CN115198229A - 一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法 - Google Patents

一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115198229A
CN115198229A CN202210913989.XA CN202210913989A CN115198229A CN 115198229 A CN115198229 A CN 115198229A CN 202210913989 A CN202210913989 A CN 202210913989A CN 115198229 A CN115198229 A CN 115198229A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
hard film
columnar
film
protected
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
CN202210913989.XA
Other languages
English (en)
Inventor
王迪
张东灿
杨祯
郭晖
叶芳霞
赵楠
王毓
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.)
Xian University
Original Assignee
Xian University
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 Xian University filed Critical Xian University
Priority to CN202210913989.XA priority Critical patent/CN115198229A/zh
Publication of CN115198229A publication Critical patent/CN115198229A/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
    • C23C14/22—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
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or 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
    • C23C14/0635—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
    • C23C14/0641—Nitrides
    • 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
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process
    • 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
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5806—Thermal treatment

Landscapes

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

Abstract

本发明提供了一种层‑柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法，所述硬质膜包括n个周期涂层，其中，每个所述周期涂层自下而上依次层叠设置的有层状层和柱状层，其中，所述硬质膜中的Me金属可选自Ti、Cr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi、TiCrAlSi中的任意一种。所述方法包括：获得待防护合金基体；对待防护合金基体进行表面清洗；利用电弧离子镀技术，在基体上交替沉积形成层‑柱状微结构交替的多层结构硬质膜；再利用真空退火技术对层‑柱状微结构交替的多层结构硬质膜进行应力去除，得到层‑柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜层。实现了硬质薄膜超低内应力，提高膜基附着力和薄膜强韧性，具有良好耐磨耐蚀性能的技术效果。

