一种纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层及其制备方法，镀层以金属零件作为基体，由基体向外依次包括一元单质金属层、二元氮化物层、三元氮化物层、三元氮化物层/掺杂活性抗菌金属元素的四元氮化物层的交替层和三元氮化物层，其中，活性抗菌金属元素为铜或银，在四元氮化物中掺杂的含量为0.5at％～8.0at％。本发明专利技术通过优化亚表层抗菌金属元素的添加方式，形成层柱交替周期结构，即氮化物柱状晶层与含抗菌元素致密层匹配的微观结构，通过调控活性抗菌金属元素的存在形式与扩散行为，促进表面离子态化，构建兼备优异力学性能、耐蚀性能、耐磨蚀性能和抗菌性能的膜基体系，在金属零件防护领域具有广阔的应用前景。在金属零件防护领域具有广阔的应用前景。在金属零件防护领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及镀层
，具体涉及一种纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层及其制备方法。

技术介绍

[0002]氮化物镀层具有高硬度、抗氧化、耐磨、耐蚀等优点，在刀具切削和海洋金属零部件的表面保护领域应用广泛。为进一步提高其抗菌性能，研究者们相继开发了掺杂活性抗菌金属元素如铜、银等的多元氮化物镀层，既能提供显著的杀菌效果，又具备提高耐磨性、致密微观结构和缓解内应力等优势。非平衡磁控溅射法具有高沉积速率、低温沉积和绿色环保的优点，可实现镀层的致密且无明显缺陷结构和高膜基结合强度。在现有研究中，CN109778121公开了一种Zr
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Cu
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N纳米复合耐磨抗菌涂层及其制备方法，虽然其具有高达25GPa的纳米硬度和99％的抗菌率，但锆金属的成本过高。CN115772639公开了一种高熵合金/陶瓷复合抗空蚀抗磨蚀涂层及其制备方法，虽然其具有优异的抗空蚀和抗磨蚀性能，但是其高熵合金粉末原料具有成本高和难制备的缺点，同时大气超音速火焰喷涂制备法镀层缺陷多、热效率低导致成本高，均不满足低成本且绿色环保的工业生产要求。
[0003]此外，抗菌金属元素的掺杂量存在某种“阈值浓度”，过低时抗菌作用弱，过高时软质金属析出抑制氮化物晶体生长并与之易形成电偶腐蚀，大大降低镀层的力学性能和耐蚀性能。目前大多研究中主要关注其含量优化，而通过特定的结构设计调控其存在形式和扩散行为的工作尚待补充，通过优化亚表层抗菌金属元素添加方式，形成层柱交替周期结构，促进表面离子态化，构建兼备优异力学性能、耐蚀性能、耐磨蚀性能和抗菌性能的膜基体系的纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层及其制备方法的制备方法更是未曾公开。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术旨在提供一种成本低、绿色环保且兼备优异力学性能、耐蚀性能、耐磨蚀性能和抗菌性能的纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层，并且，本专利技术还提供了该纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层的制备方法。
[0005]技术方案：本专利技术所述的纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层，以金属零件作为基体，由基体向外依次包括一元单质金属层、二元氮化物层、三元氮化物层、三元氮化物层/掺杂活性抗菌金属元素的四元氮化物层的交替层和三元氮化物层。
[0006]进一步地，所述金属零件选自不锈钢、钛合金、钴铬合金、镍合金、镁合金、钽合金或锆合金中的一种。
[0007]进一步地，所述一元单质金属为钛或铬，一元单质金属层作为打底层来提高膜基结合力，其厚度为200nm～500nm；所述二元氮化物为氮化钛或氮化铬，二元氮化物层为基于一元单质金属的氮化物层，作为过渡层来缓解应力与性能的突变，其厚度为250nm～1000nm；所述三元氮化物为钛铝氮或铬铝氮，三元氮化物层为基于二元氮化物上添加可提高力学性能和耐蚀性能的金属元素的氮化物层，作为所述镀层的主要组成，其厚度为
1000nm～3000nm。
[0008]进一步地，所述掺杂活性抗菌金属元素的四元氮化物层中的活性抗菌金属元素以离子态的形式存在，实现活性抗菌金属元素在整个镀层中抗菌性能的高效利用；活性抗菌金属元素为铜或银，在四元氮化物中掺杂的含量为0.5at％～8.0at％，优选为2.07at％～7.20at％；所述四元氮化物为钛铝铜氮、钛铝银氮、铬铝铜氮或铬铝银氮；所述三元氮化物/掺杂活性抗菌金属元素的四元氮化物的交替层的微观结构为层柱交替周期结构，即氮化物柱状晶层与含抗菌金属元素致密层交替结构，且活性抗菌金属元素在四元氮化物层中以离子态的形式存在。
[0009]进一步地，所述三元氮化物/掺杂活性抗菌金属元素的四元氮化物的交替层的厚度为400nm～500nm，交替周期为1～3；所述三元氮化物层的厚度为100nm～200nm。
[0010]本专利技术所述的纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层的制备方法包括以下步骤：
[0011](1)采用磁控溅射法，对金属基体的表面进行高能轰击预处理，去除氧化层；
