的合金涂层，其中，所述合金包含基于合金的总重量计约1重量％至约5重量％的镁。
条款4.根据条款3所述的合金涂层，其中，所述合金包含基于合金的总重量计约5重量％的镁。
条款5.根据条款4所述的合金涂层，其中，所述合金包含基于合金的总重量计约9重量％的锌。
条款6.根据条款5所述的合金涂层，其中，所述合金包含基于合金的总重量计约1重量％的Zr。
条款7.根据条款1至5中的任一项所述的合金涂层，其中，所述合金是：
包含5重量％的Mg和95重量％的Al的合金，
包含5重量％的Zn、5重量％的Mg和90重量％的Al的合金，
包含9重量％的Zn、5重量％的Mg和86重量％的Al的合金，或者
包含9重量％的Zn、5重量％的Mg、1重量％的Zr和85重量％的Al的合金。
条款8.根据条款7所述的合金涂层，其中，所述合金包含9重量％的Zn、5重量％的Mg、1重量％的Zr和85重量％的Al。
条款9.根据条款1至8中的任一项所述的合金涂层，其中，所述合金的总孔隙的10％或以下具有大于0.5微米的孔隙直径。
条款10.一种钢基板，该钢基板包括设置在其上的根据条款1至9中的任一项所述的涂层。
条款11.根据条款10所述的钢基板，其中，所述涂层具有约1μm至约50μm的厚度。
条款12.根据条款11所述的钢基板，其中，所述涂层具有约2μm至约30μm的厚度。
条款13.根据条款10或11所述的钢基板，其中，在30℃下根据ASTM G 82，所述合金涂层在蒸馏水和3.5％氯化钠溶液二者中具有小于相同孔隙率的铝涂层的开路电位。
条款14.根据条款10至13中的任一项所述的钢基板，其中，根据ASTM F 519在约2965Kg负荷下200小时，所述合金涂层没有断裂。
条款15.根据条款10至14中的任一项所述的钢基板，该钢基板还包括设置在钢基板和合金之间的第二层，该第二层包括金属氧化物、氮化物、碳化物或金属氮氧化物。
条款16.一种将铝合金磁控溅射到基板上的方法，该方法包括以下步骤：
使溅射气体流到工艺室的处理区域，该工艺室具有铝合金溅射靶材，该铝合金溅射靶材包含基于合金的总重量计约1重量％至约15重量％的锌、基于合金的总重量计约1重量％至约10重量％的镁和基于合金的总重量计约0.1重量％至约5重量％的锆中的一种或更多种；
将能量脉冲输送到溅射气体；以及
将铝合金沉积到钢基板上。
条款17.根据条款16所述的方法，其中，所述溅射气体是氩气。
条款18.根据条款16或17所述的方法，其中，将能量脉冲输送到溅射气体的步骤包括输送2W/cm2至12W/cm2的平均功率。
条款19.根据条款16至18中的任一项所述的方法，其中，将能量脉冲输送到溅射气体的步骤包括输送约0.1A至约2A的最大溅射电流和约0.3kW至约5kW的最大功率。
条款20.根据条款16至19中的任一项所述的方法，其中，在300瓦的DC功率下按照每小时约2微米至每小时约3微米的沉积速率执行沉积。
条款21.根据条款16至20中的任一项所述的方法，该方法还包括在提供溅射气体之前利用高真空泵将所述室抽真空至低于5×10-4Torr的压力。
条款22.根据条款16至21中的任一项所述的方法，其中，沉积步骤包括对所述室施加小于300Gauss的磁场。
条款23.根据条款16至22中的任一项所述的方法，其中，所述基板在沉积期间介于每分钟20转到每分钟200转之间旋转，并且所述靶材的表面与所述基板的表面之间的距离介于约6cm到约10cm之间。
已出于例示目的呈现了本公开的各方面的描述，但是其并非旨在为穷尽性的或者限于所公开的方面。在不脱离所描述的方面的范围和精神的情况下，对于本领域普通技术人员而言许多修改和变化将显而易见。选择本文所使用的术语以最好地说明各方面的原理、实际应用或优于市场上找到的技术的技术改进、或者使得本领域普通技术人员能够理解本文所公开的方面。尽管上文涉及本公开的各方面，在不脱离本公开的基本范围的情况下可想到本公开的其它和另外的方面。

