成分振蕩金屬氮化物涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)的應(yīng)用，具體是成分振蕩金屬氮化物涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]涂層技術(shù)是當(dāng)前科學(xué)界與工程界廣泛關(guān)注的材料表面改性技術(shù)之一。在材料表面涂覆涂層可以使得材料具備耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射、導(dǎo)電及導(dǎo)磁等特性，使得在高速、高溫、高壓、重載或腐蝕介質(zhì)環(huán)境中工作的器部件能具備更好服役性能、增強可靠性、延長使用壽命。當(dāng)前，從材料結(jié)構(gòu)特征分類，主要可分為單層勻質(zhì)涂層、多層涂層和成分梯度涂層等三種結(jié)構(gòu)體系的涂層材料。
[0003]多層結(jié)構(gòu)涂層通常是指兩種或兩種以上的亞層材料相互交替生長、且內(nèi)部存在亞層界面的涂層材料。多層結(jié)構(gòu)涂層是一種可控的一維周期結(jié)構(gòu)，其有效地調(diào)整涂層中的位錯和缺陷及其運動，進(jìn)一步改善涂層的性能，從而獲得基體和單層勻質(zhì)涂層難以達(dá)到的特殊性能，如高硬度、高模量等。多層結(jié)構(gòu)涂層是當(dāng)前被應(yīng)用極為廣泛的涂層材料技術(shù)之一。
[0004]成分梯度涂層是指從基體到涂層表面在材料組成成分，以及相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)、密度及功能上均呈現(xiàn)連續(xù)變化的一種涂層材料。一方面，宏觀特性上的漸變性使得梯度涂層內(nèi)應(yīng)力小，尤其是在溫差梯度顯著的環(huán)境下，涂層熱應(yīng)力將得到一定的緩和。另一方面，成分梯度涂層也具有許多其它涂層材料所無法比擬的優(yōu)點，特別適合性質(zhì)差異大的材料體系之間涂層技術(shù)，如合金基體表面沉積陶瓷涂層體系。當(dāng)前，基于其低熱應(yīng)力、高界面結(jié)合強度等優(yōu)點，成分梯度涂層技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于器部件的耐蝕、耐磨、耐熱障等功能涂層技術(shù)。
[0005]相比于單層勻質(zhì)涂層，多層結(jié)構(gòu)涂層和成分梯度涂層均優(yōu)于它們各自具備的結(jié)構(gòu)設(shè)計特征，從而表現(xiàn)出了優(yōu)異的涂層性能。但是，迄今為止，還未發(fā)現(xiàn)能將這兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)進(jìn)行融合的涂層技術(shù)，以便獲得一種兼具梯度化與多層化的雙重復(fù)合結(jié)構(gòu)特征的涂層O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種成分振蕩金屬氮化物涂層的制備方法。目的為獲得的涂層具備梯度化與多層化的雙重復(fù)合結(jié)構(gòu)特征。
[0007]具體技術(shù)方案為:
[0008]成分振蕩金屬氮化物涂層的制備方法，包括以下工藝步驟:
[0009](I)基片表面處理
[0010]對于表面不平整的金屬或者合金材料制成的基片，將基片依次進(jìn)行表面研磨拋光、除油、超聲波丙酮酒精清洗，吹氣烘干；將基片放入濺射鍍膜機的真空室進(jìn)行等離子體偏壓反濺清洗；
[0011]對于表面光滑平整基片，將基片超聲波丙酮酒精清洗，再將基片進(jìn)行等離子體偏壓反濺清洗；
[0012]所述的等離子體偏壓反濺清洗本底真空度小于1\10_午&、反濺偏壓為-600￥、工作氣體為Ar氣，反濺氣壓為1.0?5.0Pa、清洗時間為1min ；
[0013](2)成分振蕩金屬氮化物涂層的制備
[0014]采用濺射鍍膜機，以反應(yīng)濺射工藝模式在基片表面沉積成分振蕩金屬氮化物涂層；
[0015]當(dāng)真空室的本底真空度小于IX 10_3Pa時，向真空室內(nèi)通入Ar氣和N2氣的混合氣體，開啟純金屬或合金靶材開始濺射沉積涂層；沉積過程中，通過改變N2氣與Ar氣的分流量或分氣壓來控制濺射氣體中N2氣與Ar氣的含量比，且N2氣與Ar氣的含量比變化曲線隨涂層沉積時間呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律。
[0016]所述的N2氣與Ar氣的含量比變化曲線的周期性變化規(guī)律特征為，含量比變化曲線上最低值處在O?0.05范圍內(nèi)，最高值處于0.1?5范圍內(nèi)。
