CN111074213B - 仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层、其制备方法及应用 - Google Patents

仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层、其制备方法及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111074213B
CN111074213B CN201811229957.8A CN201811229957A CN111074213B CN 111074213 B CN111074213 B CN 111074213B CN 201811229957 A CN201811229957 A CN 201811229957A CN 111074213 B CN111074213 B CN 111074213B
Authority
CN
China
Prior art keywords
composite coating
target
nano composite
soft metal
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811229957.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111074213A (zh
Inventor
李金龙
董敏鹏
王立平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Original Assignee
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS filed Critical Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority to CN201811229957.8A priority Critical patent/CN111074213B/zh
Publication of CN111074213A publication Critical patent/CN111074213A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111074213B publication Critical patent/CN111074213B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0664—Carbonitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明公开了一种仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层、其制备方法及应用。所述纳米复合涂层包括硬质纳米金属化合物相和软质金属相，所述软质金属相均匀分层且分布于硬质纳米金属化合物相中，所述硬质纳米金属化合物相包括TiSiCN、TiAlCN和AlSiCN等，所述软质金属相包括银和/或铜。所述制备方法包括：采用多弧离子镀技术，分别以多元金属靶和软金属靶为靶材，以保护性气体、氮气及烃类气体为工作气体，对基体施加负偏压，对多元金属靶和软金属靶施加靶电流，沉积形成所述纳米复合涂层。本发明的纳米复合涂层具有高硬度、低摩擦系数、海水中耐腐蚀磨损等优异性能，在海洋关键零部件和医疗器械表面防护领域具有潜在的应用前景。

Description

仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种耐磨防护涂层，特别涉及一种仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层及其制备方法与应用，属于基体表面防护技术领域。
背景技术
当前国家日益重视海洋经济的发展及其权益，要提高我国的海洋资源开发利用能力和综合制海能力，必须大力发展舰船装备和海洋工程装备。近年来，我国海洋建设发展迅猛，勘探开发海洋资源以及保护海岸带、研发具有自主知识产权的勘探开发技术是海洋科技的重中之重。在此背景下，各装备中对机械零部件所面临的工作环境越来越苛刻，因此对于零部件的高硬度、耐磨、耐腐蚀性的要求越来越高。磨损是机械零件失效的主要原因之一，有关损失比例数据显示为：45％为磨损、23％为腐蚀、14％为热损坏、18％为其他。因此，关于提高零部件的表面硬度及降低海水环境中的磨损问题亟待解决。此外，海洋装备的生物污损问题一直是制约海洋工业发展的重要因素。淤泥、海藻及一些海洋生物附着于船体，降低了船舶的抗摩擦性能，影响船舶航行速度，增加了船舶的燃料消耗。因此，在海洋装备上利用软金属的释放起到杀菌防污作用是很有必要的。由于软金属离子具有广谱抗菌性、耐热性好、分散性好及抗药性小等优异性能而应用于各种生物材料和医疗器械中，所以纳米复合涂层的耐磨和杀菌防护作用在医疗器械领域的应用也显得尤为重要。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层及其制备方法，从而克服了现有技术中的不足。
本发明的另一目的还在于提供所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明实施例提供了一种仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层，其具有堆垛型珍珠层组织结构，其物相结构包括硬质纳米金属化合物相和软质金属相，所述软质金属相均匀分层且分布于所述硬质纳米金属化合物相中，其中，所述硬质纳米金属化合物相的材质包括TiSiCN、TiAlCN和AlSiCN中的任意一种或两种以上的组合，所述软质金属相的材质包括银和/或铜。
在一些实施例中，所述软质金属相以纳米等级均匀分层分布于所述硬质纳米金属化合物相中。
本发明实施例还提供了一种仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的制备方法，其包括：
采用多弧离子镀技术，分别以多元金属靶和软金属靶为靶材，以保护性气体、氮气及烃类气体为工作气体，对基体施加负偏压，对多元金属靶和软金属靶施加靶电流，在基体表面沉积形成仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层。
在一些实施例中，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：反应腔体内真空度为3×10-5Pa～6×10-5Pa，施加于所述多元金属靶上的靶电流为40A～80A，施加于所述软金属靶上的靶电流为20A～40A，沉积偏压为-20V～-100V，反应腔体的温度为350℃～450℃，保护性气体流量为200sccm～400sccm，氮气流量为300sccm～800sccm，烃类气体流量为10sccm～100sccm，转盘转速为1rpm～5rpm，沉积时间为60min～150min。
