CN111593298A - 一种表面改性的钛合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种表面改性的钛合金材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111593298A
CN111593298A CN202010562980.XA CN202010562980A CN111593298A CN 111593298 A CN111593298 A CN 111593298A CN 202010562980 A CN202010562980 A CN 202010562980A CN 111593298 A CN111593298 A CN 111593298A
Authority
CN
China
Prior art keywords
titanium alloy
micro
nano structure
diamond film
alloy material
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.)
Pending
Application number
CN202010562980.XA
Other languages
English (en)
Inventor
彭国令
黄翀
刘立斌
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.)
Central South University
Changsha New Material Industry Research Institute Co Ltd
Original Assignee
Central South University
Changsha New Material Industry Research Institute Co Ltd
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 Central South University, Changsha New Material Industry Research Institute Co Ltd filed Critical Central South University
Priority to CN202010562980.XA priority Critical patent/CN111593298A/zh
Publication of CN111593298A publication Critical patent/CN111593298A/zh
Pending legal-status Critical Current

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
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • 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
    • C23C14/0635—Carbides
    • 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
    • C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
    • 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
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • 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
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0227—Pretreatment of the material to be coated by cleaning or etching
    • C23C16/0245—Pretreatment of the material to be coated by cleaning or etching by etching with a plasma
    • 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
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C23C16/274—Diamond only using microwave discharges
    • 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
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/511—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using microwave discharges
    • 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
