CN109351975A - 一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，所述微孔不锈钢基体包括致密结构的底层和带有微孔结构的表层，所述微孔在所述表层上均匀分布，所述表层的微孔从上到下贯通整个所述表层。所述微孔不锈钢基体的制备工艺包括，所述表层先经过喷砂工艺处理，然后再经过抛光工艺处理，最后经过表面超声冲击加工处理。本发明中的物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，可以为物理气相沉积过程中的涂层提供良好的涂层/基体结合力，可以很好地满足包括食品工业和医疗工业在内的多个工业领域中对功能涂层不锈钢的长效要求。

Description

一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种涂层沉积用的不锈钢基体及其制备工艺，更具体涉及一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体及其制备工艺。

背景技术

不锈钢基体因其特有的耐蚀性能和对人体的安全性能，被广泛应用于包括食品工业和医疗工业在内的多个工业领域中。然而，随着社会和工业技术的发展，采用表面涂层技术来提高不锈钢表面的耐磨性能、耐蚀性能和抗菌性能等是当前工业领域的研究热点之一。

涂层和基体之间的结合力是影响涂层长效作用的关键指标，而涂层制备过程中的温度问题也是影响高温下易于变形的薄尺寸不锈钢基体的性能的关键所在。化学气相沉积和物理气相沉积是制备不锈钢表面涂层的两种常用的技术。其中，化学气相沉积获得的涂层与不锈钢基体的结合力较好，但是由于化学气相沉积过程中需要加热到较高温度，并发生化学反应，这就对涂层的形成和不锈钢基体的性能都产生一定的限制。因此，物理气相沉积制备涂层因其温度低的优势，在不锈钢表面涂层制备中得到更为广泛的应用，然而物理气相沉积技术最大的问题就是在于涂层与不锈钢基体之间的结合力较低。

为了改善物理气相沉积涂层与不锈钢基体之间的结合力问题，目前主要通过采用金属过渡层、梯度涂层和优化制备工艺参数等方式进行。对于氮化硼或类金刚石等涂层的制备，由于涂层与不锈钢之间的亲和力较差，往往需要采用Ti或Cr等过渡层工艺，利用过渡层分别与不锈钢基体、以及涂层之间相对较好的亲和力，来改善涂层与不锈钢基体之间的结合力；对于内应力较大的涂层，往往需要通过梯度涂层进行成分的逐渐过渡，来减少涂层与基体之间的成分差异、或者降低涂层内部的应力积累，从而降低内应力，提高涂层与不锈钢基体的结合力；另外，通过制备过程中的工艺参数优化，调整气体的气压比和增加负偏压等方式，可以获得晶粒细化内应力较小的涂层。但是，以上现有的改善膜层和不锈钢基体的结合力的方式的效果都较为有限，而且控制难度较大。在实际工业领域中，很多工况需要涂层较厚，而当涂层厚度较大，特别是达到十数微米之后，涂层的内应力增加速度加大，涂层与不锈钢基体之间的结合力问题凸显，现有的改善膜层和不锈钢基体的结合力的措施都难以满足要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种具有微孔表面结构的不锈钢基体，用于物理气相沉积涂层的制备，在兼顾不锈钢基体本身力学性能的前提下，在采用物理气相沉积技术制备包括厚涂层在内的涂层时，都可以具备较好的涂层和不锈钢基体之间的结合力。

按照本发明提供的一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，其采用的主要技术方案为：所述微孔不锈钢基体包括致密结构的底层和带有微孔结构的表层，所述致密结构底层的孔隙率不超过1%，所述表层的厚度为50-200微米，所述表层的微孔面积占所述表层表面的比例为5%-20%，所述微孔为边的数量至少为4个的多边形，所述微孔在所述表层上均匀分布，所述表层的微孔从上到下贯通整个所述表层，所述多边形微孔的内边缘的每一个边的边缘均为不规则曲线。所述表层的厚度和微孔面积比例的设计确保了不锈钢基体较好的力学性能，同时为提高表层与涂层结合力提供了足够的钉扎点。特别是微孔为边缘不规则曲线的多边形，使得其边缘的表面自由能较大，利于物理气相沉积过程中溅射粒子的优先沉积。

本发明提供的物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，还具有以下附属技术方案：

所述多边形中任意一个顶点到任一条边的距离范围为50-150微米。

所述微孔不锈钢基体采用3D打印的工艺制备。3D打印增材制造技术很好的解决了传统工艺无法有效制备微孔结构不锈钢基材的现状，可以为食品工业等关键部件的加工提供全新的途径。

