CN113293355A - 一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法 - Google Patents

一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及合涂层材料的技术领域，具体涉及一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法，所述AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层采用梯度层结构，由内至外包括依次设置的结合层、过渡层、压电功能层和保护层，结合层为纯金属AlCr合金层，过渡层为AlCr/AlCrN纳米多层膜，压电功能层为AlCrN/AlScN纳米多层膜，保护层为AlCrON涂层。本发明的复合压电涂层具有抗腐蚀、高耐磨和高韧性的特点，可以保证压电涂层长期稳定的在智能螺栓表面工作，减少腐蚀等导致的失效可能性。采用的溅射技术为工业上的通用技术，工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的生产成本。

Description

一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层及 其制备方法
技术领域
本发明涉及合涂层材料的技术领域，具体涉及一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法。
背景技术
相较于通用螺栓，航空发动机所用的航空螺栓对预紧力的形成精度提出了更高的要求，所应用的环境也更为复杂。此外，目前国内针对航空螺栓的研究较少，这导致航空螺栓装配工艺的设计缺乏试验指导。在螺栓预紧力的确定方面，欧美国家做的较为成熟。波音公司制定了的螺栓连接分析指南，还制定了预紧力的设计准则、螺栓螺母的安装等。国外在螺栓预紧力的安装及设计方面制定了相应的标准。由于航空发动机中存在大量采用螺栓连接的装配结构，如发动机静子机匣、压气机转子、涡轮转子等。螺栓预紧力的大小及一致性会影响发动机结构系统性能稳健性。随着发动机转速与推重比逐代提升，使得螺栓连接结构对整机性能与稳定性的影响越来越大，所以对螺栓连接预紧力控制也需要更为精准和严格。
预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上大量的试验和使用经验证明较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然“物极必反”，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。螺栓连接是航空航天等产品中应用最为广泛的连接方式，其最根本的目的是在被连接件之间产生可靠的夹紧力，即螺栓的预紧力。预紧力在拧紧过程和产品使用过程中很难进行直接的监测与控制，目前主要通过扭矩法、转角法、超声导波法、机电阻抗法、超声波传感器法等测量方式来控制预紧力。
目前应用最广泛的控制螺栓预紧力方法为扭矩法，扭矩拧紧法的原理是扭矩大小和轴向预紧力之间存在一定关系。根据经验，在拧紧过程中，有50％的扭矩消耗在螺栓端面的摩擦上，有40％消耗在螺纹的摩擦上，仅有10％的扭矩用来产生预紧力。当通过拧紧力矩控制预紧力时，人们希望拧紧力与螺栓预紧力呈线性关系，这样通过控制拧紧力矩的大小就可以计算得到预紧力值。但在实际中，由于受摩擦因数和几何参数偏差的影响，在一定的拧紧力矩下，预紧力变化比较大，所以通过拧紧力矩来控制螺栓预紧力的精度不高，存在较大的误差，最大可达±40％。这也就导致螺栓预紧力的离散度过大，严重影响连接系统的安全性。
基于压电传感器的超声测预紧力法是目前最新发展的技术，逐步为欧美工业界的高端产品所采纳，主要应用于航空、航天等工业产品中。主要有贴片法和溅射镀膜方法。贴片法使用方便，但其精度差，容易剥落。溅射法其测量精度可以控制在5％以下，附着力好，耐腐蚀耐冲击，是目前最有前途的预紧力测量技术。但目前主要为低温使用的，高温的未见到任何报道。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层，提高了涂层的韧性，避免受到冲击时或者高低温膨胀时开裂，此外多层结构还可以提高涂层的硬度，可以提高压电复合涂层的耐磨性。
