九游娱乐平台：一种铝合金表面耐磨涂层及其制备方法与应用
编辑：小编 日期：2025-06-21 19:19 / 人气：
(74)专利代理机构南京利丰知识产权代理事务所(特殊普通合伙)32256代理人王茹王锋
本发明公开了一种铝合金表面耐磨涂层及其制备方法与应用。所述涂层包括依次形成于基体表面的钛打底层、复合梯度过渡层和非晶碳表层,所述复合梯度过渡层包括在所述涂层厚度方向上形成的三个以上硅氧含量不同的硅氧掺杂非晶碳过渡层。本发明制备的涂层通过钛打底层协调基底塑性变形、复合梯度过度层降低应力、非晶碳表层提供高硬、耐磨等特性,显著提高了基材与涂层之间的附着强度,改善了铝合金材料的耐磨使用寿命。
1.一种铝合金表面耐磨涂层,其特征在于包括依次形成于基体表面的钛打底层、复合梯度过渡层和非晶碳表层,所述复合梯度过渡层包括在所述涂层厚度方向上形成的三个以上硅氧含量不同的硅氧掺杂非晶碳过渡层,
所述复合梯度过渡层的弹性模量为90~200GPa,沿逐渐远离所述基体的方向,所述硅氧掺杂非晶碳过渡层的弹性模量呈升高趋势,
所述硅氧掺杂非晶碳过渡层中硅和氧的含量分别为3.5~9.7at.%、1.3~7.1at.%,沿逐渐远离所述基体的方向,所述硅氧掺杂非晶碳过渡层中的硅氧含量均呈降低趋势,
2.根据权利要求1所述的铝合金表面耐磨涂层,其特征在于,所述复合梯度过渡层中硅氧掺杂非晶碳过渡层的层数为3~5。
3.根据权利要求1所述的铝合金表面耐磨涂层,其特征在于,所述钛打底层的厚度为500~1000nm。
4.根据权利要求1所述的铝合金表面耐磨涂层,其特征在于,所述复合梯度过渡层的厚度为300~900nm。
5.根据权利要求1所述的铝合金表面耐磨涂层,其特征在于,所述硅氧掺杂非晶碳过渡层的厚度为100~300nm。
6.根据权利要求1所述的铝合金表面耐磨涂层,其特征在于,所述非晶碳表层的厚度为700~1000nm。
7.根据权利要求1所述的铝合金表面耐磨涂层,其特征在于,所述基体材料选自铝合金。
8.权利要求1‑7中任一项所述的铝合金表面耐磨涂层的制备方法,其特征在于包括,
采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔和六甲基二硅氧烷的混合气体为阳极层离子源工作气体,在所述钛打底层表面沉积形成复合梯度过渡层,其中,所述复合梯度过渡层包括在所述涂层厚度方向上形成的三个以上硅氧含量不同的硅氧掺杂非晶碳过渡层,
以及,采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔为阳极层离子源工作气体,在所述复合梯度过渡层表面沉积形成非晶碳表层。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,沉积所述钛打底层时所述磁控溅射技术采用的工艺条件包括,保护性气氛下,腔体气压为0.35~0.40Pa,磁控溅射恒电流为3A的模式下,溅射电压为440~460V、沉积负偏压为‑100~‑200V,所述保护性气氛为氩气气氛。
10.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,沉积所述复合梯度过渡层时所述等离子体增强化学气相沉积技术采用的工艺条件包括,腔体气压为0.2‑0.3Pa,乙炔和六甲基二硅氧烷的气体流量比为1:1~3:1,沉积功率为200~220W、沉积负偏压为‑100~‑200V。
11.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,沉积所述非晶碳表层时所述等离子体增强化学气相沉积技术采用的工艺条件包括,腔体气压为0.2~0.3GPa,沉积功率为200~220W,沉积负偏压为‑100~‑200V。
12.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述等离子体增强化学气相沉积技术选自离子源等离子体增强化学气相沉积技术和/或平板等离子体增强化学气相沉积技
13.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于包括,沉积所述复合梯度过渡层时,通过控制乙炔与六甲基二硅氧烷的流量比,从而在所述钛打底层表面形成三个以上硅氧含量不同的硅氧掺杂非晶碳过渡层。