所述微孔不锈钢的基体底层3D打印所用的不锈钢粉末粒度为40-100微米，所述微孔不锈钢的基体表层3D打印所用的不锈钢粉末包括粗粒度粉末和细粒度粉末两种，所述粗粒度粉末的粒度为40-100微米，所述细粒度粉末的粒度为10-20微米。

所述粗粒度粉末和所述细粒度粉末的比例为10:1-20:1。所述微孔不锈钢的基体表层采用按比例混合的粗粒度粉末和细粒度粉末两种粒度粉末的组合，一方面有助于获得更为致密结构的基体，弥补微孔结构对表层不锈钢力学性能产生的影响，另一方面可以获得边缘轮廓不规则的微孔结构，有利于物理气相沉积过程中溅射粒子的优先沉积。

所述微孔不锈钢基体采用3D打印工艺制备好后,其所述表层先经过喷砂工艺处理，然后再经过抛光工艺处理，最后经过表面超声冲击加工处理。

所述微孔不锈钢基体的所述表层经过抛光工艺处理后的表面无所述微孔区域的粗糙度Ra数值不超过50 纳米。

按照本发明提供的一种制备所述的物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体的工艺，其技术方案主要包括以下步骤：

（1）采用选区激光熔化工艺进行金属3D打印工艺，包括所述微孔不锈钢基体的所述底层和所述表层的制备，首先采用粒度为40-100微米的不锈钢粉末进行所述底层的3D打印，3D打印过程中激光光斑的直径大小100微米，激光功率大小150 W，较大的激光功率和较大的光斑直径可以快速完成基体不锈钢的制备；然后，按质量百分比计，采用比例为10:1-20:1的所述粗粒度粉末和所述细粒度粉末的不锈钢混合粉末，进行所述表层的3D打印，3D打印过程中激光光斑的直径大小50微米，激光功率大小100 W，较小的激光功率和较小的光斑直径可以使得不锈钢基体表层激光熔化过程中被激光光斑加热的面积较小，其加热过程中的热影响区域较小，使得微孔边缘的热影响区缩小，获得需要的微孔结构；

（2）表面喷砂处理，采用喷砂机对上一步获得的3D打印不锈钢基体的表层进行喷砂处理，喷砂工艺包括，金刚砂粒度大小为200-230目，喷枪枪口与所述3D打印不锈钢基体表层被处理位置的距离为50-150 毫米，喷枪枪口与所述3D打印不锈钢基体表层的倾角为30°-60°；

（3）表面抛光处理，采用水砂纸对上一步经过喷砂处理的不锈钢基体表层进行带水湿磨抛光处理，使所述表层的表面无所述微孔区域的粗糙度Ra数值不超过50 纳米；

（4）表面超声冲击加工处理，采用超声频率为20-30 kHz的超声处理装置对上一步经过表面抛光处理的不锈钢基体表层进行超声冲击加工，具体处理工艺包括，冲击硬质合金球直径为10-20 毫米，冲击静载荷 100-200 N，冲击处理的密度10000-20000次/平方毫米，采用较低的冲击静载荷和较低的冲击处理密度，是由于不锈钢基体表层的处理目的应该同时满足粗糙度的进一步降低、微孔结构不变形、以及表面力学性能有所提高等三个方面，通过表面超声冲击加工处理，可以使得上一步获得抛光不锈钢基体表层的粗糙度进一步降低，采用间歇式处理，超声冲击每达到5000次/平方毫米，暂停超声冲击，将不锈钢基体表层倒置后进行反复晃动和震荡，使得微孔中存留的未熔化不锈钢粉末颗粒充分脱离微孔；

（5）获得本发明的一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体。

按照本发明提供的一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体及其制备工艺，与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的微孔不锈钢基体兼顾了基体底层的整体力学性能和表层的微孔结构特性。所述微孔不锈钢基体的底层为致密结构，其孔隙率不超过1%，可以确保具有足够的强度和韧性等力学性能，而其表层只有50-200微米，不会对基体整体的力学性能产生大的影响，而对于物理气相沉积的涂层来说，又已经足够，因此可以兼顾基体整体的力学性能和获得高的结合强度时物理气相沉积涂层对基体的要求。

2、本发明中的微孔不锈钢基体表层的微孔结构可以显著改善物理气相沉积涂层与基体之间的结合力。微孔面积的比例设计兼顾了对涂层的钉扎作用和对涂层整体质量的保证。微孔不规则边缘的设计使得物理气相沉积过程中被溅射的元素微粒优先在该位置进行附着，从而使得涂层从一开始生长就与基体之间具有牢固的连接点，而微孔的尺寸和比例限制，使得涂层可以快速实现在基体表面的全面覆盖，也确保了涂层生长的连续性和表面的低粗糙度，从而确保了涂层的质量。

