CN117821901A - 一种应用于非晶合金的物理气相沉积工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，包括如下步骤，以锆基非晶合金为基底层，在基底层上物理气相沉积Hf靶材，在所述基底层上制得厚度为0.5~3μm的HfO2薄膜，得到第一中间产品；在所述第二中间产品上再次进行物理气相沉积，制得的沉积层厚度为6~8μm，得到第三中间产品；将所述第三中间产品在150~170℃的真空环境中热处理20~30分钟，随炉冷却，得到最终产品。本发明的目的是提供一种应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，旨在解决非晶合金制品外观效果单一的技术问题，同时还能进一步增强非晶合金产品的表面强度、耐磨性和耐腐蚀性。
Description
技术领域
本发明属于非晶合金表面处理技术领域，具体涉及一种应用于非晶合金的物理气相沉积工艺。
背景技术
物理气相沉积技术常用于在基材上镀覆高强附着力的镀层，从而获得高强度表面层、高耐磨表面层或者带有特殊颜色的表面层，进而增强基材的表面性能或者外观性能。
非晶合金材料是近年来新材料领域的研究热点，目前已在3C电子、体育用品、医疗器械等领域实现了大批量的量产。尽管非晶合金材料制成的产品具有高强度、高硬度、高耐蚀性等特点，但是正是由于具有上述优点，导致非晶产品难以像传统金属材料（不锈钢、铝合金等）进行表面处理，现有技术中常常使用的电镀、化学镀、阳极氧化等表面处理工艺均不能应用于非晶合金，造成非晶合金制品外观效果单一的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，旨在解决非晶合金制品外观效果单一的技术问题，同时还能进一步增强非晶合金产品的表面强度、耐磨性和耐腐蚀性。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，包括如下步骤，
以锆基非晶合金为基底层，在基底层上物理气相沉积Hf靶材，在所述基底层上制得厚度为0.5~3μm的HfO2薄膜，得到第一中间产品；
将所述第一中间产品在280~420℃的真空环境中热处理3~5分钟，急速冷却，得到第二中间产品；
在所述第二中间产品上再次进行物理气相沉积，沉积层的组成为NbaCrbAlcTid，a、b、c、d为原子百分比，其中a+b+c+d=100，20≤a≤30，20≤b≤30，20≤c≤30，20≤d≤30，制得的沉积层厚度为6~8μm，得到第三中间产品；
将所述第三中间产品在150~170℃的真空环境中热处理20~30分钟，随炉冷却，得到最终产品。
本发明采用两次镀膜的工艺，对锆基非晶合金进行表面处理，首先通过镀覆HfO2薄膜得到带有浅金色泽的第一中间产品，然后通过加热、极速降温使色彩固定。再次，通过沉积第二层的混合金属镀层，使非晶合金表面具有更亮丽的金属光泽，同时增强非晶合金表面强度、耐磨性和耐腐蚀性。
优选地，所述第一中间产品热处理后急速冷却的速率为35~40℃/秒。第一中间产品处理的温度不可高于420℃，否则锆基非晶合金材料会有晶化的风险，急速冷却也是为了防止非晶材料晶化，从而影响产品整体的力学性能。
优选地，所述物理气相沉积可选为真空蒸镀、电弧等离子体镀、溅射镀膜、离子镀膜中的任意一种，只要能满足需求即可。
优选地，所述锆基非晶合金基底层厚度为0.1~2mm，在处理之前，在100~120℃的烘箱内烘烤1~2小时，然后在真空度低于0.5Pa的条件下进行离子清洗2~5分钟。在进行物理气相沉积之前，基底材料必须表面干净无脏污，且须严格去除水分。本发明中提供的物理气相沉积工艺更适合用于薄壁非晶合金制件的表面处理，尤其适用于具有曲面的薄壁件，能获得带有颜色且具柔和光泽的非晶薄壁件。
优选地，利用磁控溅射法制备第一中间产品。制备第一中间产品的气相沉积工艺为：利用磁控溅射法，在磁控溅射仪内进行镀膜，其中溅射用电流为300~400mA，电压为600~800V，溅射时长为12~15分钟。
优选地，利用等离子体镀膜法制备第三中间产品。制备第三中间产品的气相沉积工艺条件为：通过电弧等离子体镀膜工艺，施加-60V~-380V的脉冲偏置电压至所述第二中间产品，控制占空比为12%~15%，脉冲偏置频率为12~14Hz。
优选地，为防止表面层与空气中的游离氧结合导致表面产生多余的氧化物，所述第一中间产品热处理过程中，真空环境的真空度为0.05Pa~0.5Pa。