14.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于还包括,先采用氩等离子体对基体表面进行刻蚀清洗10~30min,得到预处理后的基体表面,之后再在基体表面沉积钛打底层,其中,阳极层离子源工作气体为保护性气体,腔体气压为0.30~0.35Pa,离子源恒电流为1A的模式下,电压为1200~1300V,基底负偏压为‑100~‑300V。
[0001]本发明属于表面处理技术领域,具体涉及一种铝合金表面耐磨涂层及其制备方法与应用。
[0002]铝合金具有密度小、比强度高、易加工、装饰效果好等优点,已逐渐成为工业产品轻量化的首选材料,在航空航天、轨道交通、建筑、生物医药等领域均具有广阔的应用前景。但随着科学技术的不断发展,对铝合金表面功能性的要求也在不断提高,受硬度低、耐磨损性能差、抗腐蚀性能不足等局限,其使用面临着严峻挑战。DLC是一类含有金刚石结构(sp3杂化键)和石墨结构(sp2杂化键)的亚稳态非晶涂层材料,相较于其他硬质涂层,类金刚石涂层兼具高硬耐磨、减摩润滑与耐蚀的优异特性,更有潜力成为一种优秀的铝合金表面改性材料。但其存在残余应力大、膜基物理化学性能(如弹性模量、热膨胀系数、元素亲和势)差异大等问题,限制膜厚,降低结合力。
[0003]在基材与涂层之间添加过渡层是解决上述问题的一种常见方法。但受过渡层种类,厚度及其结构设计较为复杂的影响,涂层在获得低残余应力的同时,往往会显著损害涂层整体的韧性以及膜基协调变形的能力,导致与铝合金基体之间的结合力未能提升。
[0004]本发明的主要目的在于提供一种铝合金表面耐磨涂层及其制备方法与应用,以克服现有技术的不足。
[0006] 本发明实施例提供了一种铝合金表面耐磨涂层,其包括依次形成于基体表面的钛(Ti)打底层、复合梯度过渡层和非晶碳表层,所述复合梯度过渡层包括在所述涂层厚度方向上形成的三个以上硅氧含量不同的硅氧掺杂非晶碳过渡层。
[0007] 本发明实施例还提供了一种铝合金表面耐磨涂层的制备方法,其包括,
[0008] 采用磁控溅射技术,于保护性气氛下在基体表面沉积形成钛打底层,
[0009] 采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔和六甲基二硅氧烷的混合气体为阳极层离子源工作气体,在所述钛打底层表面沉积形成复合梯度过渡层,其中,所述复合梯度过渡层包括在所述涂层厚度方向上形成的三个以上硅氧含量不同的硅氧掺杂非晶碳过渡层,
[0010] 以及,采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔为阳极层离子源工作气体,在所述复合梯度过渡层表面沉积形成非晶碳表层。
[001 1] 本发明实施例还提供了一种由前述方法制备的铝合金表面耐磨涂层。
[0012] 本发明实施例还提供了一种装置,其包括,基体,以及,覆盖于所述基体表面的、如前述的铝合金表面耐磨涂层。
[0013] 本发明中,非晶碳表层主要由金刚石结构的sp3杂化碳原子和石墨结构的sp2杂化
碳原子相互混杂的三维网络构成,sp3杂化碳原子赋予其类似金刚石的高硬度与耐磨性,sp2杂化碳原子赋予其类似石墨的低摩擦、自润滑特性。
[0014] 本发明中,硅氧掺杂入都能够起到缓解sp3杂化键的高度交联程度和扭曲变形,从而有效地降低非晶碳膜的内应力。Ti打底层的热膨胀系数介于基材和非晶碳膜之间,缓解膜基材与非晶碳膜化学亲和势的差异,能降低多层结构中的界面应力和热应力。因此,多层薄膜的总应力得以降低。
[0016] (1)通过Ti打底层的设计缓解铝合金基材与顶层碳基涂层的化学亲和势、热膨胀系数等差异,Ti打底层厚度的优选能够有效协调基底变形,
[0017] (2)具有低生长应力的硅氧掺杂非晶碳梯度过渡层的添加,一方面降低涂层的整体内应力,另一方面,成分渐变的硅氧掺杂非晶碳涂层能够减弱膜基之间的力学性能差异,抑制裂纹扩展,协调整体变形,
[0018] (3)表层非晶碳涂层具有高硬度、耐磨润滑的作用,由于以上结构设计,该涂层能够同时实现低应力、强结合力与优异的抗摩擦磨损性能,显著改善铝合金基体的使用性能。