3、本发明中的微孔不锈钢基体的制备工艺确保了微孔的获得。微孔基体表层3D打印时，结合光斑更小的激光和较小的激光功率，使得微孔边缘的粉末在激光熔化过程中对微孔内部的粉末影响较小，从而便于后期清理形成预期尺寸的微孔，采用两种粒度不锈钢的混合粉末，可以使得微孔每一条边的边缘具有不规则的形状，有利于后期涂层粉末的粘附；3D打印-喷砂处理-表面抛光-超声冲击的处理工艺顺序，确保了后期获得相应的微孔结构，喷砂处理工艺确保了3D打印制备的不锈钢基体表层的微孔中未熔化粉末颗粒彻底从微孔中脱出，并将可能的氧化层去除，表面湿法抛光使得整个不锈钢基体表面粗糙度显著降低，接近物理气相沉积涂层要求的粗糙度，而超声冲击处理一方面使得不锈钢基体表层的粗糙度进一步降低到物理气相沉积涂层要求的粗糙度，同时利用晶粒细化使得不锈钢基体表层的力学性能提高到或超过不锈钢基体底层的力学性能。最终获得本发明设计的微孔，使得物理气相沉积涂层与微孔之间形成牢固结合，显著改善涂层/不锈钢基体的结合力。

附图说明

图1是本发明微孔不锈钢基体的整体结构剖面图。

具体实施方式

参见图1，一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，所述微孔不锈钢基体包括致密结构的底层1和带有微孔结构的表层2，所述致密结构底层1的孔隙率不超过1%，所述表层2的厚度为50-200微米，所述表层2的微孔3面积占所述表层2表面的比例为5%-20%，所述微孔3为边的数量至少为4个的多边形，所述微孔3在所述表层2上均匀分布，所述表层2的微孔3从上到下贯通整个所述表层2，所述多边形微孔3的内边缘的每一个边的边缘均为不规则曲线。

所述多边形中任意一个顶点到任一条边的距离范围为50-150微米。

所述微孔不锈钢基体采用3D打印的工艺制备。

所述微孔不锈钢的基体底层3D打印所用的不锈钢粉末粒度为40-100微米，所述微孔不锈钢的基体表层3D打印所用的不锈钢粉末包括粗粒度粉末和细粒度粉末两种，所述粗粒度粉末的粒度为40-100微米，所述细粒度粉末的粒度为10-20微米。

所述微孔不锈钢的基体表层3D打印所用的不锈钢粉末中，按质量百分比计，所述粗粒度粉末和所述细粒度粉末的比例为10:1-20:1。其中，优选方案为，按质量百分比计，所述粗粒度粉末和所述细粒度粉末的比例为15:1。

所述微孔多边形边的数量至少为4个，这是由于三角形微孔会出现由于相邻两条边夹角太小，在3D打印过程中，可能在铺粉过程中出现不锈钢粉末堆积，进而导致激光溶化后，微孔中心被堵塞，难以清理获得有效微孔的问题。

所述微孔不锈钢基体的所述表层先经过喷砂工艺处理，然后再经过抛光工艺处理，最后经过表面超声冲击加工处理。3D打印不锈钢基体的后处理工艺选择及其顺序的设计，很好的确保了获得的不锈钢基体表层具有良好的力学性能，以及可以满足物理气相沉积所需要的低粗糙度且可显著改善物理气相沉积涂层结合力的微孔结构。

所述微孔不锈钢基体的所述表层经过抛光工艺处理后的表面无所述微孔区域的粗糙度Ra数值不超过50 纳米。该粗糙度为下一步超声冲击加工处理提供了低的粗糙度，有利于下一步超声冲击加工获得更低粗糙度的表面，且使其表面细晶层厚度均匀。

一种制备所述的物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体的工艺，主要包括以下步骤：

（1）采用选区激光熔化工艺进行金属3D打印工艺，包括所述微孔不锈钢基体的所述底层和所述表层的制备，首先采用粒度为40-100微米的不锈钢粉末进行所述底层的3D打印，3D打印过程中激光光斑的直径大小100微米，激光功率大小150 W；然后，按质量百分比计，采用比例为10:1-20:1的所述粗粒度粉末和所述细粒度粉末的不锈钢混合粉末，进行所述表层的3D打印，3D打印过程中激光光斑的直径大小50微米，激光功率大小100 W；

（2）表面喷砂处理，采用喷砂机对上一步获得的3D打印不锈钢基体的表层进行喷砂处理，喷砂工艺包括，金刚砂粒度大小为200-230目，喷枪枪口与所述3D打印不锈钢基体表层被处理位置的距离为50-150 毫米，喷枪枪口与所述3D打印不锈钢基体表层的倾角为30°-60°；