本发明的目的之二在于提供一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法，制备工艺简便，易于调节，工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的生产成本。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层，所述AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层采用梯度层结构，由内至外包括依次设置的结合层、过渡层、压电功能层和保护层，结合层为纯金属AlCr合金层，过渡层为AlCr/AlCrN纳米多层膜，压电功能层为AlCrN/AlScN纳米多层膜，保护层为AlCrON涂层。
优选地，该耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的总厚度为4.45-17.2微米。
优选地，所述结合层的厚度为50-200纳米。
优选地，所述过渡层的厚度为400-1500纳米，其中AlCr单层厚为10-30纳米，AlCrN单层厚度为10-40纳米，调制周期为20-70纳米。
优选地，所述压电功能层的厚度为3000-14000纳米，其中AlCrN单层厚为5-10纳米，AlScN单层厚度为5-20纳米，调制周期为5-30纳米。
优选地，所述保护层的厚度为1000-1500纳米，保护层的绝缘电阻大于200MΩ，表面粗糙度小于50纳米。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)在200-500℃、氩气和氢气环境中，对螺栓进行等离子刻蚀；
(2)刻蚀结束后，在0.5-2Pa，10-200V条件下沉积AlCr结合层；
(3)AlCr结合层沉积结束后，在1-4Pa，10-200V条件下沉积AlCr/AlCrN过渡层；
(4)AlCr/AlCrN过渡层沉积结束后，在0.4-5Pa，0-200V条件下沉积AlCrN/AlScN压电功能层；
(5)AlCrN/AlScN压电功能层沉积结束后，在0.5-3Pa，0-300V条件下沉积AlCrON保护层，得到耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层。
优选地，所述步骤(3)中，AlCr结合层沉积结束后，，间断通入氮气，当无氮气时，形成AlCr涂层，存在氮气时，形成AlCrN涂层，最终制备形成AlCr/AlCrNAlCr/AlCrN过渡层。
优选地，所述步骤(4)中，AlCr/AlCrN过渡层沉积结束后，同时开启AlCr靶和AlSc靶，螺栓不停旋转，当螺栓运动到AlCr靶前面时形成AlCrN涂层，运动到AlSc靶前面时形成AlScN涂层，最终制备形成AlCrN/AlScN压电功能层。
优选地，所述步骤(5)中，AlCrN/AlScN压电功能层沉积结束后，通入氧气和氮气以及开启AlCr靶，制备AlCrON保护层。
本发明主要是为了克服现有压电涂层材料耐温差，耐磨性能不足的缺点。对于大部分的压电涂层而言，当经历高温环境时，其晶粒会存在长大和表面氧的渗透导致的电阻率下降问题和内部的氧往外渗透导致的缺氧问题，经常导致涂层失去压电效应。而本发明中将采AlCrN和AlScN进行复合，利用纳米多层膜的晶粒细化效应，可以形成更致密的压电涂层，阻止氧向内和向外的渗透。大幅度提高了涂层的耐高温性能。此外，为了提高压电涂层和钢基体的结合力，本发明采用了离子刻蚀的方法去除表面的污染物，提高涂层的附着力。