Claims (10)

1.一种用于利用磁控溅射涂覆钢基板的合金涂层，该合金包含：
铝；以及
下列材料中的一种或更多种：
基于所述合金的总重量计1重量％至15重量％的锌，
基于所述合金的总重量计1重量％至10重量％的镁，以及
基于所述合金的总重量计0.1重量％至5重量％的锆，
所述合金涂层具有5％或更低的总孔隙体积百分比以及10微米或更小的平均孔隙直径，
其中，所述磁控溅射中的各种处理参数被控制以促使所生成的溅射合金涂层具有低孔隙率和低氢脆性，并且
在30℃下根据ASTM G 82，所述合金涂层在蒸馏水和3.5％氯化钠溶液二者中具有小于相同孔隙率的铝涂层的开路电位。
2.根据权利要求1所述的合金涂层，其中，所述合金包含5重量％至12重量％的锌。
3.根据权利要求1或2所述的合金涂层，其中，所述合金包含基于所述合金的总重量计1重量％至5重量％的镁；或者
其中，所述合金包含基于所述合金的总重量计5重量％的镁。
4.根据权利要求3所述的合金涂层，其中，所述合金包含基于所述合金的总重量计9重量％的锌；或者
其中，所述合金包含基于所述合金的总重量计1重量％的Zr。
5.根据权利要求1或2所述的合金涂层，其中，所述合金是：
包含5重量％的Mg和95重量％的Al的合金，
包含5重量％的Zn、5重量％的Mg和90重量％的Al的合金，
包含9重量％的Zn、5重量％的Mg和86重量％的Al的合金，或者
包含9重量％的Zn、5重量％的Mg、1重量％的Zr和85重量％的Al的合金。
6.根据权利要求5所述的合金涂层，其中，所述合金包含9重量％的Zn、5重量％的Mg、1重量％的Zr和85重量％的Al。
7.根据权利要求1或2所述的合金涂层，其中，所述合金的总孔隙的10％或以下具有大于0.5微米的孔隙直径。
8.一种将铝合金磁控溅射到基板上的方法，该方法包括以下步骤：
使溅射气体流到工艺室的处理区域，该工艺室具有铝合金溅射靶材，该铝合金溅射靶材包含基于所述合金的总重量计1重量％至15重量％的锌、基于所述合金的总重量计1重量％至10重量％的镁和基于所述合金的总重量计0.1重量％至5重量％的锆中的一种或更多种；
将能量脉冲输送到所述溅射气体；以及
将所述铝合金沉积到钢基板上，
其中，所述磁控溅射中的各种处理参数被控制以促使所生成的溅射合金涂层具有低孔隙率和低氢脆性，并且
在30℃下根据ASTM G 82，所述合金涂层在蒸馏水和3.5％氯化钠溶液二者中具有小于相同孔隙率的铝涂层的开路电位。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述溅射气体是氩气；或者
其中，将能量脉冲输送到所述溅射气体的步骤包括输送2W/cm2至12W/cm2的平均功率；或者
其中，将能量脉冲输送到所述溅射气体的步骤包括输送0.1A至2A的最大溅射电流和0.3kW至5kW的最大功率；或者
其中，在300瓦的DC功率下按照每小时2微米至每小时3微米的沉积速率执行沉积。
10.根据权利要求8或9所述的方法，该方法还包括在提供所述溅射气体之前利用高真空泵将所述室抽真空至低于5×10-4Torr的压力；或者
其中，沉积步骤包括对所述室施加小于300Gauss的磁场；或者
其中，所述基板在沉积期间介于每分钟20转到每分钟200转之间旋转，并且所述靶材的表面与所述基板的表面之间的距离介于6cm到10cm之间。
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