CN117966094A - 一种复合陶瓷薄膜、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合陶瓷薄膜、制备方法及应用，所述复合陶瓷薄膜包括从内而外依次设置在基体表面的铝/氮化铝层、氧化铝层、氮氧化铝层，所述铝/氮化铝层、氧化铝层、氮氧化铝层的厚度分别为0.25‑2.6μm、1.0‑4.5μm、0.3‑4.5μm。本发明所述复合陶瓷薄膜的绝缘强度高、致密度好，可避免异种金属之间产生电偶腐蚀并改善传动部件的磨损情况，能够解决舰船精密零部件磨损及电偶腐蚀问题；所述复合陶瓷薄膜不受基体材质的约束，应用范围广且加工工艺简单。

Description

一种复合陶瓷薄膜、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及金属表面技术领域，具体而言，涉及一种复合陶瓷薄膜、制备方法及应用。

背景技术

舰船在海洋环境中受到海水和盐雾的作用，由钛合金、钢、铝合金等材质制成的船体、内舱、管路以及各种辅助设备时常发生各类腐蚀现象。若发生在船体、内舱会降低船体的整体强度，甚至缩短舰船的服役寿命；若发生在船体的精密部件，则可能会危及船舶的使用安全，严重时还会造成海损事故。

在海水环境中，由于异种金属关联部件间存在较大电位差，当二者装配接触时易导致电偶腐蚀，同时二者之间的相对运动会导致磨损进而可能加剧电偶腐蚀，这一直是困扰舰船长期安全运行的突出问题。现有技术主要利用微弧氧化、阳极氧化、等离子喷涂、物理气相沉积等技术，通过对金属表面进行绝缘处理以降低电位差，同时提高硬度以降低磨损来加以改善。

如申请号为CN116555858A的中国专利公开了一种基于铝合金表面微弧氧化陶瓷复合涂层及制备方法，包括：对铝合金表面进行打磨、清洗；掺杂六方氮化硼二维材料作为介质，填充微弧氧化技术本身放电特性所导致的微孔隙和微裂纹，延缓腐蚀介质对涂层的渗透。而申请号为CN115287576A的中国专利提出了一种耐磨耐蚀绝缘涂层的制备方法，采用超音速火焰喷涂机制备过渡层，等离子体喷涂制备陶瓷层，聚合物封孔剂对陶瓷层进行封孔处理等。上述方案均可有效解决异种金属间的电偶腐蚀问题，制备的涂层厚度相对仍较大，难以实现对小型精密零部件的批量化处理，且因小型精密零部件而导致效率低下；同时对基体材质要求高，通用性较差。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术无法兼顾部件尤其是舰船用钛合金、钢等金属精密零部件的耐磨性和电偶腐蚀问题。

为解决上述问题，本发明提供一种复合陶瓷薄膜，包括从内而外依次设置在基体表面的铝/氮化铝层、氧化铝层、氮氧化铝层，所述铝/氮化铝层、氧化铝层、氮氧化铝层的厚度分别为0.25-2.6μm、1.0-4.5μm、0.3-4.5μm，如图1所示。

本申请在不锈钢、铝合金或钛合金等各种金属表面采用溅射工艺形成铝/氮化铝层，随后再通过高功率脉冲磁控溅射，通入氧气来复合反应生成氧化铝层，最后通过氧化铝氮化在表面生成氮氧化铝层，可以兼顾异种金属间绝缘性、耐磨性，从而解决金属零部件间的电偶腐蚀、磨损问题。优选的，所述铝/氮化铝层的厚度为0.25-2.4μm、0.3-2.2μm、0.4-2.0μm等，所述氧化铝层的厚度为1.0-4.0μm、1.5-4.0μm、2.0-4.0μm等，所述氮氧化铝层的厚度分别为0.3-4.5μm、0.6-4.5μm、0.8-4.0μm等。

所述复合陶瓷薄膜的厚度为1.55-8μm。优选的，所述复合陶瓷薄膜的厚度为1.8-7μm，或者3.0-6.5μm。优选的，复合陶瓷薄膜的绝缘强度＞120V/μm，硬度＞24GPa。