[0019] 为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例,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获得其他的附图。
[0026] 鉴于现有技术的缺陷,本案发明人经长期研究和大量实践,得以提出本发明的技术方案,其主要是通过筛选合适的过渡层元素和工艺方法,设计从基材到顶层碳膜力学性能逐渐过渡的结构,同时显著降低涂层整体内应力、提升膜基协调变形能力,在铝合金基体表面形成强结合硬质耐磨涂层。
[0027] 本发明实施例的一个方面提供的一种铝合金表面耐磨涂层,其包括依次形成于基体表面的钛打底层、复合梯度过渡层和非晶碳表层,所述复合梯度过渡层包括在所述涂层厚度方向上形成的三个以上硅氧含量不同的硅氧掺杂非晶碳过渡层。
[0028] 在一些较为具体的实施方案中,所述复合梯度过渡层中硅氧掺杂非晶碳过渡层的层数为3,5。
[0029] 进一步的,所述复合梯度过渡层的弹性模量为90,200GPa。
[0030] 进一步的,沿逐渐远离所述基体的方向,所述硅氧掺杂非晶碳过渡层的弹性模量
[0031] 进一步的,所述硅氧掺杂非晶碳过渡层中硅和氧的含量分别为3.5,9.7at.,、
[0032] 进一步的,沿逐渐远离所述基体的方向,所述硅氧掺杂非晶碳过渡层中的硅氧含量均呈降低趋势。
[0033] 在一些较为具体的实施方案中,所述钛打底层的厚度为500,1000nm。
[0035] 进一步的,所述硅氧掺杂非晶碳过渡层的厚度为100,300nm。
[0038] 本发明实施例的另一个方面还提供了一种铝合金表面耐磨涂层的制备方法,其包括,
[0039] 采用磁控溅射技术,于保护性气氛下在基体表面沉积形成钛打底层,
[0040] 采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔和六甲基二硅氧烷的混合气体为阳极层离子源工作气体,在所述钛打底层表面沉积形成复合梯度过渡层,其中,所述复合梯度过渡层包括在所述涂层厚度方向上形成的三个以上硅氧含量不同的硅氧掺杂非晶碳过渡层,
[0041] 以及,采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔为阳极层离子源工作气体,在所述复合梯度过渡层表面沉积形成非晶碳表层。
[0042] 在一些较为具体的实施方案中,沉积所述钛打底层时所述磁控溅射技术采用的工艺条件包括,保护性气氛下,腔体气压为0.35,0.40Pa,磁控溅射恒电流为3A的模式下,溅射电压为440,460V、沉积负偏压为‑100,‑200V,优选的,所述保护性气氛包括惰性气体气氛,尤其优选为氩气气氛。
[0043] 进一步的,沉积所述复合梯度过渡层时所述等离子体增强化学气相沉积技术采用的工艺条件包括,腔体气压为0.2,0.3Pa,乙炔和六甲基二硅氧烷的气体流量比为1 : 1,3:
[0044] 进一步的,沉积所述非晶碳表层时所述等离子体增强化学气相沉积技术采用的工艺条件包括,腔体气压为0.2,0.3GPa,沉积功率为200(220W)沉积负偏压为‑100,‑200V。
[0045] 在一些较为具体的实施方案中,所述等离子体增强化学气相沉积技术包括离子源等离子体增强化学气相沉积技术或平板等离子体增强化学气相沉积技术。
[0047] 在一些较为具体的实施方案中,沉积所述复合梯度过渡层时,通过控制乙炔与六甲基二硅氧烷的流量比,从而在所述钛打底层表面形成三个以上硅氧含量不同的硅氧掺杂非晶碳过渡层。
[0048] 进一步的,沿逐渐远离所述基体的方向,所述硅氧掺杂非晶碳过渡层中的硅氧含量呈降低趋势。
[0049] 进一步的,所述复合梯度过渡层中硅氧掺杂非晶碳过渡层的层数为3,5。
[0050] 在一些较为具体的实施方案中,所述制备方法还包括,先采用氩等离子体对基体表面进行刻蚀清洗10(30min)得到预处理后的基体表面,之后再在基体表面沉积钛打底
层,其中,阳极层离子源工作气体为保护性气体,腔体气压为0.30,0.35Pa,离子源恒电流为1A的模式下,电压为1200(1300V)基底负偏压为‑100,‑300V。