Description

一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备 方法
技术领域
本发明涉及工程材料耐磨耐蚀防护制造技术领域，尤其涉及一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法。
背景技术
近年来，随着对材料表面力学、摩擦磨损、抗高温氧化以及抗腐蚀性能的新要求，硬质薄膜技术得到了飞速发展，并广泛应用在机械、电子、冶金、汽车、航空航天等不同领域。硬质薄膜是为了提高材料的耐磨、耐蚀和耐高温等性能而施加在材料表面的覆盖层，硬质薄膜作为提高工模具表面防护膜有着显著的耐磨性能优势，但也存在典型缺陷。
硬质薄膜可理解为能够“贡献表面硬度”，但也会禁锢基体“恶化整体韧性”，从而导致膜基整体硬度与韧性“此消彼长”的矛盾。
但本申请发明人在实现本申请实施例技术方案的过程中，发现上述现有技术至少存在如下技术问题：
现有技术在硬质薄膜的制备过程中，由于膜基界面两侧的热膨胀系数等物理性能存在差异，从而造成残余应力较高，加之硬质膜的脆性大，进而导致在外力作用下，膜基界面极易产生微裂纹、裂纹扩展直至膜层开裂失效的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法，用以解决现有技术在硬质薄膜的制备过程中，由于膜基界面两侧的热膨胀系数等物理性能存在差异，从而造成残余应力较高，加之硬质膜的脆性大，进而导致在外力作用下，膜基界面极易产生微裂纹、裂纹扩展直至膜层开裂失效的技术问题。通过先沉积层-柱状交替的多层结构膜，后进行真空退火去应力，达到了弱化膜基界面结构特征，提高膜基结合力，进而实现硬质薄膜超低内应力，提高膜基附着力和薄膜强韧性，具有良好耐磨耐蚀性能的技术效果。
鉴于上述问题，一方面本发明提供了一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜，所述硬质膜应用于一合金基体表面上，其特征在于，所述硬质膜包括n个周期涂层，其中，每个所述周期涂层自下而上依次层叠设置的有层状层和柱状层，其中，所述硬质膜中的Me金属可选自Ti、Cr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi、TiCrAlSi中的任意一种。
优选的，n的取值范围为2～50。
优选的，所述每个周期涂层的厚度为50～1000nm，其中，所述层状层与所述柱状层的厚度比优选范围为1:10～1:1。
另一方面，本发明还提供了一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜的制备方法，所述方法包括：获得待防护合金基体；对所述待防护合金基体进行表面清洗刻蚀；利用电弧离子镀技术，通过设置高弧流、高偏压、低气压参数获得高能沉积粒子，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成层状层硬质膜；利用电弧离子镀技术，通过设置低弧流、低偏压、高气压参数获得低能沉积粒子，在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜；所述层状层硬质膜与所述柱状层硬质膜交替进行沉积，形成层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜，其中，最外层为所述柱状层硬质膜；再利用真空退火技术对所述层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜进行应力去除，得到层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜层。
优选的，所述对所述待防护合金基体进行表面清洗刻蚀，包括：
对所述待防护合金基体进行预处理，将超声清洗后的所述待防护合金基体置于真空室内的工件架上，将真空室内气压抽至5×10-3Pa以下；
将氩气通入真空室内，保持气压在0.5Pa～1.0Pa，开启负偏压电源调节偏压为-600V～-1000V，对所述超声清洗后的待防护合金基体表面进行氩离子轰击清洗20～30min；
保持高偏压不变，打开金属靶电源并线性提高靶电流由50A～120A，利用金属离子对所述氩离子清洗后的待防护合金基体表面进行轰击清洗10～15min。
优选的，所述利用电弧离子镀技术，通过设置高弧流、高偏压、低气压参数获得高能沉积粒子，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成层状层硬质膜，包括：
以Ti、Cr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi、TiCrAlSi等中的任意一种为靶材；
以氮气或甲烷为反应气体；
于气压为0.5～1.5Pa、脉冲负偏压为600～1000V、靶电流为90～120A的条件下，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成所述层状层硬质膜。
优选的，所述利用电弧离子镀技术，通过设置低弧流、低偏压、高气压参数获得低能沉积粒子，在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜，包括：
以Ti、Cr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi、TiCrAlSi等中的任意一种为靶材；
以氮气或甲烷为反应气体；
于气压为2.0～4.0Pa、脉冲负偏压为60～150V、靶电流为50-90A的条件下在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜。
优选的，所述电弧离子镀处理的时间为60～600min。
优选的，所述真空退火工艺的退火温度控制在500～800℃，保温时间为60～240min，取出后在空气中冷却。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明实施例提供的一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法，所述方法包括：获得待防护合金基体；对所述待防护合金基体进行表面清洗刻蚀；利用电弧离子镀技术，通过设置高弧流、高偏压、低气压参数获得高能沉积粒子，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成层状层硬质膜；利用电弧离子镀技术，通过设置低弧流、低偏压、高气压参数获得低能沉积粒子，在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜；所述层状层硬质膜与所述柱状层硬质膜交替进行沉积，形成层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜，其中，最外层为所述柱状层硬质膜；再利用真空退火技术对所述层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜进行应力去除，得到层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜层。