优选地，所有沉积层与所述基底层的厚度之比为1：（20~200）。能够制备得到的沉积层厚度有限，原因在于，第一次沉积的氧化物层比第二次沉积的合金层疏松多孔，第二次沉积的合金层在结构上来讲，对第一次沉积的氧化物层进行了填充和固化。若第一次沉积层过厚，则会导致沉积层和基体的附着力整体下降，无法达到增强表面强度、耐磨性的目的，而若是第二次沉积层过厚，则会对所形成的表面形貌造成影响，使无法获得亮丽的外观。综上，两次沉积的沉积层的厚度需严格控制在允许的范围内，方能获得所需要的外观表面。
优选地，所述锆基非晶合金为以锆元素为主体元素的非晶态合金，合金内锆元素原子百分比≥55%。本发明中提供的工艺方法更适合用于以锆元素为绝对主体的锆基非晶表面，能够达到良好的技术效果。
优选地，还包括对最终产品进行清洗、烘干。
本发明提供了一种应用于非晶合金的两步式物理气相沉积工艺，旨在解决非晶合金制品外观效果单一的技术问题，应用在锆基非晶合金产品表面能够获得色彩明亮且同时具备柔和金属光泽的表面，进一步地，制备得到的沉积层还能进一步增强非晶合金产品的表面强度、耐磨性和耐腐蚀性，使非晶合金产品的应用进一步被拓宽。本发明中非晶合金物理气相沉积工艺制备得到的非晶合金产品适合用于既有外观要求，又有强度、耐磨性、耐蚀性要求的领域，如具有多种弧面的穿戴式设备领域，轻薄化设计的AR/VR/MR硬件领域。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和技术效果更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。结合本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要理解的是，本发明实施例中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本发明实施例相关组分的含量按比例放大或缩小均在本发明公开的范围之内。具体地，本发明实施例中所述的重量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
另外，除非上下文另外明确地使用，否则词的单数形式的表达应被理解为包含该词的复数形式。术语“包括”或“具有”旨在指定特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合的存在，但不用于排除存在或可能添加一个或多个其它特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合。
本发明实施例中提供了一种应用于非晶合金的物理气相沉积工艺。
实施例1
实施例1中所使用的基底材料为锆基非晶材料，其组成为Zr58Cu18Ni10Nb8Al6，元素符号后的数字为各元素的原子百分比。将上述组成的非晶原料称料后在真空熔炼炉（吸铸炉）内进行熔炼，反复熔炼三次使熔体均匀，然后吸铸入铜模内，制成长度为100mm、宽度为20mm、厚度为1mm的样条。
将制备得到的基底样条用无水酒精洗净表面残留脏污后，在100℃烘箱内烘烤2小时，然后在0.1Pa的真空度条件下离子清洗5分钟。
将上述清洗后的基底样条置于磁控溅射仪内，利用磁控溅射法沉积Hf靶材，溅射用电流为400mA，电压为800V，溅射时长为15分钟，在基底层上制得平均厚度为2.367μm的HfO2薄膜，得到第一中间产品。薄膜厚度利用激光测高仪进行测量，在制备得到的第一中间产品样条上均匀取5个测试点，然后取5个测试值的平均数。
将得到的第一中间产品在380℃的真空马弗炉中热处理3分钟，然后取出，10秒内急速空冷至室温以防止非晶形态发生变化，从而得到第二中间产品。第一中间产品热处理过程中，真空环境的真空度控制为0.05Pa~0.5Pa范围内为宜，真空度越低越能降低中间产品表面氧化变色的风险。第一中间产品处理的温度不可高于420℃，否则锆基非晶合金材料会有晶化的风险，急速冷却也是为了防止非晶材料晶化，从而影响产品整体的力学性能。
将第二中间产品表面清洗干净、干燥后再次进行物理气相沉积。通过电弧等离子体镀膜工艺，施加-300V的脉冲偏置电压至第二中间产品，控制占空比为13%，脉冲偏置频率为13Hz。其中沉积层的组成为Nb30Cr25Al25Ti20，制备得到的沉积层的厚度经测量为7.054μm，沉积层厚度测量方法与第一中间产品上薄膜厚度测试方法相同。该步骤后得到第三中间产品。
将上述第三中间产品在150℃、真空度为0.5Pa的环境中热处理20分钟，然后随炉冷却，冷却后对产品进行清洗、烘干，得到最终所需产品。
