CN110438421B - 一种铝合金材料及铝合金固溶处理+pvd涂层同步强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金材料及铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法，所述铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法包括如下步骤：S1.将轧制态或挤压态的铝合金放入PVD炉内，进行固溶处理，然后进行辉光清洗；S2.辉光清洗后，沉积PVD涂层，然后随炉冷却；步骤S1.中所述固溶处理的温度和辉光清洗的温度均与步骤S2.中所述沉积PVD涂层的温度相同。本发明无需进行T6处理，而是固溶处理与沉积PVD涂层在PVD炉内同步完成。本发明处理得到的铝合金中PVD涂层与铝合金基体结合强度高，具有高的表面硬度、优异的耐腐蚀和耐磨损性能。另外，还能够避免铝合金基体力学性能退化，获得较高的强度。本发明还提供通过该铝合金表面强化方法制得的铝合金材料。

Description

一种铝合金材料及铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法

技术领域

本发明涉及金属材料处理技术领域，更具体地，涉及一种铝合金材料及铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法。

背景技术

7000系铝合金具有优异的力学性能，尤其是高的比强度和刚度，是重要轻质结构材料，被广泛用于航空航天、高速列车、汽车、船舶和建筑等行业。经过合理成分设计、铸造、加工成型和热处理可以获得良好的力学性能。其常规热处理工艺为T6热处理，即：固溶处理+人工时效处理。固溶处理温度通常为470℃左右，固溶1～3h，然后进行人工时效处理，时效温度介于120℃～180℃之间。T6处理的7000系铝合金表面硬度高达180HV，具有较高的硬度。尽管如此，在腐蚀、磨损条件下，T6处理的7000系铝合金耐腐蚀、耐磨损性能还有待改善。需要对T6处理的7000系铝合金进行表面层处理。

目前，7000系铝合金的表面层处理常用技术：阳极氧化和微弧氧化。阳极氧化和微弧氧化处理的7000系铝合金表面硬度较大，但表面存在高密度空隙，在实际使用过程中常需要进行封孔处理，工艺复杂且效果欠佳。此外，阳极氧化和微弧氧化，存在明显的环境污染，不符合国家绿色环保发展理念。

物理气相沉积(PVD)硬质涂层具有高的表面硬度、稳定的化学惰性、良好的热稳定性和耐腐蚀性，提高了模具的使用寿命、降低生产成本和保证加工产品的质量，被广泛地应用于电子、汽车、电机、家电和通信等行业。此外，PVD技术也是一种无污染、绿色环保性表面处理技术。但是，T6处理的7000系铝合金进行PVD涂层表面处理时，由于PVD涂层温度远高于基体时效温度，微观组织发生显著变化，例如：再结晶、析出相溶解等，造成界面应力集中，PVD涂层与基体结合强度低，甚至涂层直接剥离。

因此，需要开发出PVD涂层与铝合金基体结合强度高的铝合金表面强化方法。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的PVD涂层与铝合金基体结合强度低的缺陷，提供一种铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法，提供的铝合金表面强化方法在PVD炉内实现铝合金固溶处理与PVD涂层同步强化，PVD涂层与铝合金基体结合强度高，耐腐蚀和耐磨损性能好，而且，能够避免铝合金基体力学性能退化的问题。

本发明还保护上述铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法制得的铝合金材料。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法，包括如下步骤：

S1.将轧制态或挤压态的铝合金放入PVD炉内，进行固溶处理，然后进行辉光清洗；

S2.辉光清洗后，沉积PVD涂层，然后随炉冷却；

步骤S1.中所述固溶处理的温度和辉光清洗的温度均与步骤S2.中所述沉积PVD涂层的温度相同。

本领域中，为了使铝合金获得良好的力学性能，本领域技术人员一般会先采用T6热处理工艺处理铝合金。

发明人通过大量研究发现，T6处理的7000系铝合金时人工时效温度一般远低于沉积PVD涂层时的温度，T6处理的7000系铝合金在沉积PVD涂层过程中，微观组织发生显著变化，7000系铝合金会发生回复与再结晶，且析出相显著粗化，在7000系铝合金与PVD涂层界面形成高的界面热应力，导致PVD涂层与铝合金结合强度低，甚至PVD涂层直接剥离。另外，T6处理的7000系铝合金经PVD涂层表面处理后，铝合金基体力学性能显著退化，强度达不到设计要求。

与现有处理方法显著不同的是，本发明采用轧制态或挤压态的铝合金直接进行加热、辉光清洗、沉积PVD涂层，不进行T6处理。在进行加热时，铝合金发生固溶处理，即发生回复与再结晶，析出相溶解，获得稳定态过饱和固溶体组织。沉积PVD涂层后，随炉冷却，改善PVD涂层与铝合金基体界面的结合行为，得到强化后的铝合金。