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/52—Controlling or regulating the coating process

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开一种表面改性的钛合金材料及其制备方法，该钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜，钛合金的表面具有周期性的微纳结构，金刚石薄膜包覆在微纳结构的表面；该制备方法包括S1利用激光切割方式或者微纳加工方式在钛合金的表面制备周期性的微纳结构；S2利用金刚石研磨膏对所述微纳结构的表面进行研磨或者将经过步骤S1的钛合金放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声；S3在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜，获得表面改性的钛合金材料。本发明提供的制备方法制备得到的钛合金材料其表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜，且制备效率显著提高。

Description

一种表面改性的钛合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金技术领域，尤其是一种表面改性的钛合金材料及其制备方法。
背景技术
众所周知，钛合金因其高耐腐蚀性、高力学强度、低密度以及良好的生物相容性等优点，是作为生物医学常用材料。然而，钛合金摩擦性能较差，磨损的碎片进入生物体内，可能引起毒性反应，同时在微生物腐蚀和电化学腐蚀的作用下，极大的影响使用寿命。因此，改善钛合金的表面性能具有重要的医学价值。高质量金刚石薄膜具有高硬度、优异耐磨性能、低摩擦因数、强化学惰性、良好生物相容性、高热传导率等优异的理化性能，是应用于钛合金表面改性的理想材料，从而提高钛合金材料的耐磨性、抗腐蚀性，降低其表面摩擦系数，改善其生物相容性。
金刚石还具有高禁带宽度、宽光谱透过率等优点，可以应用于精密机械加工、生物医学、热沉、MEMS、芯片、光学窗口、宝石等领域，目前在多种金刚石薄膜的合成方法中，微波等离子体化学气相沉积法(Microwave plasma chemical vapor deposition，MPCVD)由于没有杂质的引入，被认为是合成高质量、大面积的金刚石薄膜的最优方法。
现有技术中，部分的相关研究显示，在钛合金表面高效制备高质量的金刚石层具有比较大的困难，罗建军在钛工业进展期刊发文《在钛表面上微波等离子辅助化学气相沉积金刚石涂层》，发现在金刚石晶体形核期间，碳源浓度必须保持在高比例以期获得最大的形核密度此后碳源浓度比例必须降低至一个低值以期获得晶型完整的高质量的金刚石涂层，但是生长速率极慢，且生长质量无法控制。Lambda Technologies在Ti以及Ti-6Al-4V表面，采用MPCVD方法沉积金刚石薄膜，但是SEM表征形貌较差，Raman表征显示，SP2杂质较多，且生长速率在nm级别。Shane A.Catledge and Yogesh K.Vohra使用MPCVD方法，在Ti-6Al-4V生长多晶金刚石膜，Raman表征SP2杂质相较多，1332cm-1特征峰几乎无法显示，且生长速率在nm级别。如何在钛合金表面高效率的制备高质量的金刚石膜，是目前困扰行业的难题。
发明内容
本发明提供一种表面改性的钛合金材料及其制备方法，用于克服现有技术中制备效率低、产品质量不高等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种表面改性的钛合金材料，所述钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜；
所述钛合金的表面具有周期性的微纳结构，所述金刚石薄膜包覆在所述微纳结构的表面。
为实现上述目的，本发明还提出一种表面改性的钛合金材料的制备方法，所述制备方法包括：
S1：利用激光切割方式或者微纳加工方式在钛合金的表面制备周期性的微纳结构；
S2：利用金刚石研磨膏对所述微纳结构的表面进行研磨或者将经过步骤S1的钛合金放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声；
S3：在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜，获得表面改性的钛合金材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、本发明提供的表面改性的钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜，钛合金的表面具有周期性的微纳结构，金刚石薄膜包覆在微纳结构的表面。与现有的钛合金材料相比，本发明提供的钛合金材料通过钛合金表面的微纳结构可增加在其表面形成籽晶的致密度、有效提高钛合金与金刚石薄膜的结合力，通过划痕测试法表征获得本发明提供的钛合金材料中金刚石薄膜附着强度≥40N，同时微纳结构可增加钛合金和金刚石薄膜的接触面积从而有效提高钛合金的散热性能；此外，通过Raman(拉曼)光谱仪表征获得本发明发提供的钛合金材料的表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜。