用以解决现有技术在硬质薄膜的制备过程中，由于膜基界面两侧的热膨胀系数等物理性能存在差异，从而造成残余应力较高，加之硬质膜的脆性大，进而导致在外力作用下，膜基界面极易产生微裂纹、裂纹扩展直至膜层开裂失效的技术问题。通过先沉积层-柱状交替的多层结构膜，后进行真空退火去应力，达到了弱化膜基界面结构特征，提高膜基结合力，进而实现硬质薄膜超低内应力，提高膜基附着力和薄膜强韧性，具有良好耐磨耐蚀性能的技术效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中硬质膜的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法，解决了现有技术在硬质薄膜的制备过程中，由于膜基界面两侧的热膨胀系数等物理性能存在差异，从而造成残余应力较高，加之硬质膜的脆性大，进而导致在外力作用下，膜基界面极易产生微裂纹、裂纹扩展直至膜层开裂失效的技术问题。
本发明提供的技术方案总体思路如下：获得待防护合金基体；对所述待防护合金基体进行表面清洗刻蚀；利用电弧离子镀技术，通过设置高弧流、高偏压、低气压参数获得高能沉积粒子，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成层状层硬质膜；利用电弧离子镀技术，通过设置低弧流、低偏压、高气压参数获得低能沉积粒子，在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜；所述层状层硬质膜与所述柱状层硬质膜交替进行沉积，形成层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜，其中，最外层为所述柱状层硬质膜；再利用真空退火技术对所述层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜进行应力去除，得到层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜层。通过先沉积层-柱状交替的多层结构膜，后进行真空退火去应力，达到了弱化膜基界面结构特征，提高膜基结合力，进而实现硬质薄膜超低内应力，提高膜基附着力和薄膜强韧性，具有良好耐磨耐蚀性能的技术效果。
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
实施例一
本发明实施例提供了一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜，所述硬质膜应用于一合金基体表面上，其特征在于，所述硬质膜包括n个周期涂层，其中，每个所述周期涂层自下而上依次层叠设置的有层状层和柱状层，其中，所述硬质膜中的Me金属可选自Ti、Cr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi、TiCrAlSi中的任意一种。
进一步的，n的取值范围为2～50。
进一步的，所述每个周期涂层的厚度为50～1000nm，其中，所述层状层与所述柱状层的厚度比优选范围为1:10～1:1。
具体而言，所述硬质膜应用于硬质合金、钛合金等合金基体表面上，用于对合金基体表面进行防护，以提高合金材料的耐磨耐蚀性能。如图2所示，所述硬质膜包括多个层叠设置的周期涂层，其中，每个所述周期涂层自下而上依次层叠设置的有层状层和柱状层，在本申请实施例中，每个周期涂层中均含有上述双层结构，各层之间的位置关系优选先沉积层状层，接着再沉积柱状层，具体的，在上述双层结构中，优选形成层状-柱状的顺序，从而形成应力消减作用，以利于提高膜基附着和薄膜强韧性。
在合金基体表面上沉积的所述硬质膜MeN或MeC中的Me可选金属材料为Ti、Cr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi、TiCrAlSi中的任意一种。其中，金属材料的选择对层-柱状结构无明显影响，可以通过层-柱状多层微结构的组合沉积，从而有利于提高所述硬质膜的细化晶粒、优化缺陷，进而提高硬质膜的整体性能。
为了进一步降低所述硬质薄膜的内应力，本发明实施例利用真空退火技术实现应力的进一步去除，从而形成超低应力的硬质膜层。具体地，在真空热处理过程中包括去应力退火和空气中冷却两个阶段。
具体地，所述硬质膜包含2～50个周期涂层，由于每个所述周期涂层中包含层状层和柱状层双层结构，即所述硬质膜包含4～100层，其中，在每一周期涂层中，所述层状层的厚度可优选为10～100nm，所述柱状层的厚度可优选为500～1000nm，在这里，层状层与柱状层厚度比可以为1:10～1:1，因而每个周期涂层的厚度可以为50～1000nm，所述硬质膜的总厚度可优选为1～10μm，以上均为优选范围，实际数值不仅仅局限于其优选范围。通过限定各层的厚度，使所述层状层与所述柱状层恰当配合，并对退火工艺进行限定，一方面使硬质膜保持良好的强韧性，同时还能消减电弧离子镀膜中的颗粒缺陷，提高膜层间的结合力并降低内应力。
由大量实验数据获知，所述硬质膜的残余压应力可降至128～546MPa，硬度可达2263～3758HV，膜基附着力可达60～95N，本发明实施例通过对所述硬质膜的制备工艺、方法、结构的控制，降低了薄膜内应力，又实现硬质膜表面质量提高，同时保证膜基附着力在60N以上，从而有利于提高基体的耐磨耐蚀防护性能，有效提高基体材料的工作效率和使用寿命。
实施例二
图1为本发明实施例中一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例提供了一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法，所述方法包括：
步骤S110：获得待防护合金基体；
步骤S120：对所述待防护合金基体进行表面清洗刻蚀；
进一步的，所述对所述待防护合金基体进行表面清洗刻蚀，包括：
对所述待防护合金基体进行预处理，将超声清洗后的所述待防护合金基体置于真空室内的工件架上，将真空室内气压抽至5×10-3Pa以下；
将氩气通入真空室内，保持气压在0.5Pa～1.0Pa，开启负偏压电源调节偏压为-600V～-1000V，对所述超声清洗后的待防护合金基体表面进行氩离子轰击清洗20～30min；
保持高偏压不变，打开金属靶电源并线性提高靶电流由50A～120A，利用金属离子对所述氩离子清洗后的待防护合金基体表面进行轰击清洗10～15min。
具体而言，在待防护的合金基体表面可能存在生锈、油污等污染物，所以需要对所述待防护合金基体表面进行清洗刻蚀，本发明实施例依次采用超声清洗、氩离子轰击清洗及金属离子清洗技术，首先对所述待防护合金基体进行预处理，将超声清洗后的合金基体置于真空室内的工件架上，将真空室内气压抽至5×10-3Pa以下；再将氩气通入真空室内，保持气压在0.5Pa～1.0Pa，开启负偏压电源调节偏压为-600V～-1000V，对基体表面进行氩离子轰击清洗20～30min；然后保持高偏压不变，打开金属靶电源并线性提高靶电流由50A～120A，利用金属离子对基体表面进行轰击清洗10～15min。从而达到清洗合金基体表面的目的。