在一些实施例中，所述多元金属靶的材质包括TiSi、TiAl或AlSi。
在一些实施例中，所述软金属靶的材质包括或铜。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层。
本发明实施例还提供了前述的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层于基体表面防护领域的用途
本发明实施例还提供了一种材料，包括基体，所述基体上还设置有前述的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层。
较之现有技术，本发明的有益效果在于：
1)本发明采用离子镀技术共沉积制备复合涂层，将软金属沉积在硬质纳米复合涂层中，通过对软金属微粒的阻隔，实现精确调控软金属颗粒的分布和微量可控释放。
2)本发明提供的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层具有高硬度、低摩擦系数、海水中耐腐蚀磨损等优异性能，且制备工艺简单可控，成本低，在海洋关键零部件摩擦磨损领域和医疗器械表面防护领域具有潜在的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的TiSiCN-Ag复合涂层的截面形貌图。
图2是本发明实施例1中制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的TiSiCN-Ag复合涂层的STEM图。
图3是本发明实施例2中制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的TiAlCN-Ag复合涂层的截面形貌图。
图4是本发明实施例2中制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的TiAlCN-Ag复合涂层的STEM图。
图5是本发明对照例1中制备的TiSiCN复合涂层的截面形貌图。
图6是本发明实施例1中制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的TiSiCN-Ag复合涂层的硬度测试结果示意图。
图7是本发明实施例1中制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的TiSiCN-Ag复合涂层的摩擦曲线图。
图8是本发明实施例1中制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的TiSiCN-Ag复合涂层在海水和空气中的摩擦系数和磨损率示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，概括的讲，本申请的技术方案主要是：根据贝壳的堆垛型文石珍珠层生物结构进行复合涂层的设计，综合生物体的结构特征、PVD涂层技术和软金属的减磨润滑作用，利用多弧离子镀技术仿制生物结构硬质纳米复合涂层来解决深海环境下零部件的摩擦磨损问题。
进一步地讲，本发明是采用离子镀技术共沉积制备复合涂层，将软金属沉积在硬质纳米复合涂层中，通过对软金属微粒的阻隔，实现精确调控软金属颗粒的分布和微量可控释放。
如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层，其具有堆垛型珍珠层组织结构，该组织结构与贝壳的堆垛型珍珠层极其相似，其物相结构包括硬质纳米金属化合物相和软质金属相，所述软质金属相均匀分层且分布于所述硬质纳米金属化合物相中，其中，所述硬质纳米金属化合物相的材质包括TiSiCN、TiAlCN和AlSiCN中的任意一种或两种以上的组合，所述软质金属相的材质包括银和/或铜。
在一些实施例中，所述软质金属相以纳米等级均匀分层分布于所述硬质纳米金属化合物相中，便于更好地控制金属离子的释放达到抗菌防污的效果。
进一步地，所述软质金属相的尺寸在纳米级。
在一些实施例中，所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的厚度为3～5μm。
在一些实施例中，所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层中软金属元素的掺杂含量为15～18at％。
在一些实施例中，所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的硬度在30GPa以上，海水中的磨损率为10-7mm3/Nm数量级。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系一种仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的制备方法，其包括：
采用多弧离子镀技术，分别以多元金属靶和软金属靶为靶材，以保护性气体、氮气及烃类气体为工作气体，对基体施加负偏压，对多元金属靶和软金属靶施加靶电流，在基体表面沉积形成仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层。
在一些实施方案中，所述制备方法包括：将基体如零部件置于真空镀膜设备腔体中，采用多弧离子镀技术在所述零部件上沉积仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层。
在一些实施例中，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：反应腔体内真空度为3×10-5Pa～6×10-5Pa，施加于所述多元金属靶上的靶电流为40A～80A，施加于所述软金属靶上的靶电流为20A～40A，沉积偏压为-20V～-100V，反应腔体的温度为350℃～450℃。
较为优选的，沉积形成所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的条件包括：保护性气体流量为200sccm～400sccm，氮气流量为300sccm～800sccm，烃类气体流量为10sccm～100sccm，转盘转速为1rpm～5rpm，沉积时间为60min～150min。
进一步地，所述保护性气体包括惰性气体，尤其优选为氩气，但不限于此。
在一些实施方案中，所述的制备方案包括：在沉积形成所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的过程中，至少通过控制保护性气体、氮气与烃类气体的流量、转盘转速及沉积时间，实现所述仿贝壳纳米复合涂层的堆垛型珍珠层生物结构。
在一些实施例中，所述多元金属靶的材质包括TiSi、TiAl或AlSi等，但不限于此。
在一些实施例中，所述软金属靶的材质包括银或铜等，但不限于此。
其中，在一些更为具体的实施案例之中，所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的制备步骤包括：