2、本发明提供的表面改性的钛合金材料的制备方法，首先利用激光切割方式或者微纳加工方式在钛合金的表面制备周期性的微纳结构，该微纳结构可增加在其表面形成籽晶的致密度、有效提高钛合金与金刚石薄膜的结合力，同时可增加钛合金和金刚石薄膜的接触面积从而有效提高钛合金的散热性能；然后利用金刚石研磨膏对微纳结构的表面进行研磨或者将经过步骤S1的钛合金放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声，以增加微纳结构表面的形核密度；最后在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜，可快速获得表面改性的钛合金材料。通过划痕测试法表征获得本发明提供的钛合金材料中金刚石薄膜附着强度≥40N；通过Raman光谱仪表征获得本发明发提供的钛合金材料表明SP2杂质很少，且生长速率在微米级别，表明本发明制备方法制备获得的钛合金材料其表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜，且制备效率显著提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的钛合金材料的结构图；
图2为本发明实施例1对制备获得的钛合金材料进行Raman光谱仪表征的结果图。
附图标号说明：1：金刚石薄膜；2：钛合金。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动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。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
本发明提出一种表面改性的钛合金材料，该钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜；
钛合金的表面具有周期性的微纳结构，金刚石薄膜包覆在所述微纳结构的表面。
本发明提供的表面改性的钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜，钛合金的表面具有周期性的微纳结构，金刚石薄膜包覆在微纳结构的表面。与现有的钛合金材料相比，本发明提供的钛合金材料通过钛合金表面的微纳结构可增加在其表面形成籽晶的致密度、有效提高钛合金与金刚石薄膜的结合力，通过划痕测试法表征获得本发明提供的钛合金材料中金刚石薄膜附着强度≥40N，同时微纳结构可增加钛合金和金刚石薄膜的接触面积从而有效提高钛合金的散热性能；此外，通过Raman光谱仪表征获得本发明发提供的钛合金材料的表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜。
优选地，所述金刚石薄膜的厚度为5～10μm。过厚容易开裂，过薄会导致无法完全覆盖钛合金表面。
优选地，所述微纳结构的周期为凹槽；所述凹槽的槽深为100～800nm，槽宽为50～500nm。合适的槽深和槽宽对提高钛合金与金刚石薄膜的结合力效果更显著。
凹槽可以为规则的形状，也可以为不规则形状(如具有锥度的凹槽)，但优选规则的形状，以便于整体微纳结构的控制。整体微纳结构可以为圆环形或者规则的直线。
此外，微纳结构也可以为其他的设计，能够起到增加在其表面形成籽晶的致密度、有效提高钛合金与金刚石薄膜的结合力等作用即可。
优选地，所述钛合金材料还包括过渡层；所述过渡层位于所述微纳结构的表面与所述金刚石薄膜之间；所述过渡层为Ti层或者TiC层，所述Ti层或者TiC层的厚度为102nm～1μm。
过渡层的设计目的在于：(1)完全包覆钛合金，防止钛合金内部杂质原子在高温下渗透至表面而抑制表面多晶金刚石的稳定生长；(2)增加钛合金与金刚石薄膜的结合力，因为钛(Ti)和碳(C)在高于800℃时会形成化学键，进而显著提升结合力。
过渡层尽量选择对于人体无害的材料，如Ti或者TiC等。
过渡层的厚度太厚反而会导致钛合金与金刚石薄膜的结合力减弱，而太薄则对于防止钛合金内部杂质原子在高温下渗透至表面而抑制表面多晶金刚石的稳定生长效果不明显。
本发明还提出一种表面改性的钛合金材料的制备方法，所述制备方法包括：
S1：利用激光切割方式或者微纳加工方式在钛合金的表面制备周期性的微纳结构；
S2：利用金刚石研磨膏对所述微纳结构的表面进行研磨或者将经过步骤S1的钛合金放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声；
S3：在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜，获得表面改性的钛合金材料。