[0052] 在一些更为具体的实施方案中,所述硬质耐磨涂层的制备方法包括,
[0054] (2)采用磁控溅射技术,在氩气气氛下,在所述基体表面制备钛打底层,厚度为500(1000nm)
[0055] (3)采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔和六甲基二硅氧烷的混合气体为工作气体,在所述钛打底层制备复合梯度过渡层,所述复合梯度过渡层的厚度为300(900nm)
[0056] (4)采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔为工作气体,在所述复合梯度过渡层表面制备非晶碳表层,所述非晶碳表层的厚度为700,1000nm。
[0057] 本发明实施例的另一个方面还提供了前述方法制备的铝合金表面耐磨涂层,所述涂层的划痕测试结合力大约为14,17N。
[0058] 本发明实施例的另一个方面还提供了一种装置,其包括,基体,以及,覆盖于所述基体表面的、如前述的铝合金表面耐磨涂层。
[0059] 进一步的,所述基体包括铝合金质机械运动基础件,且不限于此。
[0060] 下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明,本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0062] (1)采用等离子体对铝合金(或硅片,用于微观形貌表征)表面进行刻蚀清洗10min 去除表面杂质增加界面结合强度,得到预处理后的铝合金表面,其中,阳极层离子源工作气体为氩气,腔体气压为0.40Pa,离子源恒电流为1A的模式下,电压为1100V,基底负偏压为‑300V,
[0063] (2)采用直流磁控溅射技术,在铝合金表面(或硅片)制备厚度为800nm Ti打底层,其中,腔体气压为0.35Pa,磁控溅射恒电流为3A的模式下,溅射电压为460V、沉积负偏压为‑100V,
[0064] (3)采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔、六甲基二硅氧烷为阳极层离子源工作气体,在Ti打底层上制备总厚度为600nm的复合梯度过渡层,其中,控制乙炔和六甲基硅乙烷的体积比(C2H2/HMDSO)分别为1 : 1、2: 1、3: 1,在Ti打底层表面依次形成厚度相等的硅氧掺杂非晶碳过渡层a‑C:H:Si :OX3、非晶碳过渡层a‑C:H:Si :OX2、非晶碳过渡层a‑C:H:Si :OX1 ,腔体气压为0.2Pa,沉积功率220W、沉积负偏压为‑100V,
[0065] (4)采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔为阳极层离子源工作气体,在复合梯度过渡层表面形成厚度为900nm非晶碳表层(a‑C:H层) ,其中,腔体气压为0.2GPa,沉积功率为220W,沉积负偏压为‑100V。
[0066] 所获硅片基底涂层的截面扫描电镜图如图1所示,图2为所获铝合金基体/涂层的划痕形貌。
[0067] 经过测试,该强结合硬质耐磨涂层,将铝合金表面硬度(1 .9GPa)提升至为
[0069] (1)采用等离子体对铝合金表面进行刻蚀清洗10min去除表面杂质增加界面结合强度,得到预处理后的铝合金表面,其中,阳极层离子源工作气体为氩气,腔体气压为
[0070] (2)采用直流磁控溅射技术,在铝合金表面制备厚度为500nm Ti打底层,其中,腔体气压为0.38Pa,磁控溅射恒电流为3A的模式下,溅射电压为450V、沉积负偏压为‑150V,
[0071] (3)采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔、六甲基二硅氧烷为阳极层离子源工作气体,在Ti打底层上制备总厚度为200nm的复合梯度过渡层,其中,控制乙炔和六甲基硅乙烷的体积比(C2H2/HMDSO)分别为1 : 1、2: 1、3: 1,在Ti打底层表面依次形成厚度相等的硅氧掺杂非晶碳过渡层a‑C:H:Si :OX3、非晶碳过渡层a‑C:H:Si :OX2、非晶碳过渡层a‑C:H:Si :OX1 ,腔体气压为0.25Pa,沉积功率为210W、沉积负偏压为‑150V,