(1)对待镀的零部件表面进行预处理。
(2)将预处理后的零部件放入腔体，抽真空，真空度到(3～6)×10-5Pa，同时进行加热，加热温度为350～450℃，高纯Ar为工作气体。
(3)靶材溅射和零部件刻蚀。溅射清洗靶材5～10min，对零部件进行离子刻蚀15～25min。
(4)制备沉积纳米复合涂层。采用多元金属靶(纯度99.9at.％)，气体采用高纯氮气，通过调控软金属靶材电流控制软金属的掺入含量，通过调控转盘转速控制软金属的连续性。
进一步地，所述制备方法还包括：先对基体表面进行预处理，之后对多元金属靶和软金属靶进行溅射清洗，以及预处理后的基体进行离子刻蚀，再在所述基体表面沉积所述的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层。
在一些实施例中，步骤(1)所述的预处理指对零部件表面清理或喷砂处理。其中表面清理是用砂纸对零部件表面进行打磨处理，以去除表面的油污、杂质和锈蚀。最终保证表面粗糙度Ra为2.5μm～3.5μm。最后分别用丙酮和酒精等进行超声清洗2次以上，直到洗干净为止。
在一些实施例中，上述靶材清洗阶段需要使用挡板对反应腔体进行阻隔保护，清洗时间为2～5min。对零部件进行离子刻蚀时依次使用900V、1100V和1200V的偏压，每次刻蚀时间为5～10min。清洗零部件和靶材时选用氩气等惰性气体作为工作气体。
进一步地，沉积使用的软金属靶材，纯度为99.9at％，掺入的软金属原子分数为15～18at％。
进一步地，所述离子刻蚀采用的偏压为900V～1200V，刻蚀时间为15～25min。
在一些实施例中，所述的制备方法还可包括：在沉积形成所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层之后，将所述镀膜设备腔体温度降低至300℃以下，随后通入氩气冷却至100℃以下，之后取出沉积具有仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的关键零部件。
进一步地，本发明通过调整转盘的转速，仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的硬度能够达到30GPa以上。在海水环境中的磨损率在10-7mm3/Nm数量级。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系由前述方法制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层，该复合涂层在海洋关键零部件摩擦磨损领域和医疗器械表面防护领域具有潜在的应用前景。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系前述的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层于基体表面防护领域的用途。
进一步地，所述基体包括海洋关键零部件或医疗器械等，但不限于此。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系一种材料，包括基体，所述基体上还设置有前述的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层。
进一步地，所述基体包括海洋关键零部件或医疗器械等，但不限于此。
综上，藉由上述技术方案，本发明采用离子镀技术共沉积制备复合涂层，将软金属沉积在硬质纳米复合涂层中，通过对软金属微粒的阻隔，实现精确调控软金属颗粒的分布和微量可控释放；本发明提供的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层具有高硬度、低摩擦系数、海水中耐腐蚀磨损等优异性能，且制备工艺简单可控，成本低，在海洋关键零部件摩擦磨损领域和医疗器械表面防护领域具有潜在的应用前景。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，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。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件。
实施例1
本实施例中仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层制备方法，采用多弧离子镀技术，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到4×10-5mbar，同时进行加热，加热温度为450℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材5min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，子刻蚀采用的偏压为1200V。
(4)制备沉积仿贝壳纳米TiSiCN-Ag复合涂层。采用TiSi靶和Ag靶(纯度99.9at.％)，气体采用高纯氮气和乙炔，氩气流量为200sccm，氮气流量为300sccm，乙炔流量为10sccm。TiSi靶电流为60A，Ag靶电流为35A，沉积偏压为-20V，总沉积时间为60min，转盘转速为2rpm。其它条件不变。
图1是本实施例中制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的TiSiCN-Ag复合涂层的截面形貌图，图2是本实施例中制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的TiSiCN-Ag复合涂层的STEM图。所述TiSiCN-Ag复合涂层的硬度测试结果如图6所示，摩擦曲线如图7所示，在海水和空气中的摩擦系数和磨损率如图8所示。
实施例2
本实施例中仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层制备方法，采用多弧离子镀技术，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到4×10-5mbar，同时进行加热，加热温度为450℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材10min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，所述离子刻蚀采用的偏压为1000V。
(4)制备沉积仿贝壳纳米TiAlCN-Ag复合涂层。采用TiAl靶和Ag靶(纯度99.9at.％)，气体采用高纯氮气和乙炔，氩气流量为300sccm，氮气流量为600sccm，乙炔流量为50sccm。TiAl靶电流为60A，Ag靶电流为35A，沉积偏压为-50V，总沉积时间为60min，转盘转速为2rpm。其它条件不变。