本发明提供的表面改性的钛合金材料的制备方法，首先利用激光切割方式或者微纳加工方式在钛合金的表面制备周期性的微纳结构，该微纳结构可增加在其表面形成籽晶的致密度、有效提高钛合金与金刚石薄膜的结合力，同时可增加钛合金和金刚石薄膜的接触面积从而有效提高钛合金的散热性能；然后利用金刚石研磨膏对微纳结构的表面进行研磨或者将经过步骤S1的钛合金放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声，以增加微纳结构表面的形核密度；最后在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜，可快速获得表面改性的钛合金材料。通过划痕测试法表征获得本发明提供的钛合金材料中金刚石薄膜附着强度≥40N；通过Raman光谱仪表征获得本发明发提供的钛合金材料表明SP2杂质很少，且生长速率在微米级别，表明本发明制备方法制备获得的钛合金材料其表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜，且制备效率显著提高。
优选地，为确保钛合金表面的清洁，在所述步骤S1之前，还包括对所述钛合金进行前处理的步骤，以去除钛合金表现的氧化物、杂质等；
所述前处理包括去氧化层、酸洗、碱洗、水洗和抛光中的至少一种。
优选地，所述微纳加工方式包括涂胶、曝光、显影、刻蚀和剥离五个步骤。通过所述五个步骤可精确地制备得到所需的具有周期性的微纳结构。
优选地，在所述步骤S1中，所述微纳结构的周期为凹槽；所述凹槽的槽深为100～800nm，槽宽为50～500nm。合适的槽深和槽宽对提高钛合金与金刚石薄膜的结合力效果更显著。
凹槽可以为规则的形状，也可以为不规则形状。但优选规则的形状，以便于整体微纳结构的控制。
此外，微纳结构也可以为其他的设计，能够起到增加在其表面形成籽晶的致密度、有效提高钛合金与金刚石薄膜的结合力等作用即可。
优选地，在所述步骤S1之后，还包括在所述微纳结构的表面制备过渡层的步骤，以使得钛合金与金刚石的应力匹配性增强，从而增加结合力。
优选地，在所述微纳结构的表面制备过渡层的步骤具体为：
利用磁控溅射在所述微纳结构的表面沉积一层Ti层或者TiC层，所述Ti层或者TiC层的厚度为102nm～1μm。
过渡层尽量选择对于人体无害的材料，如Ti或者TiC等。
过渡层的厚度太厚反而会导致钛合金与金刚石薄膜的结合力减弱，而太薄则对于防止钛合金内部杂质原子在高温下渗透至表面而抑制表面多晶金刚石的稳定生长效果不明显。
优选地，在所述步骤S2之后、步骤S3之前，还包括对经过步骤S2的钛合金进行清洗以及烘干，以便下一步骤的进行。
优选地，在所述步骤S3中，在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜的步骤为：
利用化学气相沉积在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜。
化学气相沉积中优选微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)，因为MPCVD工艺过程中可以有效控制杂质含量，更适合用于生物医用领域。
优选地，在所述步骤S3中，利用MPCVD在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜的步骤，包括：
S31：将经过步骤S2的钛合金至于MPCVD设备腔体内部并抽真空，通入H2，启辉，生成等离子体；
S32：在温度为800～950℃、气体压力为15～300mbar以及刻蚀功率为2500～6000W的条件下，进行10～30min的等离子体预刻蚀，以完全去除钛合金表面的异物；
S33：通入碳源气体，进行低温形核；
所述低温形核的具体过程为：
控制MPCVD设备腔体内的碳源浓度在2～10％之间(碳源浓度是指碳源气体在所有气体中的体积占比，比如CH4-H2体系，CH4气体的体积比为2～10％)、温度在750～850℃之间；
在所述条件下进行5～15min的低温形核，同时控制MPCVD设备功率与MPCVD设备内部气体压力匹配，使得等离子体火球完全覆盖住钛合金表面，且温度均匀性良好(钛合金表面的温度差控制在30℃以内，最好在15℃以内，以保证金刚石薄膜的质量)
S34：继续增加压力、功率以及温度，在850～1000℃条件下进行30～180min的高温生长，获得表面改性的钛合金材料。
通过MPCVD在钛合金表面沉积高质量的金刚石薄膜，以提高钛合金材料的耐磨性、抗腐蚀性，降低其表面摩擦系数，改善其生物相容性。
优选地，在所述步骤S3中，还包括对钛合金材料进行退火处理。
退火处理主要是采用原位刻蚀的方式，关闭碳源，向MPCVD设备内通入O2，保持等离子体火球完全覆盖住钛合金表面，维持10～30min。
退火处理主要有以下作用：降低金刚石与钛合金膨胀系数差异引起的内应力；使得金刚石与钛合金表面形成TiC，增加结合力，提高附着性能；等离子体刻蚀去除钛合金表面的非金刚石相。
实施例1
本实施例提供一种表面改性的钛合金材料，如图1所示，所述钛合金材料包括钛合金2和金刚石薄膜1；
所述钛合金的表面具有周期性的微纳结构，所述金刚石薄膜包覆在所述微纳结构的表面。
本实施例还提供一种表面改性的钛合金材料的制备方法，包括：
S1：采用微纳加工方式制备具有周期性的微纳结构；
将钛合金表面涂光刻胶，然后采用曝光机进行特定图案的曝光，使得光刻胶形成周期性的微纳结构，并在光刻胶显影的部分裸露出钛合金的表面，裸露的宽度为124μm，其余部分仍被光刻胶进行保护。然后采用离子刻蚀或者酸洗步骤，将裸露出的钛合金的表面进行刻蚀或腐蚀，刻蚀或腐蚀的深度为312μm。在钛合金表面加工出周期性的微纳结构后，采用离子刻蚀的方式剥离掉钛合金表面的光刻胶。最终得到具有周期性结构的钛合金样品。