步骤S130：利用电弧离子镀技术，通过设置高弧流、高偏压、低气压参数获得高能沉积粒子，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成层状层硬质膜；
步骤S140：利用电弧离子镀技术，通过设置低弧流、低偏压、高气压参数获得低能沉积粒子，在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜；
步骤S150：所述层状层硬质膜与所述柱状层硬质膜交替进行沉积，形成层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜，其中，最外层为所述柱状层硬质膜；
步骤S160：再利用真空退火技术对所述层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜进行应力去除，得到层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜层。
具体而言，根据硬质薄膜内应力随入射粒子能量变化规律可知，薄膜的内应力与成膜过程中沉积粒子能量有关，当入射粒子能量较低时，薄膜柱状结构粗大且呈压应力，随着粒子能量的提升，薄膜柱状结构向层状结构转变且压应力逐渐降低，另外高能粒子可对已生成的膜层产生轰击作用，一方面夯实膜层提高结合力，另一方面对表层产生反溅射清洗作用，压扁、击碎甚至去除表层大颗粒缺陷。
基于调控沉积粒子能量获得合理的薄膜内应力，本申请实施例采用电弧离子镀技术，通过获得高/低能量沉积粒子，依次在所述合金基体上交替沉积层状-柱状多层结构硬质膜，逐渐降低膜基内应力，后利用真空退火技术对所述层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜进一步去除应力，最终得到所述层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜层。进一步达到了弱化膜基界面结构特征，提高膜基结合力，实现薄膜超低内应力，膜基附着力好、韧性强，且具有良好耐磨耐蚀性能的技术效果。
具体地，首先利用电弧离子镀技术，通过设置高弧流、高偏压、低气压参数获得高能沉积粒子，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成层状层硬质膜，再利用低弧流、低偏压、高气压等参数获得低能沉积粒子，沉积成柱状结构膜，以层柱状交替进行沉积，形成层-柱状微结构交替的多层硬质膜。最后通过真空退火技术对硬质膜进行去应力退火，实现薄膜内应力的再次消除，形成超低应力硬质膜。
在步骤S130中，所述利用电弧离子镀技术，通过设置高弧流、高偏压、低气压参数获得高能沉积粒子，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成层状层硬质膜，包括：以Ti、Cr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi、TiCrAlSi等中的任意一种为靶材；以氮气或甲烷为反应气体；于气压为0.5～1.5Pa、脉冲负偏压为600～1000V、靶电流为90～120A的条件下，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成所述层状层硬质膜。
在步骤S140中，所述利用电弧离子镀技术，通过设置低弧流、低偏压、高气压参数获得低能沉积粒子，在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜，包括：以Ti、Cr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi、TiCrAlSi等中的任意一种为靶材；以氮气或甲烷为反应气体；于气压为2.0～4.0Pa、脉冲负偏压为60～150V、靶电流为50～90A的条件下在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜，其中，所述电弧离子镀处理的时间为60～600min。
在步骤S160中，在对所述硬质膜进行真空去应力退火过程中，需将退火温度控制在500～800℃，保温时间为60～240min，取出后在空气中缓慢冷却，最终得到层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜。
实施例三
本发明实施例还提供一种硬质合金基体的层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜制备方法：
采用硬质合金为基体，电弧离子镀膜制备时，本底真空度设置为5.0×10-3Pa；
在气压为0.5Pa、脉冲负偏压为800V的条件下，进行离子轰击清洗20min；然后再于靶电流为110A的条件下进行金属离子和高能电子共同清洗刻蚀15min；
以Ti靶为靶材，以氮气为反应气体进行电弧离子镀处理600min；
制备10个层-柱状周期硬质膜，其中每个周期厚度为1000nm，单个周期涂层内层状层厚度为200nm，柱状层厚度为800nm。最终得到厚度为10μm的膜层；其中，层状层具体参数为靶电流120A，偏压-600V，沉积气压1Pa，沉积15min；
将膜基整体部件放入真空加热炉，温度650℃保温180分钟，取出后空冷至常温。
由实验数据得知：该硬质膜的残余压应力为492MPa，硬度为2534HV，结合力84N。
实施例四
本发明实施例还提供一种钛合金基体的层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜制备方法：
采用钛合金为基体，电弧离子镀膜制备时，本底真空度设置为5.0×10-3Pa；
在气压为1Pa、脉冲负偏压为1000V的条件下，进行离子清洗20min；然后再于靶电流为70A的条件下进行金属离子和高能电子共同清洗10min；
以TiAl靶为靶材，以氮气为反应气体的条件下进行电弧离子镀处理120min；
制备20个层-柱状周期硬质膜，其中每个周期厚度为100nm，每个周期内层状层厚度为25nm，柱状层厚度为75nm。最终得到厚度为2μm的膜层；
将膜基整体部件放入真空加热炉，温度750℃保温120分钟，取出后空冷至常温。
由实验数据得知：该硬质膜的残余压应力为347MPa，硬度为3056HV，结合力63N。
实施例五
本发明实施例还提供一种镍合金基体的层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜制备方法：
采用镍基合金为基体，电弧离子镀膜制备时，本底真空度设置为5.0×10-3Pa。
在气压为1Pa、脉冲负偏压为600V的条件下，进行离子清洗30min；然后再于靶电流为90A的条件下进行金属离子和高能电子共同清洗15min；
以TiAlSi靶为靶材，以甲烷为反应气体的条件下进行电弧离子镀处理300min；
制备25个层-柱状周期硬质膜，其中每个周期厚度为200nm，每个周期内层状层厚度为100nm，柱状层厚度为100nm。最终得到厚度为5μm的膜层。
将膜基整体部件放入真空加热炉，温度550℃保温240分钟，取出后空冷至常温。
