三靶磁控共溅射制备铝-铜-铁准晶涂层的方法及其应用转让专利
申请号 : CN200810204439.0
文献号 : CN101429648B
文献日 : 2010-12-15
发明人 : 周细应 , 刘延辉 , 何佳
申请人 : 上海工程技术大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种三靶磁控共溅射制备铝-铜-铁准晶涂层的方法，其工艺步骤依次为基底材料预处理、抽真空、调节磁控共溅射工艺参数、磁控共溅射、缓冷取出得成品，其特征在于：采用不锈钢作为基底材料；所述的磁控共溅射中采用Al靶、Cu靶和Fe靶三种靶材同时进行磁控溅射；磁控共溅射工艺参数为：Al靶溅射功率为116-125W、Cu靶溅射功率为12-13W、Fe靶溅射功率为30-38W、背底真空度为1.5×10-4Pa，充入Ar后工作气压为2.0Pa，基底负偏压为-120V，基底温度为550℃，溅射时间为60min，所述的基底材料预处理为：将基底材料置于丙酮溶液中超声波清洗，再将基底材料进行纯水清洗，再在无水酒精中超声波清洗，再次用清水清洗，最后烘干；所述的不锈钢为1Cr18Ni9Ti；所述的Al靶采用直径为60mm，厚度为3.5mm的纯度≥99.99％的纯铝靶；所述的Cu靶采用直径为60mm，厚度为3.5mm的纯度≥99.99％的纯铜靶；所述的Fe靶采用直径为60mm，厚度为1.8mm的纯度≥99.99％的纯铁靶。
说明书 :
[技术领域]
本发明涉及磁控共溅处理表面材料的技术领域，具体地说是一种三靶磁控共溅射制备铝-铜-铁准晶涂层的方法及其应用。
[背景技术]
准晶材料是八十年代中后期迅速发展起来的，具有许多优良的性能的新型材料，例如硬度高、表面能低、摩擦系数极低，耐热耐蚀性能优良以及光电磁性能优异等性能。因此，准晶材料的这种类似陶瓷材料的特性吸引了涂层技术工作者的广泛注意，由于准晶材料具有脆性大的特点，极大的限制了准晶材料的潜在应用领域，于是，准晶材料的工程应用研究目前主要集中在表面涂层和复合材料两个方面。
从涂层的技术发展与研究成果来看，准晶涂层的形成一般被认为有两个过程：第一步是固态扩散过程；第二步是准晶相的纯化过程；准晶涂层的制备方法主要分为两大类：物理气相沉积(PVD)和热喷涂方法；物理气相沉积法包括真空蒸镀、溅射沉积、激光熔融合成、离子束混合等。
在磁控溅射制备涂层时，由于溅射中粒子具有较高的能量，所以涂层与基体的结合较强，并且还能够方便地控制各个组元的成分比例，其中，
Chien等系统研究了在液氮冷却的基体上溅射沉积的Al65C20Fe15准晶涂层，发现直接沉积的涂层为非晶态，在450℃下退火后涂层变为晶态，在600℃下退火后则完全变为准晶态；
Klein等用三层金属薄层通过固态扩散形成了均匀的Al-Cu-Fe准晶涂层，同时发现金属层的沉积顺序必须为Al/Fe/Cu，否则不能形成准晶涂层；
李国红等用多靶磁控溅射结合后期高温退火的方法成功地制成了完全取向的二维I相Al-Cu-Co准晶涂层。
上述方法制备Al-Cu-Fe准晶涂层都需要经过退火热处理的过程。
[发明内容]
本发明的目的是克服现有技术的不足，采用FJL560D2型三室超高真空磁控与离子束多功能溅射镀膜设备，采用铝、铜、铁三种靶材同时进行磁控溅射，实现在不锈钢基底材料上制备铝-铜-铁准晶涂层的目的。
为实现上述目的，设计一种三靶磁控共溅射制备铝-铜-铁准晶涂层的方法，其工艺步骤依次为基底材料预处理、抽真空、调节磁控共溅射工艺参数、磁控共溅射、缓冷取出得成品，其特征在于：采用不锈钢作为基底材料；所述的磁控共溅射中采用Al靶、Cu靶和Fe靶三种靶材同时进行磁控溅射；磁控共溅射工艺参数为：Al靶溅射功率为116-125W、Cu靶溅射功率为12-13W、Fe靶溅射功率为30-38W、背底真空度为1.5×10-4Pa，充入Ar气后工作气压为2.0Pa，基底负偏压为-120V，基底温度为550℃，溅射时间为60min。
所述的基底材料预处理为：将基底材料置于丙酮溶液中超声波清洗，再将基底材料进行纯水清洗，再在无水酒精中超声波清洗，再次用清水清洗，最后烘干。
所述的不锈钢为1Cr18Ni9Ti。
所述的Al靶采用直径为60mm，厚度为3.5mm的纯度≥99.99％的纯铝靶。
所述的Cu靶采用直径为60mm，厚度为3.5mm的纯度≥99.99％的纯铜靶。
所述的Fe靶采用直径为60mm，厚度为1.8mm的纯度≥99.99％的纯铁靶。
三靶磁控共溅射制备的铝-铜-铁准晶涂层应用于机械、汽车、石化、电力、化工、航空领域。
本发明同现有技术相比，三靶磁控共溅射制备的Al-Cu-Fe准晶涂层的硬度高，摩擦系数低，具有良好的耐磨及抗高温氧化性能，镀层组织均匀和致密；采用磁控溅射的制备方法有利于控制合金靶材的成分，勿需经过退火热处理的过程；多种金属离子溅射轰击表面会产生注入效应以及增加负偏压的作用，有利于提高涂层附着力。
[具体实施方式]
下面对本发明作进一步的说明，本发明对本专业技术领域的人来说还是比较清楚的。
实施例1
选用1Cr18Ni9Ti不锈钢，经过表面预处理作为基底材料；
采用三靶进行磁控共溅射的Al靶溅射功率为120W、Cu靶溅射功率为12.8W、Fe靶溅射功率为35W；背底真空度为1.5×10-4Pa；充入Ar气后工作气压控制为2.0Pa；基底负偏压为-120V；基底温度为550℃；溅射时间为60min；
采用上述材料及工艺参数在FJL560D2型三室超高真空磁控与离子束多功能溅射镀膜设备上制备的Al-Cu-Fe准晶涂层的硬度可以达到8.2GPa，弹性模量达到184.8Gpa，涂层的摩擦系数为0.08，该涂层在10％硝酸溶液中的耐蚀性提高将近3.1倍；在500℃恒温氧化1小时，涂层的氧化增重仅为无涂层的30％，说明涂层明显提高了抗氧化性能。
实施例2
选用1Cr18Ni9Ti不锈钢，经过表面预处理作为基底材料；
采用三靶进行磁控共溅射的Al靶溅射功率为115W、Cu靶溅射功率为12.5W、Fe靶溅射功率为38W；背底真空度为1.5×10-4Pa；充入Ar气后工作气压为2.0Pa；基底负偏压为-120V；基底温度为550℃；溅射时间为60min；
采用上述材料及工艺参数在FJL560D2型三室超高真空磁控与离子束多功能溅射镀膜设备上制备的Al-Cu-Fe的硬度可以达到7.9GPa以上，弹性模量达到180.5Gpa，涂层的摩擦系数为0.09，该涂层在20％硝酸溶液中的耐蚀性提高将近2.3倍；在400℃恒温氧化1小时，涂层的氧化增重仅为无涂层的36％，证明该涂层明显提高了材料的抗氧化性。