7000系铝合金耐磨及耐腐蚀有限，而PVD涂层硬度高、耐磨性能优异及化学惰性高、耐腐蚀性优异，本发明处理得到的铝合金中PVD涂层与铝合金基体结合强度高，具有高的表面硬度、优异的耐腐蚀和耐磨损性能。另外，还能够避免铝合金基体力学性能退化，获得较高的强度。

本发明提供的铝合金表面强化方法不仅限于7000系铝合金，能够适用于各种铝合金。

优选地，所述铝合金为7000系铝合金、6000系铝合金、5000系铝合金、4000系铝合金、3000系铝合金或2000系铝合金。本发明以7000系铝合金为例，进行介绍。

优选地，所述预处理包括抛光、清洗和干燥。具体地，所述预处理为，将轧制态或挤压态的铝合金进行机械抛光至粗糙度≤0.2μm，然后进行超声清洗，冷风吹干。

优选地，所述固溶处理的条件为，PVD炉的真空室的本底真空度小于1×10^-2Pa。优选地，所述固溶处理的温度为420～480℃，时间为2h。

优选地，辉光清洗的条件为，PVD炉的真空室的本底真空度小于1×10^-2Pa时，通入氩气并控制流量为50～200sccm，气压小于0.2Pa，负偏压800V。

优选地，所述辉光清洗的温度为420～480℃。更优选地，所述辉光清洗的温度为480℃。

优选地，所述辉光清洗的时间为10～40min。更优选地，所述辉光清洗的时间为12min。

优选地，所述PVD涂层为金属陶瓷涂层。

优选地，所述金属陶瓷涂层为氮化物涂层、碳化物涂层或氧化物涂层。

优选地，所述金属陶瓷涂层为CrN涂层、TiN涂层、AlCrN涂层、AlTiN涂层、TiC涂层、TiCN涂层或Al₂O₃涂层。

优选地，所述PVD涂层的厚度为0.5～20μm。

优选地，沉积PVD涂层的条件为，辉光清洗后，真空调节为0.1～5Pa，打开转架、靶材，保持样品偏压-50～-200V，通入氮气，控制气压在0～5Pa，靶材电流50～200A，沉积1～10h，制得PVD硬质膜层。

沉积PVD涂层的温度与辉光清洗的温度相同。具体地，沉积PVD涂层的温度为420～480℃。更优选地，沉积PVD涂层的温度为450℃。

优选地，所述靶材为Cr靶、Ti靶或AlCr靶。

本发明还保护上述铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法制得的铝合金材料。所述铝合金材料包括铝合金基体和沉积在所述铝合金基体表面的PVD涂层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用轧制态或挤压态的铝合金放入PVD炉内进行固溶处理，然后进行辉光清洗和沉积PVD涂层，实现铝合金固溶处理与PVD涂层同步强化。本发明处理得到的铝合金中PVD涂层与铝合金基体结合强度高，具有高的表面硬度、优异的耐腐蚀和耐磨损性能。另外，还能够避免铝合金基体力学性能退化，获得较高的强度。

附图说明

图1为实施例1和对比例1的PVD-CrN涂层的膜-基结合力测试结果图。

图2为实施例1和对比例1的铝合金沉积PVD-CrN涂层后在3.5wt.％氯化钠溶液中的电化学曲线图。图2中，CrN表示实施例1的铝合金沉积PVD-CrN涂层，T6-CrN表示对比例1的铝合金沉积PVD-CrN涂层。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例中的原料均可通过市售得到；实施例中，市场购买的7075铝合金为轧制态铝合金。

除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

一种铝合金表面强化方法，步骤如下：

S1.将市场购买的7075铝合金进行机械抛光至表面粗糙度≤0.2μm，然后在无水乙醇中超声清洗30分钟，再用气枪将清洗后的样品吹干后置于炉腔体内的基片架上，随炉加热至480℃，保温2h，然后进行辉光清洗：打开机械泵和分子泵将真空室的本底真空抽到小于5.0×10^-3Pa，通入Ar气并控制流量在100sccm，气压为小于0.2Pa，样品温度480℃，负偏压800V，轰击时间10min；

S2.沉积PVD涂层：打开转架和Cr靶，保持样品偏压-80V，通入N₂，控制气压在3.0Pa，保持样品温度480℃，靶材电流160A，沉积4h，在铝合金表面制得厚度为3μm的PVD-CrN硬质膜层。