由实验数据得知：该硬质膜的残余压应力为183MPa硬度为3572HV，结合力91N。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明实施例提供的一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法，所述方法包括：获得待防护合金基体；对所述待防护合金基体进行表面清洗刻蚀；利用电弧离子镀技术，通过设置高弧流、高偏压、低气压参数获得高能沉积粒子，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成层状层硬质膜；利用电弧离子镀技术，通过设置低弧流、低偏压、高气压参数获得低能沉积粒子，在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜；所述层状层硬质膜与所述柱状层硬质膜交替进行沉积，形成层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜，其中，最外层为所述柱状层硬质膜；再利用真空退火技术对所述层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜进行应力去除，得到层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜层。解决了现有技术在硬质薄膜的制备过程中，由于膜基界面两侧的热膨胀系数等物理性能存在差异，从而造成残余应力较高，加之硬质膜的脆性大，进而导致在外力作用下，膜基界面极易产生微裂纹、裂纹扩展直至膜层开裂失效的技术问题。通过先沉积层-柱状交替的多层结构膜，后进行真空退火去应力，达到了弱化膜基界面结构特征，提高膜基结合力，进而实现硬质薄膜超低内应力，提高膜基附着力和薄膜强韧性，具有良好耐磨耐蚀性能的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜，所述硬质膜应用于一合金基体表面上，其特征在于，所述硬质膜包括n个周期涂层，其中，每个所述周期涂层自下而上依次层叠设置的有层状层和柱状层，其中，所述硬质膜中的Me金属可选自Ti、Cr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi、TiCrAlSi中的任意一种。
2.如权利要求1所述的硬质膜，其特征在于，n的取值范围为2～50。
3.如权利要求2所述的硬质膜，其特征在于，所述每个周期涂层的厚度为50～1000nm，其中，所述层状层与所述柱状层的厚度比优选范围为1:10～1:1。
4.一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜制备方法，其特征在于，所述方法包括：
获得待防护合金基体；
对所述待防护合金基体进行表面清洗刻蚀；
利用电弧离子镀技术，通过设置高弧流、高偏压、低气压参数获得高能沉积粒子，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成层状层硬质膜；
利用电弧离子镀技术，通过设置低弧流、低偏压、高气压参数获得低能沉积粒子，在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜；
所述层状层硬质膜与所述柱状层硬质膜交替进行沉积，形成层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜，其中，最外层为所述柱状层硬质膜；
再利用真空退火技术对所述层-柱状微结构交替的多层结构硬质膜进行应力去除，得到层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述待防护合金基体进行表面清洗刻蚀，包括：
对所述待防护合金基体进行预处理，将超声清洗后的所述待防护合金基体置于真空室内的工件架上，将真空室内气压抽至5×10-3Pa以下；
将氩气通入真空室内，保持气压在0.5Pa～1.0Pa，开启负偏压电源调节偏压为-600V～-1000V，对所述超声清洗后的待防护合金基体表面进行氩离子轰击清洗20～30min；
保持高偏压不变，打开金属靶电源并线性提高靶电流由50A～120A，利用金属离子对所述氩离子清洗后的待防护合金基体表面进行轰击清洗10～15min。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用电弧离子镀技术，通过设置高弧流、高偏压、低气压参数获得高能沉积粒子，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成层状层硬质膜，包括：
以Ti、Cr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi、TiCrAlSi等中的任意一种为靶材；
以氮气或甲烷为反应气体；
于气压为0.5～1.5Pa、脉冲负偏压为600～1000V、靶电流为90～120A的条件下，在所述清洗后的待防护合金基体上沉积形成所述层状层硬质膜。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用电弧离子镀技术，通过设置低弧流、低偏压、高气压参数获得低能沉积粒子，在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜，包括：
以Ti、Cr、TiAl、TiAlSi、CrAl、CrAlSi、TiCrAlSi等中的任意一种为靶材；
以氮气或甲烷为反应气体；
于气压为2.0～4.0Pa、脉冲负偏压为60～150V、靶电流为50～90A的条件下在所述层状层上继续沉积形成柱状层硬质膜。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电弧离子镀处理的时间为60～600min。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述真空退火工艺的退火温度控制在500～800℃，保温时间为60～240min，取出后在空气中冷却。
CN202210913989.XA 2022-08-01 2022-08-01 一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法 Pending CN115198229A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210913989.XA CN115198229A (zh) 2022-08-01 2022-08-01 一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210913989.XA CN115198229A (zh) 2022-08-01 2022-08-01 一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115198229A true CN115198229A (zh) 2022-10-18

