一种Ti-Si-Cu-C/DLC纳米复合疏水耐磨涂层制造技术

技术编号：41319711 阅读：4 留言：0更新日期：2024-05-13 14:59

本发明专利技术提供一种Ti‑Si‑Cu‑C/DLC纳米复合疏水耐磨涂层，其包括依次沉积于基体表面的过渡层、Ti‑Si‑Cu‑C中间层、Ti‑Si‑Cu‑C/DLC表层，涂层与金属基体之间的结合力达到30N以上，静态水接触角达到130°以上。本发明专利技术选择将具有低表面能的Si元素添加到TiC涂层中，一方面可以形成SiC强化相，而SiC强化相可以形成纳米晶或非晶结构，与TiC一起形成纳米晶/纳米晶或纳米晶/非晶复合结构，有效提升涂层的硬度和耐磨性能，而且Si的加入可以有效降低涂层的表面能，促进涂层疏水性能的提升；选择将与TiC相完全不互溶的Cu加入TiC涂层中，不易形成Cu的碳化物相，可细化TiC相的晶粒尺寸，Cu多以纳米晶或非晶结构析出，与TiC一起形成纳米复合结构，提高复合涂层的硬度和韧性。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属材料表面处理，具体是一种ti-si-cu-c/dlc纳米复合疏水耐磨涂层。

技术介绍

1、自然界中动植物表皮的超疏水和自清洁现象给了我们重要启示，如果将这种仿生超疏水表面技术应用于金属及其它合金材料上，则可以起到自清洁、抑制表面腐烛和氧化、增强防潮和防冰功能等作用，对于提高装备的使役寿命具有重要的实际应用价值。

2、根据美国联邦航空局报道，飞机结冰问题每年会导致近30起航空事故，严重威胁着航空器及人类生命。当飞行器穿过云雾时，云中的过冷水汽碰到飞机表面后会冻结并逐渐聚集，形成冰层。这种现象不但与现行的民航适航标准不符，而且也违背军用飞机可靠性日益提高的发展趋势，因此必须加以解决。

3、飞机结冰现象容易出现在机翼前缘、水平尾翼、发动机进气道口等凸部位，机翼结冰将破坏飞机的空气动力学性能，增加飞机阻力和重力，而尾翼结冰还将影响飞机的操纵性，这些问题将会使飞机失去平衡、起飞艰难，甚至会导致空难。飞机发动机结冰将引起发动机性能损失并可能会使发动机发生故障，因为发动机进气口和大型飞机发动机帽罩处温度较低，容易产生积冰，这样会大大限制通过发动机的空气流量，引起飞机推力损失甚至停车故障，另外，一旦冰块脱落，也可能造成叶片的损伤，从而导致发动机事故。总之，冰层的形成将大大降低各个部件的工作效率，甚至发生故障，影响飞机性能并危及航空安全。目前飞机防潮及防冰多采电阻丝加热、空心零件热空气加热、气动及电动除冰等方法进行防冰除冰，这些方法需要比较复杂的系统，操作困难，同时也不利于新型飞机减重技术发展。

<p>4、舰船的螺旋奖、潜艇耐压壳体、声纳导流罩等部件长期浸泡在海水中，主要面临腐烛、微生物生长等问题，这一方面会缩短零部件的使用寿命，另一方面还会增大舰船在水中的阻力，如果能够在这些部件上形成超疏水表面，那么这些表面不但会起到疏水减阻的作用，而且还会起到抗腐烛和抑制微生物生长的作用，从而提高零部件的使用寿命和工作效率，减少舰船的能源消耗。

5、金属材料作为医用生物材料用于人体已有数百年历史，在临床医学中发挥着重要作用。随着医用生物材料的不断发展，已有越来越多的医用生物材料被用于制造人工器官和器件，这些人工器官和器件成功地为患者减轻痛苦，延续患者的生命。而对金属材料表面制备涂层，则可在不影响植入材料性能的基础上获得良好的生物医学功能。但是，如果植入材料的机械性能差，会引起植入材料性质的退变，导致植入失效；如果植入材料的耐磨性差，则会引起术后感染，导致手术失败。如果在与血液相接触的产品上（如人工心脏瓣膜、血管支架）形成超疏水表面，将不但可以抑制材料和血小板间的粘附及活化，改善钢或有色金属合金材料的生物相容性，而且还可以减小血液流经该处时的阻力，因此近年来医用合金疏水涂层制备技术也被广泛关注。