优选的，所述基体的材质为不锈钢、钛合金、铝合金中的任一种。

本发明还提供了一种复合陶瓷薄膜的制备方法，包括：

S1、对基体表面进行抛光、清洗；

S2、制备铝/氮化铝层

铝靶由直流阴极控制，通过直流溅射铝靶以产生铝等离子体，以0.05-0.3pa的氩气作为工作气体向基体施加20-30kv的脉冲电压，脉冲宽度20-40us，脉冲频率100-200Hz以实现铝层沉积；随后通入氮气使氮气气压为0.08-0.15Pa，继续反应溅射以沉积氮化铝层；

制备的铝/氮化铝层能够提高与基体结合强度、硬度及耐蚀性，此外氮化铝晶体层具备模版作用，可使后续沉积的非晶氧化铝晶体化，有利于实现共格外延生长。

S3、制备氧化铝层

关闭氮气并通入氧气使氧气的气压为0.05-0.2pa，向基体施加20-30kv的脉冲电压，脉冲宽度20-40us，脉冲频率100-200Hz,反应溅射生成氧化铝层；通过设置氧化铝层有助于进一步提高复合陶瓷薄膜的绝缘强度和耐蚀性。

S4、制备氮氧化铝层

氧化铝靶由射频阴极控制，通过射频溅射产生氧化铝，以0.05-0.3pa的氩气和0.08-0.15pa的氮气作为工作气源，反应生成氮氧化铝层。反应溅射过程，氧化铝中的O原子部分被N原子所替代以生成氮氧化铝层，有利于进一步复合陶瓷薄膜的硬度，实现绝缘、耐磨的作用。

优选的，步骤S1包括：S11、采用化学工艺对基体表面进行抛光至表面粗糙度＜0.5μm；S12、用溶剂对基体表面进行超声清洗10-15min，将干燥后的基体进行等离子溅射清洗。

优选的，步骤S12中的溶剂为丙酮、无水乙醇、去离子水中的至少一种。优选的，采用依次采用丙酮、无水乙醇、去离子水分别对基体表面超声清洗10～15min。

优选的，所述等离子溅射的工作气体为0.2-0.5pa的氩气。

所述复合陶瓷薄膜在制备海洋工程设备上的应用。优选的，所述海洋工程设备为舰船用精密部件。

相对于现有技术，本发明所述复合陶瓷薄膜具有如下有益效果：1)通过设置铝/氮化铝层能够提高膜层与基体的粘接强度、硬度，同时作为模版有利于促进氧化铝层晶体化；位于中间的氧化铝层则能够提高绝缘强度、耐蚀性能，而氮氧化铝层具有良好的耐磨、耐蚀性能；2)所述复合陶瓷薄膜的绝缘强度高、致密度好，可避免异种金属之间产生电偶腐蚀并改善传动部件的磨损情况，能够解决舰船精密零部件磨损及电偶腐蚀问题；3)不受基体材质的约束，应用范围广且加工工艺简单。

附图说明

图1为本发明实施例所述复合陶瓷薄膜的结构示意图；

图2为本发明实施例1中含复合陶瓷薄膜的平肩接头的实物图；

图3为本发明实施例1中复合陶瓷薄膜的截面形貌及各层厚度表征；

图4为本发明实施例2中复合陶瓷薄膜的传动轴的实物图；

图5为本发明实施例2中复合陶瓷薄膜的截面形貌及各层厚度表征；

图6为本发明实施例3中复合陶瓷薄膜的螺母的实物图；

图7为本发明实施例3中复合陶瓷薄膜的截面形貌及各层厚度表征。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，在不冲突的前提下，本发明各实施例中的技术特征可以相互组合。

钛合金、钢、铝合金等金属精密零部件在船舶领域中应用非常广泛，但由于海洋环境特点，金属材料服役过程极易受到海水及海面盐雾的腐蚀。在海水环境中，尤其是异种金属关联部件间装配接触时，因存在较大电位差，导致电偶腐蚀，造成的腐蚀以及相对运动导致的磨损等失效一直是困扰舰船长期安全运行的突出问题。