Family

ID=83585143

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210913989.XA Pending CN115198229A (zh) 2022-08-01 2022-08-01 一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115198229A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107201499B (zh) 一种钛合金切削用成分梯度TiAlXN涂层刀具及其制备方法
JP6654797B2 (ja) 内燃エンジン用スチールピストン及びその製造方法
CN108728793B (zh) 一种强韧耐蚀CrAlN/Cr2AlC多层膜涂层及其制备方法
CN106893987B (zh) 一种物理气相沉积Ta-C涂层的制备方法及Ta-C涂层
CN112323013A (zh) 一种在钛合金表面制备高膜-基结合力复合涂层的方法
KR101527144B1 (ko) 마그네슘-알루미늄 코팅 강판 및 그 제조 방법
CN110777336A (zh) 一种基于能量调控原理制备超厚硬质薄膜的方法
CN111485209A (zh) 高熵合金/wc硬质层纳米多层薄膜、其制备方法及应用
CN114032502B (zh) 一种耐磨耐蚀复合层及其制备方法
CN107164731A (zh) 一种镁合金表面铝复合防护层的制备方法
CN101294284A (zh) 一种耐冲蚀抗疲劳等离子表面复合强化方法
JP6931008B2 (ja) ハフニウムを含まないニッケル系単結晶超合金部品を腐食及び酸化から保護する方法
CN114438446B (zh) 一种高熵合金/氮化物纳米复合薄膜、制备方法及应用
CN110158035B (zh) 耐高温海洋环境腐蚀的金属-金属氮化物多层涂层及制备
CN103243304A (zh) 一种提高金属工件表面力学性能的方法
CN113235051B (zh) 一种纳米双相高熵合金薄膜及其制备方法
CN102345089A (zh) 镀膜件及其制作方法
CN110106478B (zh) 一种抗冲蚀涂层及其制备方法与应用、工程材料
CN115198229A (zh) 一种层-柱状微结构交替的多层超低应力硬质膜及其制备方法
CN115961259B (zh) 一种强韧耐蚀max相多层复合涂层及其制备方法与应用
CN107881469B (zh) 类金刚石复合涂层及其制备方法与用途以及涂层工具
CN109252137B (zh) 锆合金表面涂层的制备方法
CN1103676A (zh) 镍钴铬铝硅铪钇/铝梯度涂层及双靶溅射工艺
CN116445854A (zh) 一种超晶格强韧高熵合金氮化物陶瓷涂层及制备方法
CN112708860B (zh) 复合涂层材料、其制备方法及应用

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