在涂层的制备过程中，如果不采用离子刻蚀，涂层表面会存在一定的氧化物。如果采用辉光离子放电清洗，则无法去除氧化层，不能真正提高涂层的附着力。当采用离子刻蚀时，螺栓表面处于比较干净的状态，有利于提高涂层的附着力。刻蚀结束后，为了降低压电涂层和基体之间的成分差异，本发明中采用直流磁控溅射将AlCr合金涂层制备到螺栓的表面，主要是利用其硬度较低，起到应力缓冲的作用。在AlCr结合层制备结束后，开射频电源，间断的通入氮气，当无氮气时，形成AlCr涂层，存在氮气时，形成AlCrN涂层。最终形成AlCr/AlCrN纳米多层过渡涂层。构建纳米多层过渡涂层的目的主要是想利用AlCr金属和AlCrN氮化物形成金属陶瓷多层膜，使涂层具有较高的硬度和韧性，同时其应力较低，受到冲击载荷时不容易开裂。在过渡层的基础上，在氮气气氛中，同时开启AlCr靶和AlSc靶，螺栓工件不停旋转，当螺栓运动到AlCr靶前面时形成AlCrN，运动到AlSc靶前面时形成AlScN，通过调整螺栓的转速就可以控制AlCrN层和AlScN层的厚度。将两者进行复合主要是想充分发挥AlCrN涂层和基体良好的相容性和其高的附着强度。此外多层结构的采用也可以细化AlScN涂层的晶粒，可以使压电涂层更致密，抗腐蚀性能更好，使螺栓能工作在一定的腐蚀介质中。当AlCrN/AlScN纳米多层压电涂层制备结束后，为了提高其表面的稳定性和抗氧化能力，通入氧气和氮气以及开启AlCr靶，在表面制备AlCrON保护层。制备结束后得到耐温耐磨的AlCrN/AlScN涂层智能螺栓。
本发明的压电涂层材料采用复合材料的设计思路，将高硬度的AlCrN压电涂层材料和掺稀土的AlScN压电材料进行复合，主要是利用AlCrN材料和很多钢铁材料都具有良好的结合力和相容性的优点，降低涂层的内应力，避免螺栓在高温使用时由于膨胀系数的差别产生剥落导致失效。采用多层结构的目的主要是为了提高涂层的韧性，避免受到冲击时或者高低温膨胀时开裂。此外多层结构还可以提高涂层的硬度，可以提高压电复合涂层的耐磨性。AlCrN压电涂层材料的使用可以降低昂贵的AlScN压电材料的使用，降低压电传感器的成本。
本发明具有以下优点和有益效果：
第一，本发明首次将AlCrN压电涂层和AlScN压电涂层进行复合，构建纳米多层的压电复合涂层，使涂层具有比常规压电涂层更好的硬度、耐磨和韧性；二，本发明充分利用AlCrN涂层和钢铁基体材料的相容性、梯度结构和纳米多层结构，使涂层从金属到陶瓷形成良好的结构和成分渐变，大幅度降低涂层和基体应力，使涂层在钢上具有具有更好的适应性；第三，与常规柱状压电涂层材料相比，本发明采用的纳米多层结构技术很好的抑制了大柱状晶的生长，可以提高压电涂层的致密度和降低其晶粒直径，这不但提高了涂层的抗腐蚀性能，同时耐磨性更佳；第四，本发明将AlCrON涂层制备在压电复合涂层的表面，充分发挥AlCrON涂层优异的抗高温腐蚀氧化能力，给压电涂层提供了良好的保护；第五，本发明将直流溅射技术和大功率射频溅射技术应用于AlCrN/AlScN压电复合涂层的制备中，不但沉积速率快，同时其结晶和结合性能更好，将会大幅度提高压电涂层材料在各种不同材料上的适应性，扩展了其应用领域。
本发明所制备耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN复合压电涂层具有抗腐蚀、高耐磨和高韧性的特点，可以保证压电涂层长期稳定的在智能螺栓表面工作，减少腐蚀等导致的失效可能性。同时其采用的溅射技术为工业上的通用技术，工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的生产成本。
附图说明
图1为本发明中所采用的涂层装置示意图；
图2为本发明设计的涂层结构示意图。
图中：1、刻蚀Ti靶；2、加热器；3、AlCr靶；4、抽气口；5、AlSc靶；6、工件架；7、辅助阳极；8、挡板；11、基体；12AlCr结合层；13、AlCr/AlCrN；14、AlCrN/AlScN压电功能层；15、AlCrON保护层。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法，包括以下步骤：在200℃，氩气和氢气环境中，对螺栓进行等离子刻蚀；刻蚀结束后，在0.5Pa，10V沉积50纳米AlCr结合层；在1Pa，10V条件沉积400纳米AlCr/AlCrN过渡层，AlCr单层厚为10纳米，AlCrN单层厚度为10纳米，调制周期为20纳米；在0.4Pa，0V条件下沉积3000纳米的AlCrN/AlScN压电功能层，其中AlCrN单层厚为10纳米，AlScN单层厚度为20纳米，调制周期为30纳米；在0.5Pa，0V条件下沉积1000纳米的AlCrON保护层，其绝缘电阻大于800MΩ，表面粗糙度小于20纳米。涂层总厚度在控制在4.45微米，制备结束后自然冷却，得到AlCrN/AlScN纳米复合涂层耐高温智能螺栓。
实施例2