若不锈钢与钛合金在海水环境中接触，其表面会产生明显的电偶腐蚀，严重时出现腐蚀穿孔，导致泄漏；如果产生腐蚀产物导致卡滞而使系统停车等，则会直接影响舰船的安全运行。利用等离子喷涂制备陶瓷涂层更适用于大型零部件，如通海阀等接触面的绝缘耐磨处理；另外微弧氧化、硬质阳极氧化涂层不仅使孔隙率高、绝缘强度较低，还无法对钢制零部件进行处理。为此申请人提出如下技术方案：

实施例1

一种用于基体表面的用于精密部件表面的复合陶瓷薄膜，所述基体为316L不锈钢平肩接头，见图2，包括在基体表面依次设置的铝/氮化铝层、氧化铝层和氮氧化铝层，见图3，采用如下方法制备：

S1、对316L不锈钢平肩接头进行抛光、清洗处理

采用化学抛光工艺对316L不锈钢平肩接头表面进行抛光处理至粗糙度＜0.5μm；随后依次采用丙酮、酒精及去离子水分别超声清洗15min，将抛光后的平肩接头进行溅射清洗，溅射清洗时向腔室内通入氩气且氩气工作气压0.3Pa。

S2、铝/氮化铝层的制备

通过直流溅射铝靶以产生铝等离子体，向基体施加-20kv的脉冲电压，脉冲宽度20us，脉冲频率150Hz,实现铝粘结层沉积；随后通入氮气，氮气气压0.08Pa，氮氩分压比2:1，反应溅射沉积氮化铝层。

S3、氧化铝层的制备

关闭氮气并通入氧气，使氧氩分压比2:1，向基体施加-25kv的脉冲电压，脉冲宽度40us，脉冲频率100Hz,反应溅射沉积氧化铝层。

S4、氮氧化铝层的制备

通过射频溅射氧化铝靶，通入氮气，氮气工作气压0.15Pa，基体不施加负偏压，反应生成氮氧化铝层。

利用纳米压痕测试仪、绝缘电阻测试仪分别对多个制备样品1-5的纳米硬度、绝缘强度进行测定，结果见表1。

表1随炉试样的硬度、绝缘强度数据

实施例2

一种用于基体表面的用于精密部件表面的复合陶瓷薄膜，所述基体为Ti80钛合金传动轴，如图4，包括在基体表面依次设置的铝/氮化铝层、氧化铝层和氮氧化铝层，见图5，采用如下方法制备：

S1、对316L不锈钢平肩接头进行抛光、清洗处理

采用电化学抛光工艺对Ti80钛合金传动轴表面进行抛光处理至粗糙度＜0.4μm，随后分别采用丙酮、酒精及去离子水各超声清洗15min后烘干处理，将抛光后的Ti80钛合金传动轴进行溅射清洗，溅射清洗时向腔室内通入氩气且氩气工作气压0.3Pa。

S2、铝/氮化铝层的制备

通过直流溅射铝靶以产生铝等离子体，向基体施加-25kv的脉冲电压，脉冲宽度20us，脉冲频率100Hz以实现铝粘结层沉积；随后通入气压为0.10Pa的氮气至氮氩分压比2:1，反应溅射沉积氮化铝层。

S3、氧化铝层的制备

关闭氮气并通入氧气，使氧氩分压比2:1，向基体施加-20kv的脉冲电压，脉冲宽度20us，脉冲频率100Hz,反应溅射沉积氧化铝层。

S4、氮氧化铝层的制备

通过射频溅射氧化铝靶，通入氮气，氮气工作气压0.15Pa，基体不施加负偏压，反应生成氮氧化铝层。

利用纳米压痕测试仪、绝缘电阻测试仪分别对制备样品1-5的纳米硬度、绝缘强度进行测定，结果见表2。

表2随炉试样的硬度、绝缘强度数据

实施例3

一种用于基体表面的用于精密部件表面的复合陶瓷薄膜，所述基体为TA2钛合金螺母，见图6，包括在基体表面依次设置的铝/氮化铝层、氧化铝层和氮氧化铝层，见图7，采用如下方法制备：