S2：采用去离子水对钛合金样品进行超声清洗，去除微纳加工后在钛合金样品表面行成的颗粒物杂质，然后将钛合金样品放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声处理，增加钛合金样品表面的形核密度。
S3：将表面具有有序规则结构的钛合金样品放入MPCVD设备腔体内部，抽真空，采用的生长工艺如下：首先通入H2，启辉，生成等离子体。然后逐渐增加功率和气压，在一定的气体压力、功率、温度范围内进行等离子体预刻蚀，以完全去除表面异物，预刻蚀的温度为800～950℃，气体压力一般为15～300mbar，刻蚀功率为2500～6000W，刻蚀时间为10～30min。刻蚀完成后，逐渐通入碳源气体，首先是低温形核，低温形核过程中，精确控制碳源浓度、温度、功率，碳源浓度在2～10％之间某一固定值，温度在750～850℃之间某一固定值，形核时间为5～15min，控制功率与气体压力匹配，使得等离子体火球完全覆盖住钛合金表面，且温度均匀性良好(钛合金表面温度差控制在30℃以内，最优的在15℃以内)。形核完成后，逐渐增加生长压力与功率，增加生长温度，使温度控制在850～1000℃内某一固定值，进行高速生长，生长时间控制在30～180min。生长完成后，关闭碳源，通入氧气刻蚀多晶金刚石薄膜10～30min，然后逐渐降低功率、气压，降低的过程中始终使得火球完全覆盖住钛合金样品。当气体压力降低至15～20mbar时，关闭微波源，关机完成，取出样品，获得金刚石薄膜生长厚度为10μm内的钛合金材料。
本实施例中，沉积的金刚石薄膜采用Raman光谱仪表征沉积的金刚石质量，结果如图2所示，表明本实施例制备的钛合金材料表面SP2杂质少，且生长速率在微米级别，表明本实施例制备方法制备获得的钛合金材料其表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜，且制备效率显著提高。
超声清洗后，采用划痕测试法表征金刚石薄膜的附着性能，划痕仪所用压头为标准洛氏硬度C型压头，圆锥形压头顶角为120°，锥头半径0.2mm，测试最大载荷100N，压头及基台步进速率为4mm/min(两台电机带动压头和基台轨道同时步进)。金刚石薄膜的结合强度通过发射特征声波进行频繁检测所得到的金刚石薄膜开始从基体剥落时的临界载荷来确定。检测结果显示，本实施例制备的钛合金材料的金刚石薄膜附着强度为42N，表明通过将多晶金刚石颗粒镶嵌在周期性的微纳结构内部，显著提高了金刚石薄膜与钛合金的附着性能。
实施例2
本实施例提供一种表面改性的钛合金材料的制备方法，与实施例1相比，本实施例在步骤S1之后、步骤S2之前，还包括：
通过磁控溅射在步骤S1获得的钛合金样品表面沉积一层金属Ti，金属Ti的厚度为200nm。
其他步骤同实施例1。
本实施例中，沉积的金刚石薄膜采用Raman光谱仪表征沉积的金刚石质量，结果表明本实施例制得的钛合金材料表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜。
超声清洗后，采用划痕测试法表征金刚石薄膜的附着性能，检测结果显示，本实施例制备的钛合金材料的金刚石薄膜附着强度为45N，表明通过将多晶金刚石颗粒镶嵌在周期性的微纳结构内部，显著提高了金刚石薄膜与钛合金的附着性能。
实施例3
本实施例提供一种表面改性的钛合金材料的制备方法，包括：
S1：采用激光烧蚀方式制备具有周期性的微纳结构；
通过激光烧蚀在钛合金表面形成规则有序的凹槽结构，该凹槽结构的槽宽与槽深尺寸均为102nm，得到具有周期性结构的钛合金样品。
S2：采用去离子水对钛合金样品进行超声清洗，去除激光烧蚀后在钛合金样品表面行成的颗粒物杂质，然后将钛合金样品放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声处理，增加钛合金样品表面的形核密度。
S3：同实施例1中的步骤S3。
本实施例中，沉积的金刚石薄膜采用Raman光谱仪表征沉积的金刚石质量，结果表明本实施例制得的钛合金材料表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜。
超声清洗后，采用划痕测试法表征金刚石薄膜的附着性能，检测结果显示，本实施例制备的钛合金材料的金刚石薄膜附着强度为40N，表明通过将多晶金刚石颗粒镶嵌在周期性的微纳结构内部，显著提高了金刚石薄膜与钛合金的附着性能。
对比例1
本对比例提供一种表面改性的钛合金材料的制备方法，与实施例1相比，本对比例中没有进行步骤S1，而直接进行步骤S2和步骤S3。
在本对比例中，沉积的金刚石薄膜采用Raman光谱仪表征沉积的金刚石质量，结果表明本实施例制得的钛合金材料表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜。
超声清洗后，采用划痕测试法表征金刚石薄膜的附着性能，检测结果显示，本实施例制备的钛合金材料的金刚石薄膜附着强度为15N。采用本对比例的方案同样可以沉积致密的金刚石薄膜，但是由于金刚石薄膜直接贴附在钛合金表面，由于应力匹配性能差，采用超声波清洗仪进行超声震动，极容易从表面剥落。
对比例2
本对比例提供一种表面改性的钛合金材料的制备方法，包括：
S1：将钛合金表面进行机械磨抛，增加表面的粗糙度，达到增加形核密度的目的；然后依次放入去离子水、有机溶剂中超声处理，去除表面的杂质及有机物；取出烘干。
S2：同实施例1中的步骤S3。