一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法：在500℃，氩气和氢气环境中，对螺栓进行等离子刻蚀；刻蚀结束后，在2Pa，200V沉积200纳米AlCr结合层；在4Pa，200V条件沉积1500纳米AlCr/AlCrN过渡层，AlCr单层厚为20纳米，AlCrN单层厚度为30纳米，调制周期为50纳米；在5Pa，200V条件下沉积14000纳米的AlCrN/AlScN压电功能层，其中AlCrN单层厚为20纳米，AlScN单层厚度为80纳米，调制周期为100纳米；在3Pa，300V条件下沉积1500纳米的AlCrON保护层，其绝缘电阻大于800MΩ，表面粗糙度小于20纳米。涂层总厚度在控制在17.2微米，制备结束后自然冷却，得到AlCrN/AlScN纳米复合涂层耐高温智能螺栓。
实施例3
一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法：在300℃，氩气和氢气环境中，对螺栓进行等离子刻蚀；刻蚀结束后，在1Pa，100V沉积100纳米AlCr结合层；在2Pa，100V条件沉积1000纳米AlCr/AlCrN过渡层，AlCr单层厚为20纳米，AlCrN单层厚度为20纳米，调制周期为40纳米；在3Pa，100V条件下沉积6000纳米的AlCrN/AlScN压电功能层，其中AlCrN单层厚为10纳米，AlScN单层厚度为20纳米，调制周期为30纳米；在1Pa，200V条件下沉积1000纳米的AlCrON保护层，其绝缘电阻大于800MΩ，表面粗糙度小于20纳米。涂层总厚度在控制在8.1微米，制备结束后自然冷却，得到AlCrN/AlScN纳米复合涂层耐高温螺栓。
实施例4
一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法：在400℃、氩气和氢气环境中，对基片进行等离子刻蚀；刻蚀结束后，在0.5Pa，200V沉积50纳米AlCr结合层；在4Pa，10V条件沉积400纳米AlCr/AlCrN过渡层，AlCr单层厚为10纳米，AlCrN单层厚度为30纳米，调制周期为30纳米；在2Pa，200V条件下沉积8000纳米的AlCrN/AlScN压电功能层，其中AlCrN单层厚为20纳米，AlScN单层厚度为60纳米，调制周期为80纳米；在2Pa，100V条件下沉积1200纳米的AlCrON保护层，其绝缘电阻大于800MΩ，表面粗糙度小于20纳米。涂层总厚度在控制在9.65微米，制备结束后自然冷却，得到AlCrN/AlScN纳米复合涂层耐高温螺栓。
实施例5
一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法：在250℃、氩气和氢气环境中，对基片进行等离子刻蚀；刻蚀结束后，在1Pa，150V沉积150纳米AlCr结合层；在3Pa，120V条件沉积1000纳米AlCr/AlCrN过渡层，AlCr单层厚为20纳米，AlCrN单层厚度为20纳米，调制周期为40纳米；在3Pa，110V条件下沉积10000纳米的AlCrN/AlScN压电功能层，其中AlCrN单层厚为20纳米，AlScN单层厚度为30纳米，调制周期为50纳米；在1Pa，150V条件下沉积1300纳米的AlCrON保护层，其绝缘电阻大于800MΩ，表面粗糙度小于20纳米。涂层总厚度在控制在4.45-12.45微米，制备结束后自然冷却，得到AlCrN/AlScN纳米复合涂层耐高温螺栓。
图1所示为本发明所用的装置，装置的真空室由炉壁围成，真空室尺寸为600x600x600mm。真空室设有抽气口4，抽真空机组通过抽气口4对真空室进行抽真空。真空室的四个角是加热器2，加热功率25千瓦，提高加热效率。3个靶分3列安装在炉壁上，分别安装一个刻蚀Ti靶1和发辅助阳极7，一个镀膜AlCr靶3和一个AlSc靶5，样品装在工件架6上。刻蚀靶前面安装有挡板8，主要是为了阻挡金属离子。本系统多靶的布局使真空室中等离子体密度大幅度增加，工件完全浸没在等离子体中。使涂层沉积速率、硬度、附着力得到较大的提高。由于对靶结构进行了优化，磁场分布更均匀，使磁控溅射靶面刻蚀均匀，提高了涂层的均匀性。