6、此外，随着人们生活水平的不断提高，各种餐具如不粘锅、餐勺等也对不沾及耐磨提出了更高的需求。目前的不粘锅普遍是在锅体表面喷涂一层疏水涂层来实现不沾功能，但是疏水涂层本身不耐磨，且容易脱落。目前锅体喷涂疏水涂层前处理工艺一般是对锅体进行喷砂和硬质氧化，或采用喷丸处理，以使锅体表面获得更高的粗糙度，实现更好的涂层与锅体结合及不沾效果。但即使经过硬质氧化处理，铝合金锅底仍不能抵抗铁铲的刮擦。尽管也有采用在锅内表面压制出网纹，将锅内表面分成若干个凹槽，在这些凹槽内填充高强耐温材料，在一定程度上提升了不沾效果，但总体耐磨及抗刮擦性能仍然较低，仍不能有效满足消费者对不粘锅使用寿命的需求。

7、目前国内外疏水涂层研究主要集中在采用化学法，或与刻蚀等方法复合制备低表面能有机疏水涂层，采用化学法制备有机疏水涂层或对粗糙表面进行低表面能修饰，虽然该方法工艺简单、易操作，但是制备的涂层与基体间的结合力差，不耐冲击，环境适应性差，由于化学老化和机械破坏，将面临涂层变色、粉化、起泡、开裂以及疏水功能下降等失效行为。

8、在20世纪末提出纳米复合涂层的概念，即由纳米晶-纳米晶或纳米晶-非晶形成的两相或两相以上的复合结构，该复合涂层得到一定开发与应用，具有良好的硬度和耐磨性能，但大多应用在刀具、模具领域，而在航空航天、海洋船舶、生物医学疏水耐磨领域很少应用。

9、碳化物涂层如tic具有高硬度、低摩擦系数、优异的耐腐蚀性及导电性的特点，被广泛应用于医疗、石油、化工及海洋工程等领域中。但由于tic涂层韧性较差，导致涂层与基体之间存在较大的内应力，加之其疏水性能较差，因此其应用领域受到一定程度的限制。在此基础上，近些年引入si元素后形成的ti-si-c体系不仅具有高硬度、耐高温、耐腐蚀等特点，并且易于加工，因而对于ti- si-c涂层的研究备受关注，但是ti-si-c涂层韧性仍有待改善。

10、因此，亟需一种既具有良好的疏水性能，又具有较好的机械性能的纳米复合疏水耐磨涂层解决上述缺陷。

技术实现思路

1、本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种ti-si-cu-c/dlc纳米复合疏水耐磨涂层。

2、本专利技术所采取的技术方案如下：一种ti-si-cu-c/dlc纳米复合疏水耐磨涂层，其包括依次沉积于基体表面的过渡层、ti-si-cu-c中间层、ti-si-cu-c/dlc表层。

3、优选的，其总厚度为3～30微米，其中ti-si-cu-c中间层的厚度为1.0～10.0微米。

4、优选的，所述过渡层包括依次沉积于基体表面的ti层和ti-si-cu层。

5、优选的，ti层、ti-si-cu层的厚度分别为0.2～1.0微米、0.3～2.0微米，ti-si-cu-c中间层的厚度为1.0～10.0微米。

6、优选的，ti-si-cu层中，si含量为5～30at.%，cu含量为1～20at.%；

7、ti-si-cu-c层中，si含量为5～30at.%、cu含量为1～20at.%，c含量为15～35at.%；

8、ti-si-cu-c/dlc层中，si含量为10～30at.%、cu含量为1～20at.%，c含量为30～70at.%。

9、优选的，其制备方法包括以下步骤：

10、（1）工件预清洗；

11、（2）镀过渡层：采用高纯钛靶与钛硅铜合金靶，向真空室通入氩气，使气体发生辉光放电，对样品进行辉光清洗；调整氩气流量，同时开启钛靶弧源，沉积ti层；之后开启钛硅铜合金靶弧源，沉积ti-si-cu层；

12、（3）镀ti-si-cu-c中间层：采用钛硅铜合金靶，调整氩气气压，通入含碳气体；开启轴向磁场装置，沉积ti-si-cu-c中间层；其中，含碳气体具体可以为甲烷或乙炔；

13、（4）镀ti-si-cu-c/dlc层：采用钛硅铜合金靶，调整氩气气压，通入含碳气体，开启轴向磁场装置，沉积ti-si-cu-c/dlc层，其中，含碳气体具体可以为甲烷或乙炔。