在另一组实施例中，所使用的基底材料锆基非晶材料的组成分别为Zr60Cu18Ni10Nb8Al4、Zr60Cu20Ni8Nb8Al4、Zr60Cu18Ni12Nb6Al4、Zr60Cu18Ni8Nb8Al6、Zr61Cu16Ni10Nb8Al5、Zr62Cu15Ni10Nb8Al5、Zr65Cu15Ni10Nb5Al5、Zr65Cu13Ni12Nb5Al5、Zr70Cu10Ni10Nb5Al5。在制备物理气相沉积层的过程中，可采用与实施例1相同的技术参数，也可在本发明设定的技术参数范围内进行适应性调整。
例如沉积层与所述基底层的厚度之比，控制在1：（20~200）范围内为宜。HfO2薄膜层偏厚，则适当也提升合金沉积层的厚度，或者在合金沉积层的处理工艺中加大偏置电压，提升脉冲偏置频率。相对的，HfO2薄膜层若较薄，则应适当降低合金沉积层的厚度，以免表面显色不够。
除了实施例中提到的物理气相沉积方法，只要能获得所需要厚度的镀覆面，在本发明的物理气相沉积工艺中，使用真空蒸镀、电弧等离子体镀、溅射镀膜、离子镀膜中任意一种均可。
由上述实施例可以看出，本发明提供了的应用于非晶合金的两步式物理气相沉积工艺，解决了非晶合金制品外观效果单一的技术问题，应用在锆基非晶合金产品表面能够获得色彩明亮且同时具备柔和金属光泽的表面，进一步地，制备得到的沉积层还能进一步增强非晶合金产品的表面强度、耐磨性和耐腐蚀性，使非晶合金产品的应用进一步被拓宽。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，其特征在于，包括如下步骤，
以锆基非晶合金为基底层，在基底层上物理气相沉积Hf靶材，在所述基底层上制得厚度为0.5~3μm的HfO2薄膜，得到第一中间产品；
将所述第一中间产品在280~420℃的真空环境中热处理3~5分钟，急速冷却，得到第二中间产品；
在所述第二中间产品上再次进行物理气相沉积，沉积层的组成为NbaCrbAlcTid，a、b、c、d为原子百分比，其中a+b+c+d=100，20≤a≤30，20≤b≤30，20≤c≤30，20≤d≤30，制得的沉积层厚度为6~8μm，得到第三中间产品；
将所述第三中间产品在150~170℃的真空环境中热处理20~30分钟，随炉冷却，得到最终产品。
2.根据权利要求1所述的应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，其特征在于，所述第一中间产品热处理后急速冷却的速率为35~40℃/秒。
3.根据权利要求1所述的应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，其特征在于，所述物理气相沉积为真空蒸镀、电弧等离子体镀、溅射镀膜、离子镀膜中的一种。
4.根据权利要求3所述的应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，其特征在于，所述锆基非晶合金基底层厚度为0.1~2mm，在处理之前，在100~120℃的烘箱内烘烤1~2小时，然后在真空度低于0.5Pa的条件下进行离子清洗2~5分钟。
5.根据权利要求3所述的应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，其特征在于，制备第一中间产品的气相沉积工艺为：利用磁控溅射法，在磁控溅射仪内进行镀膜，其中溅射用电流为300~400mA，电压为600~800V，溅射时长为12~15分钟。
6.根据权利要求3所述的应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，其特征在于，制备第三中间产品的气相沉积工艺条件为：通过电弧等离子体镀膜工艺，施加-60V~-380V的脉冲偏置电压至所述第二中间产品，控制占空比为12%~15%，脉冲偏置频率为12~14Hz。
7. 根据权利要求1所述的应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，其特征在于， 所述第一中间产品热处理过程中，真空环境的真空度为0.05Pa~0.5Pa。
8.根据权利要求1所述的应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，其特征在于，所有沉积层与所述基底层的厚度之比为1：（20~200）。
9.根据权利要求1所述的应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，其特征在于，所述锆基非晶合金为以锆元素为主体元素的非晶态合金，合金内锆元素原子百分比≥55%。
10.根据权利要求1所述的应用于非晶合金的物理气相沉积工艺，其特征在于，还包括对最终产品进行清洗、烘干。
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