[0017]N2氣與Ar氣的含量比變化曲線的周期單元為正弦波、梯形波、矩形波、鋸齒波等；含量比變化曲線的周期大小、周期數(shù)量可根據(jù)需要調(diào)控。
[0018]其中，對于表面不平整的金屬或者合金材料制成的基片，步驟(I)中所述的基片表面研磨拋光，依次采用100目至2000目的水砂紙、拋光絨布，使用3 μ??粒徑的金剛石拋光劑進(jìn)行拋光，使得基片表面成鏡面效果。
[0019]所述的基片除油處理，所用的除油劑配方組成為碳酸鈉160g/L、檸檬酸鈉45g/L、活性劑5g/L、磷酸鈉50g/Lo
[0020]基片可以為不銹鋼等金屬材料或者合金材料制成，也可以為S1、Al2O3等陶瓷材料制成。
[0021]采用濺射鍍膜機為QX-500型超高真空多靶磁控濺射鍍膜機。
[0022]本發(fā)明提供的成分振蕩金屬氮化物涂層的制備方法，采用反應(yīng)濺射工藝制備，且制備過程中通過周期性地改變?yōu)R射氣體中N2氣與Ar氣的含量比來實現(xiàn)，所獲得的涂層中N元素的含量比隨著涂層生長方向的分布具有振蕩特征；涂層是由多個亞層組成的多層結(jié)構(gòu)，亞層數(shù)量取決于N2氣與Ar氣的含量比變化曲線的周期數(shù)量；而每一亞層中N元素含量比的變化呈現(xiàn)梯度分布特征，亞層厚度取決于N2氣與Ar氣的含量比變化曲線的周期大小，而N元素變化梯度快慢取決于N2氣與Ar氣的含量比變化曲線的周期大小和變化曲線上最低與最高的N2氣與Ar氣流量比值。因此，該涂層具備梯度化與多層化的雙重復(fù)合結(jié)構(gòu)特征。
【附圖說明】
[0023]圖1本發(fā)明成分振蕩涂層的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2實施例1中Si基片表面沉積成分振蕩TiN涂層的截面SEM圖像。
【具體實施方式】
[0025]下面用具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但并不意味著對本發(fā)明保護(hù)內(nèi)容的任何限定。
[0026]實施例1
[0027]在Si片上沉積成分振蕩TiN涂層，包括以下步驟:
[0028](I)基片表面處理
[0029]Si基片試樣的幾何尺寸為:長2cmX寬2cm。首先，將Si基片置于在超聲波容器中進(jìn)行丙酮和乙醇清洗，清洗時間各為lOmin，清洗完成之后吹干；最后，將Si基片置于真空室進(jìn)行等離子體偏壓反濺清洗，其工藝參數(shù)為:本底真空9.5X10_4Pa、反濺偏壓為-600V、工作氣體是Ar氣，反派氣壓1.8Pa、清洗時間為lOmin。
[0030](2)成分振蕩TiN涂層的制備
[0031]采用QX-500型超高真空多靶磁控濺射鍍膜機在Si基片表面沉積成分振蕩TiN涂層，當(dāng)真空室的本底真空度小于IX 10_3Pa時，向真空室內(nèi)通入Ar氣和N2氣的混合氣體，開啟Ti靶開始濺射沉積涂層，濺射功率為200W。沉積過程中，通過改變N2氣與Ar氣的分流量來控制濺射氣體中N2氣與Ar氣的含量比，且含量比變化曲線隨涂層沉積時間呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律。N2氣與Ar氣流量比變化的周期曲線具有如下特征:保持Ar氣流量為150sccm不變，隊氣流量在O?50SCCm內(nèi)成連續(xù)線性變化，使得含量比變化曲線的最低值為0，而最高值為0.3 ;含量比變化曲線的周期單元是三角波；含量比變化曲線的周期大小為20min、周期數(shù)量為10。獲得的成分振蕩TiN涂層的層數(shù)為10層，亞層厚度為450nm。
[0032]對上述實施例1中成分振蕩TiN涂層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測，包括以下測試技術(shù)及其測試參數(shù):
[0033](I)采用S4800型掃描電鏡觀測涂層截面。測試放大倍數(shù)為:15K、30K。結(jié)果顯示，涂層為多層膜結(jié)構(gòu)，涂層結(jié)構(gòu)如圖1所示，在基材I表面上有多層的亞層2，每層亞層2呈現(xiàn)梯度分布特征。
[0034](2)采用S4800型掃描電鏡能譜(EDS)分析涂層的成分。如圖2所示，結(jié)果顯示，氮元素的含量比沿著涂層生長方向的分布呈現(xiàn)振蕩特征。
[0035]測試結(jié)果表明，本實施例制備獲得了成分振蕩TiN涂層，其具有梯度化與多層化的雙重復(fù)合結(jié)構(gòu)特征。
[0036]實施例2