在本对比例中，沉积的金刚石薄膜采用Raman光谱仪表征沉积的金刚石质量，结果表明本实施例制得的钛合金材料表面沉积出了高质量的多晶金刚石薄膜。
超声清洗后，采用划痕测试法表征金刚石薄膜的附着性能，检测结果显示，本实施例制备的钛合金材料的金刚石薄膜附着强度为17N。采用本对比例的方案同样可以沉积致密的金刚石薄膜，但是由于金刚石薄膜直接贴附在钛合金表面，由于应力匹配性能差，采用超声波清洗仪进行超声震动，极容易从表面剥落。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种表面改性的钛合金材料，其特征在于，所述钛合金材料包括钛合金和金刚石薄膜；
所述钛合金的表面具有周期性的微纳结构，所述金刚石薄膜包覆在所述微纳结构的表面。
2.如权利要求1所述的表面改性的钛合金材料，其特征在于，所述微纳结构的周期为凹槽；所述凹槽的槽深为100～800nm，槽宽为50～500nm。
3.如权利要求1所述的表面改性的钛合金材料，其特征在于，所述钛合金材料还包括过渡层；所述过渡层位于所述微纳结构的表面与所述金刚石薄膜之间；所述过渡层为Ti层或者TiC层，所述Ti层或者TiC层的厚度为102nm～1μm。
4.一种表面改性的钛合金材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
S1：利用激光切割方式或者微纳加工方式在钛合金的表面制备周期性的微纳结构；
S2：利用金刚石研磨膏对所述微纳结构的表面进行研磨或者将经过步骤S1的钛合金放入含有金刚石纳米粉的溶液中进行超声；
S3：在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜，获得表面改性的钛合金材料。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，还包括对所述钛合金进行前处理的步骤；
所述前处理包括去氧化层、酸洗、碱洗、水洗和抛光中的至少一种。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述微纳结构的周期为凹槽；所述凹槽的槽深为100～800nm，槽宽为50～500nm。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1之后，还包括在所述微纳结构的表面制备过渡层的步骤。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述微纳结构的表面制备过渡层的步骤具体为：
利用磁控溅射在所述微纳结构的表面沉积一层Ti层或者TiC层，所述Ti层或者TiC层的厚度为102nm～1μm。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜的步骤为：
利用化学气相沉积在经过步骤S2的微纳结构的表面生长金刚石薄膜。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，还包括对钛合金材料进行退火处理。
CN202010562980.XA 2020-06-19 2020-06-19 一种表面改性的钛合金材料及其制备方法 Pending CN111593298A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010562980.XA CN111593298A (zh) 2020-06-19 2020-06-19 一种表面改性的钛合金材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010562980.XA CN111593298A (zh) 2020-06-19 2020-06-19 一种表面改性的钛合金材料及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111593298A true CN111593298A (zh) 2020-08-28

Family

ID=72182723

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010562980.XA Pending CN111593298A (zh) 2020-06-19 2020-06-19 一种表面改性的钛合金材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111593298A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1227162A (zh) * 1998-12-04 1999-09-01 中国科学院上海冶金研究所 以金属钛为界面层的非晶金刚石薄膜多层材料、制备方法及其用途
CN1776027A (zh) * 2005-12-01 2006-05-24 苏州大学 类金刚石为涂层的生物材料及其制备方法
US20090208666A1 (en) * 2004-10-21 2009-08-20 Christopher John Howard Wort Diamond coated surfaces
CN107400873A (zh) * 2017-07-26 2017-11-28 森科五金(深圳)有限公司 一种类金刚石薄膜及其制备方法