图3是本实施例中制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的TiAlCN-Ag复合涂层的截面形貌图，图4是本实施例中制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的TiAlCN-Ag复合涂层的STEM图。
实施例3
本实施例中仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层制备方法，采用多弧离子镀技术，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到3×10-5mbar，同时进行加热，加热温度为350℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材5min，对钛合金试样进行离子刻蚀20min，所述离子刻蚀采用的偏压为950V。
(4)制备沉积仿贝壳纳米TiSiCN-Ag复合涂层。采用TiSi靶和Ag靶(纯度99.9at.％)，气体采用高纯氮气和乙炔，氩气流量为400sccm，氮气流量为800sccm，乙炔流量为100sccm。TiSi靶电流为40A，Ag靶电流为20A，沉积偏压为-60V，总沉积时间为120min，转盘转速为1rpm。其它条件不变。
实施例4
本实施例中仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层制备方法，采用多弧离子镀技术，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到5×10-5mbar，同时进行加热，加热温度为350℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材8min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，所述离子刻蚀采用的偏压为1000V。
(4)制备沉积仿贝壳纳米TiSiCN-Ag复合涂层。采用TiSi靶和Ag靶(纯度99.9at.％)，气体采用高纯氮气和乙炔，氩气流量为300sccm，氮气流量为700sccm，乙炔流量为80sccm。TiSi靶电流为80A，Ag靶电流为40A，沉积偏压为-80V，总沉积时间为150min，转盘转速为3rpm。其它条件不变。
实施例5
本实施例中仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层制备方法，采用多弧离子镀技术，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到6×10-5mbar，同时进行加热，加热温度为400℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材10min，对钛合金试样进行离子刻蚀25min，所述离子刻蚀采用的偏压为900V。
(4)制备沉积仿贝壳纳米TiAlCN-Ag复合涂层。采用TiAl靶和Ag靶(纯度99.9at.％)，气体采用高纯氮气和乙炔，氩气流量为350sccm，氮气流量为600sccm，乙炔流量为70sccm。TiAl靶电流为60A，Ag靶电流为30A，沉积偏压为-30V，总沉积时间为100min，转盘转速为5rpm。其它条件不变。
实施例6
本实施例中仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层制备方法，采用多弧离子镀技术，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到6×10-5mbar，同时进行加热，加热温度为450℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材10min，对钛合金试样进行离子刻蚀25min，所述离子刻蚀采用的偏压为900V。
(4)制备沉积仿贝壳纳米AlSiCN-Ag复合涂层。采用AlSi靶和Cu靶(纯度99.9at.％)，气体采用高纯氮气和乙炔，氩气流量为350sccm，氮气流量为600sccm，乙炔流量为70sccm。AlSi靶电流为60A，Cu靶电流为35A，沉积偏压为-30V，总沉积时间为100min，转盘转速为3rpm。其它条件不变。
对照例1
本对照例与实施例1的不同之处在于：缺少了Ag靶。本对照例制备的TiSiCN复合涂层的截面形貌图如图5所示。
通过对比图1与图5可知，在不具备仿贝壳结构的TiSiCN涂层的基础上掺入Ag原子，软金属Ag均匀分层分布于TiSiCN涂层内部，使其具有与贝壳的堆垛型珍珠层极其相似的组织结构。
综上所述，本发明采用离子镀技术共沉积制备复合涂层，将软金属沉积在硬质纳米复合涂层中，通过对软金属微粒的阻隔，实现精确调控软金属颗粒的分布和微量可控释放；本发明的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层具有高硬度、低摩擦系数、海水中耐腐蚀磨损等优异性能，且制备工艺简单可控，成本低，在海洋关键零部件摩擦磨损领域和医疗器械表面防护领域具有潜在的应用前景。
此外，本案发明人还参照实施例1-6的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样成功制得了具有高硬度、低摩擦系数、海水中耐腐蚀磨损等优异性能的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层。
需要说明的是，在本文中，在一般情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的步骤、过程、方法或者实验设备中还存在另外的相同要素。
应当理解，以上较佳实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式，但凡本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的制备方法，其特征在于包括：
采用多弧离子镀技术，分别以多元金属靶和软金属靶为靶材，以保护性气体、氮气及烃类气体为工作气体，对基体施加负偏压，对多元金属靶和软金属靶施加靶电流，在基体表面沉积形成仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层；
其中，所述多弧离子镀技术采用的工艺条件包括：反应腔体内真空度为3×10-5 Pa～6×10-5 Pa，施加于所述多元金属靶上的靶电流为40A~80A，施加于所述软金属靶上的靶电流为20A~40A，沉积偏压为-20V~-100V，反应腔体的温度为350℃~450℃，保护性气体流量为200sccm~400sccm，氮气流量为300sccm~800sccm，烃类气体流量为10sccm~100sccm，转盘转速为1rpm~5rpm，沉积时间为60min~150min；所述多元金属靶的材质选自TiSi、TiAl或AlSi，所述软金属靶的材质选自银或铜；
