铝合金表面硬度涂层的制备方法技术

本申请涉及物理气相沉积成膜方法，具体为铝合金表面硬度涂层的制备方法。本申请在铝合金表面通过过渡层结构及交替复合膜层的制备，得到较高硬度的涂层，涂层与基体间结合性能也得到了改善。ZrAlTiN/AlTiN多层复合涂层结构设计，能够改善层间残余应力、硬度和断裂韧性之间的平衡，防止裂纹扩散。防止裂纹扩散。

【技术实现步骤摘要】
铝合金表面硬度涂层的制备方法


[0001]本申请涉及物理气相沉积成膜方法，具体为铝合金表面硬度涂层的制备方法。

技术介绍

[0002]铝合金，其具有比强度高、加工和成形性好、成本低以及可维修性好等一系列优点，被广泛应用于航空航天领域。火箭导弹等航天器的筒段、燃料箱、构件、骨架、外罩等结构部件和飞机的机翼、大梁等都大量使用了铝合金材料。铝合金材料较其他金属，比重量更低，有利于飞行器的减重，提高飞行经济性，增大航程。但是现有铝合金材料存在硬度不足的问题，当表面存在划痕或受外力后出现凹凸变形后，会影响飞行器的整体气动外形和结构强度。
[0003]物理气相沉积是新兴的一种表面涂层制备方法，可分为蒸镀、磁控溅射、离子镀等，其在高硬度膜层制备上的应用已经广泛展开，但是膜层与基体间的性质差异会导致膜基间存在开裂脱落的趋势，此外由于高硬度涂层自身内应力较高也存在产生裂纹的风险。