CN110735107A (zh) * 2019-10-31 2020-01-31 南京理工大学 一种类金刚石涂层制备前的离子表面刻蚀方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1227162A (zh) * 1998-12-04 1999-09-01 中国科学院上海冶金研究所 以金属钛为界面层的非晶金刚石薄膜多层材料、制备方法及其用途
US20090208666A1 (en) * 2004-10-21 2009-08-20 Christopher John Howard Wort Diamond coated surfaces
CN1776027A (zh) * 2005-12-01 2006-05-24 苏州大学 类金刚石为涂层的生物材料及其制备方法
CN107400873A (zh) * 2017-07-26 2017-11-28 森科五金(深圳)有限公司 一种类金刚石薄膜及其制备方法
CN110735107A (zh) * 2019-10-31 2020-01-31 南京理工大学 一种类金刚石涂层制备前的离子表面刻蚀方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MIKHAIL T,ET AL: "《Enhancement in the growth of textured HFCVD diamond coatings on Ti-6Al-4V substrates by excimer laser processing》", 《MATERIALS RESEARCH SOCIETY SYMPOSIUM PROCEEDINGS》 *
于锦: "《电镀实际操作手册》", 31 October 2007 *
戴达煌: "《功能薄膜及其沉积制备技术》", 31 January 2013 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI360529B (en) Methods of finishing quartz glass surfaces and com
JP2648394B2 (ja) ダイアモンドの化学的気相成長のための結晶核生成の強化
CN102650053B (zh) 复杂形状cvd金刚石/类金刚石复合涂层刀具制备方法
JP5469676B2 (ja) ダイヤモンド複合材料を製造する方法
US5912053A (en) Method of making a composite body coated with CVD diamond film
CA2202026C (en) Method of making a diamond-coated composite body
JP5759534B2 (ja) 被覆黒鉛物品、ならびに反応性イオンエッチングによる黒鉛物品の製造および再生
KR100193546B1 (ko) 초경질막 피복부재 및 그 제조방법
CN105937021A (zh) 一种微型铣刀金刚石复合涂层的制备方法
JP4294140B2 (ja) ダイヤモンド薄膜の改質方法及びダイヤモンド薄膜の改質及び薄膜形成方法並びにダイヤモンド薄膜の加工方法
JP4173762B2 (ja) α型結晶構造主体のアルミナ皮膜の製造方法および積層皮膜被覆部材の製造方法
US5755879A (en) Methods for manufacturing substrates to form monocrystalline diamond films by chemical vapor deposition
Feng et al. Diamond nucleation on unscratched silicon substrates coated with various non-diamond carbon films by microwave plasma-enhanced chemical vapor deposition
CN111593298A (zh) 一种表面改性的钛合金材料及其制备方法
JP2840788B2 (ja) ダイヤモンド成分を含む表面保護膜
EP0194652A1 (en) Coated blade for microtome and method for the preparation thereof
JPS61291493A (ja) ダイヤモンド被覆硬質材料
JP7480699B2 (ja) 多結晶ダイヤモンド自立基板を用いた積層基板及びその製造方法
JPH02217398A (ja) ダイヤモンド類薄膜による被覆方法
JPH09295224A (ja) 超硬工具のダイヤモンド膜の被覆方法
BE1011010A5 (fr) Traitement du diamant.
JP2006138011A (ja) ダイヤモンド膜被覆部材およびその製造方法
JPH0912397A (ja) 超硬質膜被覆部材及びその製造方法
EP1415014B1 (fr) Procede de fabrication de materiaux composites diamantes
JPS62226889A (ja) 膜状ダイヤモンドの気相合成法

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