所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层具有堆垛型珍珠层组织结构，其物相结构包括硬质纳米金属化合物相和软质金属相，所述软质金属相均匀分层且分布于所述硬质纳米金属化合物相中，其中，所述硬质纳米金属化合物相的材质选自TiSiCN、TiAlCN或AlSiCN，所述软质金属相的材质选自银或铜；所述软质金属相以纳米等级均匀分层分布于所述硬质纳米金属化合物相中；所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的厚度为3~5 µm，所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层中软金属元素的掺杂含量为15~18 at%；所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的硬度在30 GPa以上，磨损率为10-7mm3/Nm数量级。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述保护性气体为惰性气体。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述保护性气体为氩气。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于还包括：先对基体表面进行预处理，之后对多元金属靶和软金属靶进行溅射清洗，以及预处理后的基体进行离子刻蚀，再在所述基体表面沉积所述的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述预处理包括表面清理处理和/或喷砂处理，所述表面清理处理包括以砂纸对所述基体表面进行打磨处理，使所述基体表面粗糙度为2.5μm～3.5μm，之后进行超声清洗。
6. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述溅射清洗包括采用挡板对所述反应腔体进行阻隔，所述溅射清洗的时间为5~10 min，所述溅射清洗的工作气体为惰性气体。
7. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述离子刻蚀采用的偏压为900V～1200V，刻蚀时间为15~25 min。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于还包括：在沉积形成所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层之后，将所述反应腔体内的温度降至300℃以下，随后冷却至100℃以下，之后取出沉积有所述仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层的基体。
9.由权利要求1-8中任一项所述方法制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层于基体表面防护领域的用途。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于：所述基体选自海洋关键零部件或医疗器械。
11.一种材料，包括基体，其特征在于：所述基体上还设置有由权利要求1-8中任一项所述方法制备的仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层。
12.根据权利要求11所述的材料，其特征在于：所述基体选自海洋关键零部件或医疗器械。
CN201811229957.8A 2018-10-22 2018-10-22 仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层、其制备方法及应用 Active CN111074213B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811229957.8A CN111074213B (zh) 2018-10-22 2018-10-22 仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层、其制备方法及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811229957.8A CN111074213B (zh) 2018-10-22 2018-10-22 仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层、其制备方法及应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111074213A CN111074213A (zh) 2020-04-28
CN111074213B true CN111074213B (zh) 2022-03-08

Family

ID=70309852

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811229957.8A Active CN111074213B (zh) 2018-10-22 2018-10-22 仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层、其制备方法及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111074213B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112899619A (zh) * 2021-01-19 2021-06-04 绍兴佳卓新材料科技有限公司 一种高硬耐磨蚀抗菌纳米复合涂层及其制备方法
CN113046703B (zh) * 2021-03-17 2022-12-23 昆明理工大学 一种高硬度纳米复合涂层及其制备方法与应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105774182A (zh) * 2016-03-24 2016-07-20 中国科学技术大学 一种仿贝壳珍珠层层状结构的复合材料及其制备方法、应用
CN107354436A (zh) * 2017-07-18 2017-11-17 西安热工研究院有限公司 一种滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜及其制备方法