S1、对316L不锈钢平肩接头进行抛光、清洗处理

采用电化学抛光工艺对TA2钛合金螺母表面进行抛光处理至粗糙度＜0.5μm，随后分别采用丙酮、酒精各超声清洗15min后烘干处理，将抛光后的TA2钛合金螺母进行溅射清洗，溅射清洗时向腔室内通入氩气且氩气工作气压0.3Pa。

S2、铝/氮化铝层的制备

通过直流溅射铝靶以产生铝等离子体，向基体施加-20kv的脉冲电压，脉冲宽度20us，脉冲频率150Hz以实现铝粘结层沉积；随后通入气压为0.08Pa的氮气至氮氩分压比2:1，反应溅射沉积氮化铝层。

S3、氧化铝层的制备

关闭氮气并通入氧气，使氧氩分压比2:1，向基体施加-25kv的脉冲电压，脉冲宽度40us，脉冲频率100Hz,反应溅射沉积氧化铝层。

S4、氮氧化铝层的制备

通过射频溅射氧化铝靶，通入氮气，氮气工作气压0.12Pa，基体不施加负偏压，反应生成氮氧化铝层。

利用纳米压痕测试仪、绝缘电阻测试仪分别对制备样品1-5的纳米硬度、绝缘强度进行测定，结果见表3。

表3随炉试样的硬度、绝缘强度数据

综上，本发明所述用于精密部件表面的复合陶瓷薄膜的绝缘强度、硬度分别可达120V/μm、24GPa，具有良好的绝缘效果和耐磨性，可有效解决舰船异种金属部件接触时所面临的电偶腐蚀及磨损问题；方法简单且厚度可在0.1～8μm范围灵活控制，有效保证公差尺寸配合精度以实现舰船精密零部件表面耐磨、绝缘陶瓷薄膜的制备，大幅提高舰船精密零部件在海洋环境的服役寿命，实现大规模批量化处理。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种复合陶瓷薄膜，其特征在于，包括从内而外依次设置在基体表面的铝/氮化铝层、氧化铝层、氮氧化铝层，所述铝/氮化铝层、氧化铝层、氮氧化铝层的厚度分别为0.25-2.6μm、1.0-4.5μm、0.3-4.5μm。

2.根据权利要求1所述的复合陶瓷薄膜，其特征在于，所述复合陶瓷薄膜的厚度为1.55-8μm。

3.根据权利要求1所述的复合陶瓷薄膜，其特征在于，所述基体的材质为不锈钢、钛合金、铝合金中的任一种。

4.权利要求1-3任一项所述的复合陶瓷薄膜的制备方法，其特征在于，包括：

S1、对基体表面进行抛光、清洗；

S2、制备铝/氮化铝层

铝靶由直流阴极控制，通过直流溅射铝靶以产生铝等离子体，以0.05-0.3pa的氩气作为工作气体向基体施加20-30kv的脉冲电压，脉冲宽度20-40us，脉冲频率100-200Hz以实现铝层沉积；随后通入氮气使氮气气压为0.08-0.15Pa，继续反应溅射以沉积氮化铝层；

S3、制备氧化铝层

关闭氮气并通入氧气使氧气的气压为0.05-0.2pa，向基体施加20-30kv的脉冲电压，脉冲宽度20-40us，脉冲频率100-200Hz,反应溅射生成氧化铝层；

S4、制备氮氧化铝层

氧化铝靶由射频阴极控制，通过射频溅射产生氧化铝，以0.05-0.3pa的氩气和0.08-0.15pa的氮气作为工作气源，反应生成氮氧化铝层。

5.根据权利要求4所述的复合陶瓷薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1包括：S11、采用化学工艺对基体表面进行抛光至表面粗糙度＜0.5μm；S12、用溶剂对基体表面进行超声清洗10-15min，将干燥后的基体进行等离子溅射清洗。

6.根据权利要求5所述的复合陶瓷薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S12中的溶剂为丙酮、无水乙醇、去离子水中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的复合陶瓷薄膜的制备方法，其特征在于，所述等离子溅射的工作气体为0.2-0.5pa的氩气。

8.权利要求1-3任一项所述的复合陶瓷薄膜在制备海洋工程设备上的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述海洋工程设备为舰船用精密部件。