[0037]由于涂層結(jié)構(gòu)可能受到N2氣與Ar氣的含量比最大值的影響。本實施例制備了不同N2氣與Ar氣的含量比的成分振蕩TiN涂層。與實施例1相比，以下工藝條件存在差異:
[0038](I)與實施例1不同的是，調(diào)節(jié)N2氣分流量在O?lOOsccm內(nèi)變化，Ar氣流量為150sccm不變，使得N2氣與Ar氣的含量比最小值為0，最大值約為0.7。
[0039]除上述以外，其它工藝參數(shù)均相同。采用與實施例1中相同的涂層結(jié)構(gòu)測試方法。結(jié)果顯示:本實施例制備的成分振蕩TiN涂層同樣具有梯度化與多層化的雙重復(fù)合結(jié)構(gòu)特征。
[0040]實施例3
[0041]由于涂層結(jié)構(gòu)可能受到N2氣與Ar氣的含量比變化曲線的周期數(shù)量和周期大小的影響。本實施例成分振蕩TiN涂層。與實施例1相比，以下工藝條件存在差異:
[0042](I)與實施例1不同的是，調(diào)整N2氣與Ar氣的含量比變化曲線的周期數(shù)量和周期大小分別為40和5min。
[0043]除上述以外，其它工藝參數(shù)均相同。采用與實施例1中相同的涂層結(jié)構(gòu)測試方法。結(jié)果顯示:本實施例制備的成分振蕩TiN涂層也具有梯度化與多層化的雙重復(fù)合結(jié)構(gòu)特征。
【主權(quán)項】
1.成分振蕩金屬氮化物涂層的制備方法，包括以下工藝步驟: (1)基片表面處理 對于表面不平整的金屬或者合金材料制成的基片，將基片依次進(jìn)行表面研磨拋光、除油、超聲波丙酮酒精清洗，吹氣烘干；將基片放入濺射鍍膜機的真空室進(jìn)行等離子體偏壓反濺清洗； 對于表面光滑平整基片，將基片超聲波丙酮酒精清洗，再將基片進(jìn)行等離子體偏壓反濺清洗； 所述的等離子體偏壓反濺清洗本底真空度小于1\10-午&、反濺偏壓為-600￥、工作氣體為Ar氣，反派氣壓為1.0?5.0Pa、清洗時間為1min ； (2)成分振蕩金屬氮化物涂層的制備 采用濺射鍍膜機，以反應(yīng)濺射工藝模式在基片表面沉積成分振蕩金屬氮化物涂層； 當(dāng)真空室的本底真空度小于IX 10_3Pa時，向真空室內(nèi)通入Ar氣和隊氣的混合氣體，開啟純金屬或合金靶材開始濺射沉積涂層；沉積過程中，通過改變N2氣與Ar氣的分流量或分氣壓來控制濺射氣體中N2氣與Ar氣的含量比，且N2氣與Ar氣的含量比變化曲線隨涂層沉積時間呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成分振蕩金屬氮化物涂層的制備方法，其特征在于:步驟(I)中所述的基片表面研磨拋光，依次采用100目至2000目的水砂紙、拋光絨布，使用3μπι粒徑的金剛石拋光劑進(jìn)行拋光，使得基片表面成鏡面效果。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成分振蕩金屬氮化物涂層的制備方法，其特征在于:步驟(I)中所述的基片除油處理，所用的除油劑配方組成為碳酸鈉160g/L、檸檬酸鈉45g/L、活性劑5g/L、磷酸鈉 50g/Lo
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3任一項所述的成分振蕩金屬氮化物涂層的制備方法，其特征在于:所述的N2氣與Ar氣的含量比變化曲線的周期性變化規(guī)律特征為，含量比變化曲線上最低值處在O?0.05范圍內(nèi)，最高值處于0.1?5范圍內(nèi)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)的應(yīng)用，具體是成分振蕩金屬氮化物涂層的制備方法，在等離子體偏壓反濺清洗過的表面平整的基片上，以反應(yīng)濺射工藝模式在基片表面沉積成分振蕩金屬氮化物涂層，沉積過程中，通過改變N2氣與Ar氣的分流量或分氣壓來控制濺射氣體中N2氣與Ar氣的含量比，且N2氣與Ar氣的含量比變化曲線隨涂層沉積時間呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律。本發(fā)明制得的涂層中N元素的含量比沿涂層生長方向的分布具有振蕩特征；涂層是由多個亞層組成的多層結(jié)構(gòu)，而每一亞層中N元素含量比的變化呈現(xiàn)梯度分布特征，該涂層具有梯度化與多層化的雙重復(fù)合結(jié)構(gòu)特征。
【IPC分類】C23C14-34, C23C14-06
【公開號】CN104674164
【申請?zhí)枴緾N201510129324
【發(fā)明人】彭名進(jìn), 楊吉軍, 萬強, 廖家莉, 楊遠(yuǎn)友, 劉寧
【申請人】四川大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月24日