实施例2

本实施例为本发明铝合金表面强化方法的第二实施例，与实施例1不同的是，靶材为钛靶，PVD涂层为PVD-TiN硬质膜层，PVD-TiN硬质膜层的厚度为5μm；

其他步骤和条件与实施例1相同。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中，靶材为Al₇₀Cr₃₀靶，PVD涂层为PVD-AlCrN硬质膜层，PVD-AlCrN硬质膜层的厚度为5μm；

其他步骤和条件与实施例1相同。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于，将市场购买的7075铝合金先进行T6热处理；

其他步骤和条件与实施例1相同。

对比例2

本对比例与实施例2的区别在于，将市场购买的7075铝合金先进行T6热处理；

其他步骤和条件与实施例2相同。

对比例3

本对比例与实施例3的区别在于，将市场购买的7075铝合金先进行T6热处理；

其他步骤和条件与实施例3相同。

实验方法

结合力测试采用国家标准ISO 20502:2005，《Fine ceramics--Determination ofadhesion of ceramic coatings by scratch testing》，测试仪器为进口安东帕划痕仪，金刚石针直径为0.2mm，施加载荷为0-100N，载荷速度50N/min，测试时间为2分钟。然后利用FEI Nano 430场发射扫描电子显微镜，对划痕进行观察，将涂层开始剥落时的载荷定义为膜-基结合力。

此外，电化学曲线测试采用上海华晨电化学工作站，腐蚀液为3.5wt.％NaCl溶液。

测试结果

实施例1和对比例1的PVD-CrN涂层的膜-基结合力测试结果如图1所示，图1(a)为对比例1的PVD-CrN涂层的膜-基结合力测试结果，图1(b)为实施例1的PVD-CrN涂层的膜-基结合力测试结果，从图中可以看出，T6处理后再进行沉积PVD-CrN涂层的膜-基结合力低，约为17N，而经过本发明专利处理工艺，铝合金表面PVD-CrN涂层膜-基结合力为30N。

另外，实施例2的PVD-TiN涂层膜-基结合力为35N，对比例2采用T6处理后再进行沉积PVD-TiN涂层的膜-基结合力低，约为20N。实施例3的PVD-AlCrN涂层膜-基结合力为35N，对比例3采用T6处理后再进行沉积PVD-AlCrN涂层的膜-基结合力低，约为20N。

实施例1和对比例1的铝合金沉积PVD-CrN涂层后在3.5wt.％氯化钠溶液中的电化学曲线如图2所示，从图中可以看出，铝合金经T6处理后再进行沉积PVD-CrN涂层后腐蚀电位约为-0.40V，而经过本发明专利处理工艺，铝合金表面沉积PVD-CrN涂层后腐蚀电位约为-0.37V。

另外，实施例2的铝合金表面沉积PVD-TiN涂层后腐蚀电位约为-0.41V，对比例2的铝合金采用T6处理后再进行沉积PVD-TiN涂层后腐蚀电位约为-0.58V。实施例3的铝合金表面沉积PVD-AlCrN涂层后腐蚀电位约为-0.36V，对比例3的铝合金采用T6处理后再进行沉积PVD-AlCrN涂层后腐蚀电位约为-0.44V。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将轧制态或挤压态的铝合金放入PVD炉内，进行固溶处理，然后进行辉光清洗；

S2.辉光清洗后，沉积PVD涂层，然后随炉冷却；

步骤S1.中所述固溶处理的温度和辉光清洗的温度均与步骤S2.中所述沉积PVD涂层的温度相同；

沉积PVD涂层的条件为，辉光清洗后，真空调节为0.1～5Pa，打开转架、靶材，保持样品偏压-50～-200V，通入氮气，控制气压在0～5Pa，靶材电流50～200A，沉积1～10h，制得PVD硬质膜层。

2.根据权利要求1所述的铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法，其特征在于，所述辉光清洗的温度为420～480℃。

3.根据权利要求2所述的铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法，其特征在于，所述辉光清洗的时间为10～40min。

4.根据权利要求1所述的铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法，其特征在于，所述PVD涂层为金属陶瓷涂层。

5.根据权利要求4所述的铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法，其特征在于，所述金属陶瓷涂层为氮化物涂层、碳化物涂层或氧化物涂层。

6.根据权利要求4所述的铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法，其特征在于，所述金属陶瓷涂层为CrN涂层、TiN涂层、AlCrN涂层、AlTiN涂层、TiC涂层、TiCN涂层或Al₂O₃涂层。

7.根据权利要求1所述的铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法，其特征在于，所述PVD涂层的厚度为0.5～20μm。

8.权利要求1～7任一项所述铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法制得的铝合金材料。

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