14、优选的，步骤（2）中，采用高纯钛靶与钛硅铜合金靶，当真本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种Ti-Si-Cu-C/DLC纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：其包括依次沉积于基体表面的过渡层、Ti-Si-Cu-C中间层、Ti-Si-Cu-C/DLC表层。

2.根据权利要求1所述的一种Ti-Si-Cu-C/DLC纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：其总厚度为3～30微米，其中Ti-Si-Cu-C中间层的厚度为1.0～10.0微米。

3.根据权利要求1所述的一种Ti-Si-Cu-C/DLC纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：所述过渡层包括依次沉积于基体表面的Ti层和Ti-Si-Cu层。

4.根据权利要求3所述的一种Ti-Si-Cu-C/DLC纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：Ti层、Ti-Si-Cu层的厚度分别为0.2～1.0微米、0.3～2.0微米，Ti-Si-Cu-C中间层的厚度为1.0～10.0微米。

5.根据权利要求3所述的一种Ti-Si-Cu-C/DLC纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种Ti-Si-Cu-C/DLC纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种Ti-Si-Cu-C/DLC纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：步骤（2）中，采用高纯钛靶与钛硅铜合金靶，当真空室内真空度达到1×10-3Pa～1×10-2Pa时，对真空室加热至50～400℃；向真空室通入氩气，气压控制在0.5～5Pa之间；基体加脉冲负偏压在-100～-500V范围内，使气体发生辉光放电，对样品进行辉光清洗20～60分钟；调整氩气流量，使真空室气压为0.1～3.0Pa，同时开启钛靶弧源，弧电流为60～200A，调脉冲负偏压至-50V～-500V，调脉冲负偏压占空比为30%~70%，沉积Ti层5～20分钟；之后开启钛硅铜合金靶弧源，弧电流为60～200A，调脉冲负偏压至-50V～-500V，调脉冲负偏压占空比为30%~70%，沉积Ti-Si-Cu层6～40分钟。

8.根据权利要求6所述的一种Ti-Si-Cu-C/DLC纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：步骤（3）中，采用钛硅铜合金靶，调整氩气气压为0.3～3Pa，逐渐通入含碳气体，含碳气体流量逐渐增加；同时逐步减少氩气的通入，设定总气压为0.05～3Pa范围内，对基体施加脉冲负偏压为-50V～-300V，脉冲负偏压占空比为20%~70%；开启轴向磁场装置，磁场线圈电流调整为0.5～5A；调节合金靶电流为60～200A，沉积时间为15～150分钟。

9.根据权利要求6所述的一种Ti-Si-Cu-C/DLC纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：步骤（4）中，采用钛硅铜合金靶，调整氩气气压为0.05～3Pa，通入含碳气体，含碳气体流量逐渐增加，氩气流量逐渐减少，调整含碳气体流量与总气体流量只比在50%~80%范围内，其中总气体包括含碳气体和氩气，设定总气压为0.1～2Pa范围内，对基体施加脉冲负偏压为-50V～-300V，脉冲负偏压占空比为20%~70%；开启轴向磁场装置，磁场线圈电流调整为0.5～5A；调节靶电流为60～200A，沉积时间为30～240分钟；

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【技术特征摘要】

1.一种ti-si-cu-c/dlc纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：其包括依次沉积于基体表面的过渡层、ti-si-cu-c中间层、ti-si-cu-c/dlc表层。

2.根据权利要求1所述的一种ti-si-cu-c/dlc纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：其总厚度为3～30微米，其中ti-si-cu-c中间层的厚度为1.0～10.0微米。

3.根据权利要求1所述的一种ti-si-cu-c/dlc纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：所述过渡层包括依次沉积于基体表面的ti层和ti-si-cu层。

4.根据权利要求3所述的一种ti-si-cu-c/dlc纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：ti层、ti-si-cu层的厚度分别为0.2～1.0微米、0.3～2.0微米，ti-si-cu-c中间层的厚度为1.0～10.0微米。

5.根据权利要求3所述的一种ti-si-cu-c/dlc纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种ti-si-cu-c/dlc纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种ti-si-cu-c/dlc纳米复合疏水耐磨涂层，其特征在于：步骤（2）中，采用高纯钛靶与钛硅铜合金靶，当真空室内真空度达到1×10-3pa～1×10-2pa时，对真空室加热至50～400℃；向真空室通入氩气，气压控制在0.5～5pa之间；基体加脉冲负偏压在-100～-500v范围内，使气体发生辉光放电，对样品...

【专利技术属性】
技术研发人员：王向红，赵彦辉，续通，徐焱良，
申请(专利权)人：上海电子信息职业技术学院，
类型：发明
国别省市：

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