[0072] (4)采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔为阳极层离子源工作气体,在复合梯度过渡层表面形成厚度为700nm非晶碳表层(a‑C:H层) ,其中,腔体气压为0.25GPa,沉积功率为210W,沉积负偏压为‑150V。
[0073] 经过测试,该强结合硬质耐磨涂层,将铝合金表面硬度(1 .9GPa)提升至为
[0075] (1)采用等离子体对铝合金表面进行刻蚀清洗10min去除表面杂质增加界面结合强度,得到预处理后的铝合金表面,其中,阳极层离子源工作气体为氩气,腔体气压为
[0076] (2)采用直流磁控溅射技术,在铝合金表面制备厚度为1000nm Ti打底层,其中,腔体气压为0.4Pa,磁控溅射恒电流为3A的模式下,溅射电压为440V、沉积负偏压为‑200V,
[0077] (3)采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔、六甲基二硅氧烷为阳极层离子源工作气体,在Ti打底层上制备总厚度为800nm的复合梯度过渡层,其中,控制乙炔和六甲基硅乙烷的体积比(C2H2/HMDSO)分别为1 : 1、2: 1、3: 1,在Ti打底层表面依次形成厚度相等的硅氧掺杂非晶碳过渡层a‑C:H:Si :OX3、非晶碳过渡层a‑C:H:Si :OX2、非晶碳过渡层a‑C:H:Si :OX1 ,腔体气压为0.3Pa,沉积功率为200W、沉积负偏压为‑200V,
[0078] (4)采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔为阳极层离子源工作气体,在复合梯度过渡层表面形成厚度为1000nm非晶碳表层(a‑C:H层) ,其中,腔体气压为0.3GPa,沉积功率为200W,沉积负偏压为‑200V。
[0079] 经过测试,该强结合硬质耐磨涂层,将铝合金表面硬度(1 .9GPa)提升至为
[0081] (1)采用等离子体对铝合金表面(或硅片)进行刻蚀清洗10min去除表面杂质增加界面结合强度,得到预处理后的铝合金表面,其中,阳极层离子源工作气体为氩气,腔体气压为0.3Pa,离子源恒电流为1A的模式下,电压为1200V,基底负偏压为‑100V,
[0082] (2)采用直流磁控溅射技术,在铝合金表面(或硅片)制备厚度为100nm Ti打底层,其中,腔体气压为0.4Pa,磁控溅射恒电流为3A的模式下,溅射电压为440V、沉积负偏压为‑200V,
[0083] (3)采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔、六甲基二硅氧烷为阳极层离子源工作气体,在Ti打底层上制备总厚度为200nm的梯度过渡层,其中,控制乙炔和六甲基硅乙烷的体积比(C2H2/HMDSO)分别为3: 1 ,在Ti打底层表面形成一层厚度为200nm的硅氧掺杂非晶碳过渡层a‑C:H:Si :OX3,腔体气压为0.3Pa,沉积功率为200W、沉积负偏压为‑200V,
[0084] (4)采用等离子体增强化学气相沉积技术,以乙炔为阳极层离子源工作气体,在复合梯度过渡层表面形成厚度为700nm非晶碳表层(a‑C:H层) ,其中,腔体气压为0.3GPa,沉积功率为200W,沉积负偏压为‑200V。
[0085] 所获硅片基底涂层的截面扫描电镜图如图3所示,图4为所获铝合金基体/涂层的划痕形貌。
[0086] 经过测试,该强结合硬质耐磨涂层,将铝合金表面硬度(1 .9GPa)提升至为
[0088] (1)采用等离子体对铝合金表面(或硅片)进行刻蚀清洗10min去除表面杂质增加界面结合强度,得到预处理后的铝合金表面,其中,阳极层离子源工作气体为氩气,腔体气压为0.35Pa,离子源恒电流为1A的模式下,电压为1150V,基底负偏压为‑200V,
[0089] (2)采用直流磁控溅射技术,在铝合金表面(或硅片)制备厚度为250nm Ti打底层,其中,腔体气压为0.38Pa,磁控溅射恒电流为3A的模式下,溅射电压为450V、沉积负偏压为‑150V,