图2为本发明设计的涂层结构示意图，从图中可以看出，涂层结构上存在成分梯度和硬度梯度，降低了涂层的应力，增加了涂层的韧性，可沉积较厚的压电涂层。包括基体11，以及依次沉积于基体11表面的AlCr结合层12、AlCr/AlCrN过渡层13、AlCrN/AlScN压电功能层14和AlCrON保护层15。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层，其特征在于：所述AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层采用梯度层结构，由内至外包括依次设置的结合层、过渡层、压电功能层和保护层，结合层为纯金属AlCr合金层，过渡层为AlCr/AlCrN纳米多层膜，压电功能层为AlCrN/AlScN纳米多层膜，保护层为AlCrON涂层。
2.根据权利要求1所述的耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层，其特征在于：该耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的总厚度为4.45-17.2微米。
3.根据权利要求1所述的耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层，其特征在于：所述结合层的厚度为50-200纳米。
4.根据权利要求1所述的耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层，其特征在于：所述过渡层的厚度为400-1500纳米，其中AlCr单层厚为10-30纳米，AlCrN单层厚度为10-40纳米，调制周期为20-70纳米。
5.根据权利要求1所述的耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层，其特征在于：所述压电功能层的厚度为3000-14000纳米，其中AlCrN单层厚为5-10纳米，AlScN单层厚度为5-20纳米，调制周期为5-30纳米。
6.根据权利要求1所述的耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层，其特征在于：所述保护层的厚度为1000-1500纳米，保护层的绝缘电阻大于200MΩ，表面粗糙度小于50纳米。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在200-500℃、氩气和氢气环境中，对螺栓进行等离子刻蚀；
(2)刻蚀结束后，在0.5-2Pa，10-200V条件下沉积AlCr结合层；
(3)AlCr结合层沉积结束后，在1-4Pa，10-200V条件下沉积AlCr/AlCrN过渡层；
(4)AlCr/AlCrN过渡层沉积结束后，在0.4-5Pa，0-200V条件下沉积AlCrN/AlScN压电功能层；
(5)AlCrN/AlScN压电功能层沉积结束后，在0.5-3Pa，0-300V条件下沉积AlCrON保护层，得到耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层。
8.根据权利要求7所述的耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，AlCr结合层沉积结束后，，间断通入氮气，当无氮气时，形成AlCr涂层，存在氮气时，形成AlCrN涂层，最终制备形成AlCr/AlCrNAlCr/AlCrN过渡层。
9.根据权利要求7所述的耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，AlCr/AlCrN过渡层沉积结束后，同时开启AlCr靶和AlSc靶，螺栓不停旋转，当螺栓运动到AlCr靶前面时形成AlCrN涂层，运动到AlSc靶前面时形成AlScN涂层，最终制备形成AlCrN/AlScN压电功能层。
10.根据权利要求7所述的耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，AlCrN/AlScN压电功能层沉积结束后，通入氧气和氮气以及开启AlCr靶，制备AlCrON保护层。
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