技术实现思路

[0004]本申请在铝合金表面通过过渡层及交替复合膜层的制备，得到较高硬度的涂层，涂层与基体间结合性能也得到了改善。具体的制备方法包括以下步骤：基底预轰击：将处理腔加热至350～450℃，对腔体抽真空，使气压降至1
×
10
‑2‑5×
10
‑2Pa；打开基体偏压至
‑
800～
‑
1000V，然后通入25～30sccm的氩气，对铝合金基体表面进行Ar
+
轰击，在清洁基体表面的同时，使得铝合金基底表面暴露于腔室中，提高表面活性，便于后续反应能够进行。
[0005]制备得到氧化铝层：通入100～150sccm的O2，调整气压至0 .6～1 .5Pa，偏压为
‑
60～
‑
150V，使得被Ar
+
轰击后的铝合金表面氧化，得到氧化铝层。得到的氧化铝层起到过渡的作用，使得基体与后续物理气相沉积法制备得到的涂层之间结合力提高。
[0006]制备得到AlN过渡层：将基体偏压调至
‑
80～
‑
180V，通入250～400sccm的N2，点燃Al靶，调节气压至1
×
10
‑3‑5×
10
‑3Pa，腔室温度仍维持在350～450℃，脉冲电弧电源输出平均电流60～90A，频率：5～200Hz，占空比30％，沉积0.3微米厚度AlN过渡层，避免后续涂层与基体之间亲和性差异较大、层间应力过高。
[0007]制备ZrAlTiN/AlTiN交替复合层：基体置于腔室中心位置，ZrAlTi靶与AlTi靶分别置于基体两侧，基体在支架的带动下旋转，旋转速度1.5r/min，交替面向ZrAlTi靶与AlTi靶，最终溅射得到ZrAlTiN/AlTiN交替多层结构，通入25～40sccm的N2，调节气压至1
×
10
‑3‑5×
10
‑3Pa，真空腔室温度350～450℃，偏压
‑
150～
‑
180V，ZrAlTi靶、AlTi靶脉冲电流分别为90A和40A，ZrAlTiN/AlTiN复合层中ZrAlTiN层与AlTiN层调制比为2:1，调制周期为30～35nm最终，打开真空室取出样品，冷却至室温。该交替复合层中形成ZrN、AlTiN等氮化物相，硬度较高，采用交替多层结构能够降低涂层的内应力，提高涂层韧性，降低层间开裂的趋势。
[0008]ZrAlTi靶成分为：Zr 81.7At%，Al 15.2At%，Ti 3.1At%；AlTi靶成分为：Al 50At%，Ti 50At%。
[0009]本申请在铝合金表面通过过渡层结构及交替复合膜层的制备，得到较高硬度的涂层，涂层与基体间结合性能也得到了改善。ZrAlTiN/AlTiN多层复合涂层结构设计，能够改善层间残余应力、硬度和断裂韧性之间的平衡，防止裂纹扩散。
具体实施方式
[0010]实施例1基底预轰击：将处理腔加热至400℃，对腔体抽真空，使气压降至3
×
10
‑2Pa；打开基体偏压至
‑
900V，然后通入30sccm的氩气；制备得到氧化铝层：通入100sccm的O2，调整气压至1Pa，偏压为
‑
110V，使得被Ar
+
轰击后的铝合金表面氧化，得到氧化铝层；制备得到AlN过渡层：将基体偏压调至
‑
100V，通入350sccm的N2，点燃Al靶，调节气压至3
×
10
‑3Pa，腔室温度仍维持在400℃，脉冲电弧电源输出平均电流70A，频率：110Hz，占空比30％，沉积0.3微米厚度AlN过渡层，避免后续涂层与基体之间亲和性差异较大、层间应力过高。
[0011]制备ZrAlTiN/AlTiN交替复合层：基体置于腔室中心位置，ZrAlTi靶与AlTi靶分别置于基体两侧，基体在支架的带动下旋转，旋转速度1.5r/min，交替面向ZrAlTi靶与AlTi靶，最终溅射得到ZrAlTiN/AlTiN交替多层结构，通入30sccm的N2，调节气压至2
×
10
‑3Pa，真空腔室温度400℃，偏压
‑
150V，ZrAlTi靶、AlTi靶脉冲电流分别为90A和40A，ZrAlTiN/AlTiN复合层中ZrAlTiN层与AlTiN层调制比为2:1，调制周期为30～35nm；ZrAlTi靶成分为：Zr 81.7At%，Al 15.2At%，Ti 3.1At%；AlTi靶成分为：Al 50At%，Ti 50At%。交替复合层中形成ZrN、AlTiN等氮化物相，硬度较高，采用交替多层结构能够降低涂层的内应力，提高涂层韧性，降低层间开裂的趋势，划痕法检测结合力达到60N，硬度为32.1GPa。
[0012]实施例2基底预轰击：将处理腔加热至420℃，对腔体抽真空，使气压降至4
×
10
‑2Pa；打开基体偏压至
‑
850V，然后通入30sccm的氩气；制备得到氧化铝层：通入150sccm的O2，调整气压至1.2Pa，偏压为
‑
100V，使得被Ar
+
轰击后的铝合金表面氧化，得到氧化铝层；制备得到AlN过渡层：将基体偏压调至
‑
90V，通入400sccm的N2，点燃Al靶，调节气压至2
×
10
‑3Pa，腔室温度仍维持在400℃，脉冲电弧电源输出平均电流70A，频率：110Hz，占空比30％，沉积0.3微米厚度AlN过渡层，避免后续涂层与基体之间亲和性差异较大、层间应力过高。
[0013]制备ZrAlTiN/AlTiN交替复合层：基体置于腔室中心位置，ZrAlTi靶与AlTi靶分别置于基体两侧，基体在支架的带动下旋转，旋转速度1.5r/min，交替面向ZrAlTi靶与AlTi靶，最终溅射得到ZrAlTiN/AlTi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.权利要求1请求保护一种铝合金表面硬度涂层的制备方法，其特征在于，制备得到氧化铝层：通入100～150sccm的O2，调整气压至0 .6～1 .5Pa，偏压为
‑
60～
‑
150V，使得被Ar
+
轰击后的铝合金表面氧化，得到氧化铝层；制备得到AlN过渡层：将基体偏压调至
‑
80～
‑
180V，通入250～400sccm的N2，点燃Al靶，调节气压至1
×
10
‑3‑5×
10
‑3Pa，腔室温度仍维持在350～450℃，脉冲电弧电源输出平均电流60～90A，频率：5～200Hz，占空比30％；制备ZrAlTiN/AlTiN交替复合层：通入25～40sccm的N2，调节气压至1
×
10
‑3‑5×
10
‑3Pa，真空腔室温度350～450℃，偏压
‑
150～
‑
180V，ZrAlTi靶、AlTi靶脉冲电流分别为90A和40A，ZrAlTiN/AlTiN复合层中Zr...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨红娜，蔡风园，修建，
申请(专利权)人：北京航天和兴科技有限公司，
类型：发明
国别省市：