[0012](2)在去除氧化层后的基体的表面依次沉积一元单质金属层、二元氮化物层和三元氮化物层；
[0013](3)在三元氮化物层上再沉积三元氮化物层/掺杂活性抗菌金属元素的四元氮化物层的交替层，呈现层柱交替周期结构，即氮化物柱状晶层与含抗菌金属元素致密层交替的微观结构，且活性抗菌金属元素的存在形式为离子态；
[0014](4)最后沉积三元氮化物层，即得纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层。
[0015]进一步地，步骤(1)中，所述高能轰击预处理的工艺参数为：采用氩离子进行高能轰击，衬底偏压为
‑
200V～
‑
800V，靶材电流为0.1A～1A，通过预处理可有效去除基体表面的氧化层并能粗化基体表面产生有微观的凹凸不平，提高膜基结合力。
[0016]进一步地，步骤(2)中，沉积一元单质金属层和二元氮化物层的靶材为钛单质金属靶或铬单质金属靶；沉积三元氮化物层的靶材为钛单质金属靶或铬单质金属靶和铝单质金属靶；所述沉积的参数为：衬底偏压为
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30V～
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150V，靶功率为500W～2500W。
[0017]进一步地，步骤(3)中，沉积掺杂活性抗菌金属元素的四元氮化物层的靶材为钛单质金属靶或铬单质金属靶、铝单质金属靶、铜单质金属靶或铝单质金属靶；所述沉积的参数为：衬底偏压为
‑
30V～
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150V，铜单质金属靶或铝单质金属靶靶功率为100W～500W。
[0018]进一步地，步骤(2)
‑
步骤(4)中，所述磁控溅射法的沉积过程中，溅射氛围为氩气与氮气的混合气，氩气流量为20sccm～40sccm，氮气流量为10sccm～30sccm，沉积气压为0.1Pa～0.4Pa，沉积温度为150℃～200℃，靶基距为12.5cm～14.5cm，沉积的总时间为250min～300min，镀层的总厚度为1μm～5μm。
[0019]专利技术原理：本专利技术通过磁控溅射法，依次在金属零件基体表面沉积一元单质金属层、二元氮化物层、三元氮化物层，之后在顶层沉积内先掺入不同含量和位置的三元氮化物层/掺杂活性抗菌金属元素的四元氮化物层的交替层，再沉积三元氮化物层，获得一种纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层。本专利技术通过优化亚表层抗菌金属元素添加方式(含量及位置)，形成层柱交替周期结构，即氮化物柱状晶层与含抗菌元素致密层交替的微观结构，同时离散合金化方式形成贫铜与富铜交替层，无添加或低含量时纳米复合层中依旧保持柱状晶的微观结构，抗菌金属元素原子扩散固溶进氮化物晶格以离子态形式存在，难以析出，但同时柱状晶的宽晶界有利于扩散行为，促进表面离子态化，从而提升镀层的抗菌性。高含量
时纳米复合层柱状晶被致密化，细小的晶粒析出可以增加位错运动阻力从而提高力学性能，且软质金属可释放裂纹尖端应力提高镀层韧性。通过控制抗菌金属元素的添加方式构建了不同微本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层，以金属零件作为基体(A)，其特征在于，所述镀层由基体(A)向外依次包括一元单质金属层(B)、二元氮化物层(C)、三元氮化物层(D)、三元氮化物层/掺杂活性抗菌金属元素的四元氮化物层的交替层(E)和三元氮化物层(F)。2.根据权利要求1所述的纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层，其特征在于，所述活性抗菌金属元素为铜或银，在四元氮化物层中掺杂的含量为0.5at％～8.0at％。3.根据权利要求1所述的纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层，其特征在于，所述三元氮化物层/掺杂活性抗菌金属元素的四元氮化物层的交替层(E)的厚度为400nm～500nm，交替周期为1～3；所述三元氮化物层(F)的厚度为100nm～200nm。4.根据权利要求1所述的纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层，其特征在于，所述三元氮化物/掺杂活性抗菌金属元素的四元氮化物的交替层(E)的微观结构为层柱交替周期结构，即氮化物柱状晶层与含抗菌金属元素致密层交替结构。5.根据权利要求1所述的纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层，其特征在于，所述掺杂的活性抗菌金属元素在四元氮化物层中以离子态的形式存在。6.根据权利要求1所述的纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层，其特征在于，所述金属零件选自不锈钢、钛合金、钴铬合金、镍合金、镁合金、钽合金或锆合金中的一种。7.一种权利要求1所述的纳米层增强的多元抗菌耐磨蚀镀层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用磁控溅射法，对金属基体(A)的表面进行高能轰击预处理，去除氧化层...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈坚，张习羽，胡若萌，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：