（3）表面抛光处理，采用水砂纸对上一步经过喷砂处理的不锈钢基体表层进行带水湿磨抛光处理，使所述表层的表面无所述微孔区域的粗糙度Ra数值不超过50 纳米；

（4）表面超声冲击加工处理，采用超声频率为20-30 kHz的超声处理装置对上一步经过表面抛光处理的不锈钢基体表层进行超声冲击加工，具体处理工艺包括，冲击硬质合金球直径为10-20 毫米，冲击静载荷 100-200 N，冲击处理的密度10000-20000次/平方毫米，采用间歇式处理，超声冲击每达到5000次/平方毫米，暂停超声冲击，将不锈钢基体表层倒置后进行反复晃动和震荡，使得微孔中存留的未熔化不锈钢粉末颗粒充分脱离微孔；

（5）获得本发明的一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，其特征在于：所述微孔不锈钢基体包括致密结构的底层和带有微孔结构的表层，所述致密结构底层的孔隙率不超过1%，所述表层的厚度为50-200微米，所述表层的微孔面积占所述表层表面的比例为5%-20%，所述微孔为边的数量至少为4个的多边形，所述微孔在所述表层上均匀分布，所述表层的微孔从上到下贯通整个所述表层，所述多边形微孔的内边缘的每一个边的边缘均为不规则曲线。

2.如权利要求1所述的一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，其特征在于：所述多边形中任意一个顶点到任一条边的距离范围为50-150微米。

3.如权利要求1所述的一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，其特征在于：所述微孔不锈钢基体采用3D打印的工艺制备。

4.如权利要求3所述的一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，其特征在于：所述微孔不锈钢的基体底层3D打印所用的不锈钢粉末粒度为40-100微米，所述微孔不锈钢的基体表层3D打印所用的不锈钢粉末包括粗粒度粉末和细粒度粉末两种，所述粗粒度粉末的粒度为40-100微米，所述细粒度粉末的粒度为10-20微米。

5.如权利要求4所述的一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，其特征在于：所述微孔不锈钢的基体表层3D打印所用的不锈钢粉末中，按质量百分比计，所述粗粒度粉末和所述细粒度粉末的比例为10:1-20:1。

6.如权利要求1所述的一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，其特征在于： 所述微孔不锈钢基体的所述表层先经过喷砂工艺处理，然后再经过抛光工艺处理，最后经过表面超声冲击加工处理。

7.如权利要求1所述的一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体，其特征在于： 所述微孔不锈钢基体的所述表层经过抛光工艺处理后的表面无所述微孔区域的粗糙度Ra数值不超过50 纳米。

8.一种制备上述权利要求1-7任意一项所述的物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体的工艺，主要包括以下步骤：

（1）采用选区激光熔化工艺进行金属3D打印工艺，包括所述微孔不锈钢基体的所述底层和所述表层的制备，首先采用粒度为40-100微米的不锈钢粉末进行所述底层的3D打印，3D打印过程中激光光斑的直径大小100微米，激光功率大小150 W；然后，按质量百分比计，采用比例为10:1-20:1的所述粗粒度粉末和所述细粒度粉末的不锈钢混合粉末，进行所述表层的3D打印，3D打印过程中激光光斑的直径大小50微米，激光功率大小100 W；

（2）表面喷砂处理，采用喷砂机对上一步获得的3D打印不锈钢基体的表层进行喷砂处理，喷砂工艺包括，金刚砂粒度大小为200-230目，喷枪枪口与所述3D打印不锈钢基体表层被处理位置的距离为50-150 毫米，喷枪枪口与所述3D打印不锈钢基体表层的倾角为30°-60°；

（3）表面抛光处理，采用水砂纸对上一步经过喷砂处理的不锈钢基体表层进行带水湿磨抛光处理，使所述表层的表面无所述微孔区域的粗糙度Ra数值不超过50 纳米；

（4）表面超声冲击加工处理，采用超声频率为20-30 kHz的超声处理装置对上一步经过表面抛光处理的不锈钢基体表层进行超声冲击加工，具体处理工艺包括，冲击硬质合金球直径为10-20 毫米，冲击静载荷 100-200 N，冲击处理的密度10000-20000次/平方毫米，采用间歇式处理，超声冲击每达到5000次/平方毫米，暂停超声冲击，将不锈钢基体表层倒置后进行反复晃动和震荡；

（5）获得本发明的一种物理气相沉积涂层的微孔不锈钢基体。