CN108570641A (zh) * 2018-07-06 2018-09-25 深圳市联合蓝海科技开发有限公司 表面带有镀层的贵金属制品及其制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050034668A1 (en) * 2001-03-22 2005-02-17 Garvey James F. Multi-component substances and apparatus for preparation thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105774182A (zh) * 2016-03-24 2016-07-20 中国科学技术大学 一种仿贝壳珍珠层层状结构的复合材料及其制备方法、应用
CN107354436A (zh) * 2017-07-18 2017-11-17 西安热工研究院有限公司 一种滚刀刀圈的TiSi基多层硬质薄膜及其制备方法
CN108570641A (zh) * 2018-07-06 2018-09-25 深圳市联合蓝海科技开发有限公司 表面带有镀层的贵金属制品及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Influence of multi-interfacial structure on mechanical and tribological properties of TiSiN/Ag multilayer coatings;Chaoqun Dang et al;《JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE》;20161104;第52卷(第5期);第1-13页 *
钛表面多弧离子镀沉积TiSiCN涂层的结构及其磨蚀性能研究;王越;《中国优秀硕士学位论文全文库 工程科技I辑》;20180215(第2期);第8-12页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111074213A (zh) 2020-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cao et al. Microstructure, mechanical and tribological properties of multilayer Ti-DLC thick films on Al alloys by filtered cathodic vacuum arc technology
CN105755442B (zh) 一种高效磁过滤等离子体沉积制备dlc厚膜方法
Al-Asadi et al. A review of tribological properties and deposition methods for selected hard protective coatings
CN111286701B (zh) 一种宽温域耐磨润滑涂层及其制备方法与应用
Cai et al. Effects of multi-layer structure on microstructure, wear and erosion performance of the Cr/CrN films on Ti alloy substrate
CN111074224B (zh) 一种耐腐蚀高熵合金氮化物涂层、其制备方法及应用
CN111074213B (zh) 仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层、其制备方法及应用
CN104087898A (zh) 一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及制备方法
CN103774090B (zh) 一种含有氮化钒纳米插入层的高硬度TiSiN涂层及其制备方法
CN113046703B (zh) 一种高硬度纳米复合涂层及其制备方法与应用
Ding et al. Microstructure, mechanical, and wettability properties of Al-doped diamond-like films deposited using a hybrid deposition technique: Bias voltage effects
Chang et al. Effect of CrN addition on the mechanical and tribological performances of multilayered AlTiN/CrN/ZrN hard coatings
Tan et al. Effect of Ni content on CrNiN coatings prepared by RF magnetron sputtering
CN114574827B (zh) 一种含碳高熵合金薄膜及其制备方法与应用
CN113235051B (zh) 一种纳米双相高熵合金薄膜及其制备方法
CN114196914A (zh) 一种碳化物高熵陶瓷材料、碳化物陶瓷层及其制备方法和应用
Atta et al. Recent developments and applications of TiN-based films synthesized by magnetron sputtering
CN110484881B (zh) 一种致密二硼化钛涂层及其制备方法和应用
Li et al. Microstructure and tribological properties of multilayered ZrCrW (C) N coatings fabricated by cathodic vacuum-arc deposition
Zang et al. The mechanical properties and wear resistance of Hf-Ta-N coatings prepared by double glow plasma alloying technology
CN112481591B (zh) 自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层及其制法与应用
Mei et al. Microstructure and mechanical properties of nanomultilayered AlTiN/Cu coatings prepared by a hybrid system of AIP and PDCMS
Vinodbabu et al. A review on magnetron sputter coatings
CN112941463A (zh) 一种钛合金表面纳米多层氧氮化物耐蚀防护涂层及其制备方法和应用
Choi et al. Microstructure effect on the high-temperature oxidation resistance of Ti–Si–N coating layers

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant