一种具有涂层的钛合金紧固件及其制造方法

摘要

本发明提供了一种具有涂层的钛合金紧固件及其制造方法，该紧固件包括复合铝涂层，所述复合铝涂层包括由内向外依次层叠的结合层、共混层和功能层，该涂层结构利用中频磁控溅射的高离化率以及直流磁控溅射的高沉积速率制备而成。本发明的有益技术效果为避免了环境污染问题，同时制备的铝涂层结构致密，结合力好，可以满足紧固件长期稳定的工作，提高了钛合金紧固件的质量。

权利要求

1.一种具有涂层的钛合金紧固件，包括紧固件本体，其特征在于：所述涂层是复合铝涂层，所述复合铝涂层由内向外依次为结合层、共混层和功能层，所述共混层为纳米晶铝和微米晶铝混合层。

2.如权利要求1所述的紧固件，其特征在于：所述复合铝涂层是梯度成分渐变结构。

3.如权利要求1或2所述的紧固件，其特征在于：所述结合层为溅射镀铝层。

4.如权利要求1或2所述的紧固件，其特征在于：所述功能层为多层铝涂层。

5.一种制造具有复合铝涂层的钛合金紧固件的方法，其特征在于，依照如下步骤进行：预先对紧固件本体进行辉光清洗，

1)然后用中频溅射靶在所述紧固件本体上溅射沉积过渡金属铝，形成结合层；

2)用直流溅射靶和所述中频溅射靶在所述结合层上溅射沉积共混铝复合层，形成共混层；

3)继续用所述中频溅射靶和所述直流溅射靶在所述共混层上溅射沉积多层纳米铝涂层，形成功能层；

上述结合层、共混层、功能层形成所述复合铝涂层。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤1)是在100-450℃，

0.1-0.5Pa，-800V到-1000V的条件下进行；所述步骤2)是在100-450℃，0.3-0.8Pa，-100V到-250V的条件下进行；所述步骤3)是在100-350℃，0.2-0.8Pa，-50V到-150V的条件下进行。

7.如权利要求5或者6所述的方法，其特征在于：所述步骤1)到3)步骤是在氩气环境下进行，所述结合层、共混层、功能层的厚度分别为30-50nm、0.5-5um、5-30um。

说明书

一种具有涂层的钛合金紧固件及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及薄膜材料技术领域，尤其涉及一种具有涂层的钛合金紧固件及其制造方法和装置。

背景技术

[0002] 钛合金是飞机理想的结构材料，广泛应用于飞机结构中。但钛合金钝态电位较高，易和铝合金、复合材料连接件产生电偶腐蚀，同时也能使钛合金紧固件析氢导致氢脆，造成飞机结构破坏。在使用高强度钢和铝合金以前,电镀镉涂层作为保护飞机钢结构件的方法获得了广泛使用。采用钛合金结构件后，电镀镉也是防止钛合金紧固件与连接件之间产生电偶腐蚀的传统方法，但由于电镀镉工艺容易引起钛合金氢脆、镉的环境污染和电镀镉在钛合金使用过程中的镉脆现象，限制了钛合金紧固件在飞机结构中的应用。

[0003] 目前已发展了一些可在金属和其它材料上沉积涂层的方法，比较成熟的工艺有热浸、喷涂、包镀、电镀和物理气相沉积。前四种方法应用时常受到涂层厚度、结合力、被涂钛合金紧固件1的尺寸和形状等因素的制约，受到一定的限制。物理气相沉积方法可以得到厚度均匀、结合力好的铝涂层，其中阴极溅射、电弧离子镀弧和空心阴极沉积设备都可使用。尽管蒸发镀具有速度快的特点，但其均匀性较差，加离化装置后其附着力有所提高，可是涂层产品需要复杂的后处理，不利于大批量生产。

发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有涂层的钛合金紧固件及其制造方法和装置，其能够有效避免钛合金氢脆、镉的环境污染和电镀镉在钛合金使用过程中的镉脆现象，并且能够采用很好的制造方法和装置来制造所需涂层。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采第一方面提供一种具有涂层的钛合金紧固件，包括紧固件本体，所述涂层是复合铝涂层；

[0006] 优选地，所述复合铝涂层是梯度成分渐变结构。

[0007] 优选地，所述复合铝涂层由内向外依次为结合层、共混层和功能层。

[0008] 优选地，所述结合层为溅射镀铝层。

[0009] 优选地，所述共混层为纳米晶铝和微晶铝混合层。

[0010] 优选地，所述功能层为多层铝涂层。

[0011] 本发明第二方面提供一种制造具有复合铝涂层的钛合金紧固件的方法，其特征在于，依照如下步骤进行：预先对紧固件本体进行辉光清洗，

[0012] 1)然后用中频溅射靶在所述紧固件本体上溅射沉积过渡金属铝，形成结合层；

[0013] 2)用直流溅射靶和所述中频溅射靶在所述结合层上溅射沉积共混铝复合层，形成共混层；

[0014] 3)继续用所述中频溅射靶和所述直流溅射靶在所述共混层上溅射沉积多层铝涂层，形成功能层；

[0015] 上述结合层、共混层、功能层形成所述复合铝涂层。

[0016] 优选地，所述步骤1)是在100-450℃，0.1-0.5Pa，-800V到-1000V的条件下进行；所述步骤2)是在100-450℃，0.3-0.8Pa，-100V到-250V的条件下进行；所述步骤3)是在
100-350℃，0.2-0.8Pa，-50V到-150V的条件下进行。

[0017] 优选地，所述步骤1)到3)步骤是在氩气环境下进行，所述结合层、共混层、功能层的厚度分别为30-50nm、0.5-5um、5-30um。

[0018] 本发明第三方面提供一种制造具有复合铝涂层的钛合金紧固件的装置，其特征在于：包括真空室，位于真空室中心部位的加热器，位于真空室一侧内壁附近的第一中频溅射靶以及位于中心部位的与所述第一中频溅射靶构成对靶的第二中频溅射靶，位于真空室另一侧内壁附近的若干直流溅射靶。

[0019] 本发明的有益效果是：该涂层紧固件不但具有良好的耐腐蚀性能，同时铝涂层具有较好的附着力。采用该涂层紧固件后，不但飞机的重量有所减轻，同时避免了紧固件和铝合金构件的电偶腐蚀问题，使飞机等航空航天设备具有较好的使用可靠性。此外，传统的钛合金电镀镉会导致严重的环境污染和钛合金紧固件氢脆，严重影响钛合金紧固件的使用。而采用磁控溅射技术在钛合金紧固件上制备纳米复合铝涂层，不但避免了环境污染问题，同时制备的铝涂层结构致密，结合力好，可以满足紧固件长期稳定的工作，提高了钛合金紧固件的产品质量。

附图说明

[0020] 图1为本发明中所采用制造装置示意图；

[0021] 图2为本发明复合铝涂层结构示意图；

[0022] 图3为钛合金紧固件表面形貌；

[0023] 图4为钛合金紧固件截面金相图片。

[0024] 图中，1、钛合金紧固件2、直流溅射靶3、炉门4、抽真空口5、中频溅射靶6、炉壁7、加热器8、功能层9、共混层10、结合层11、紧固件本体

具体实施方式

[0025] 如图1所示，本发明提供了一种制造具有涂层的钛合金紧固件的装置，该装置包括真空室，真空室由炉壁6围成，真空室高度为0.5-1.5m，直径为700-1500mm。真空室侧面设有炉门3，以方便钛合金紧固件1的装卸。真空室设有抽真空口4，抽真空机组通过抽真空口4对真空室进行抽真空，抽真空机组可由扩散泵和机械泵组成，也可以采用分子泵，极限真空可以达到5×10-4Pa。真空室的中心部位为加热器7，加热功率10-30千瓦，提高加热效率。中频溅射靶5安装在炉壁左边，一个靶安装在炉壁上，另一个安装在靠炉中加热器部位，两个靶构成对靶，由交流电源供电。另外四个直流溅射靶2安装在炉壁的右边，钛合金紧固件1装在钛合金紧固件1架上。该布局使真空室中等离子体密度大幅度增加，钛合金紧固件完全浸没在等离子体中。使涂层沉积速率、硬度、附着力得到较大的提高。由于对靶结构进行了优化，磁场分布更均匀，使电弧在靶面上均匀燃烧，提高了涂层的均匀性。

[0026] 本装置制造具有涂层的钛合金紧固件的方式如下：利用中频磁控溅射的高离化率以及直流磁控溅射的高沉积速率制备铝复合涂层。为了提高涂层和钛合金紧固件基体的结合力，在辉光清洗结束后，将中频溅射靶5(对靶)打开，利用大功率中频磁控溅射制备30-50nm结合层，其过程为通入氩气，辉光放电将氩气离化，利用其高离化率，将铝原子进一步离化，在钛合金紧固件1上加上800-1000V的负高偏压，利用高偏压的吸附作用，将铝离子吸附高速运动到钛合金紧固件1的表面，形成原子级的扩散，导致最后的冶金结合。此外离化的氩离子高速击打钛合金紧固件1表面，一是可以将表面结合不牢固的铝层溅射掉；
二是打击涂层表面，让涂层变得致密，改变常规直流磁控溅射离化率低涂层附着力差的缺点。在结合层制备后，此时，中频溅射靶5继续开启，同时将直流溅射靶2开启，并且功率逐步加大，采用直流溅射靶2的目的是进一步提高涂层的沉积速率。但由于直流溅射靶2容易形成柱状晶，不利于钛合金紧固件的防腐蚀性能，为此继续开启中频溅射靶5，利用中频溅射靶5的高离化率阻断直流靶溅射铝的结晶过程，大幅度降低铝的晶粒度，将其从大柱状晶变为微米晶。由于直流靶的功率逐步增加，共混层的晶粒将从结合层的纳米晶逐步变成纳米晶和微米晶的混合体。该结构形成了梯度成分结构上的渐变，会提高表面功能层和共混层的结构相容性，降低涂层应力，提高涂层的结合力。涂层厚度控制在0.5-5um。共混层制备结束后，中频溅射和直流溅射靶共同开启，钛合金紧固件1在旋转过程中经过中频靶前面时沉积纳米晶铝层，当钛合金紧固件1旋转到直流靶前面时，将制备微米晶铝层，通过不断旋转钛合金紧固件1，将会形成纳米晶铝层和微米晶铝层构成的多层铝层的膜结构，多层膜结构一是可以降低涂层应力，二是可以提高涂层的致密度，提高抗腐蚀性能。每层中频磁控纳米晶铝层厚度为10-50nm，每层直流磁控溅射铝层厚度为50-100nm。功能层总厚度为5-30um。

[0027] 下面介绍制造具有复合铝涂层的钛合金紧固件的具体方式：

[0028] 实施例1：

[0029] 在100℃、氩气环境下，对钛合金紧固件1经过辉光清洗结束后，在0.1Pa，－800V条件沉积30nm厚的过渡金属Al结合层；在0.3Pa，－100V条件沉积0.5um厚的共混铝复合层；然后在100℃、－50V偏压、0.2Pa气压条件下沉积5um功能层；功能层中中频溅射铝纳米层厚度为20nm，直流溅射铝层纳米层厚度为80nm，制备结束后自然冷却，得到复合铝涂层钛合金紧固件。

[0030] 实施例2：

[0031] 在200℃、氩气环境下，对钛合金紧固件1经过辉光清洗结束后，在0.2Pa，－800V条件沉积40nm厚的过渡金属Al结合层；在0.4Pa，－150V条件沉积2um厚的共混铝复合层；然后在150℃、－100V偏压、0.5Pa气压条件下沉积10um功能层；功能层中中频溅射铝纳米层厚度为30nm，直流溅射铝层纳米层厚度为70nm，制备结束后自然冷却，得到复合铝涂层钛合金紧固件。

[0032] 实施例3：

[0033] 在250℃、氩气环境下，对钛合金紧固件经过辉光清洗结束后，在0.4Pa，－900V条件沉积50nm厚的过渡金属Al结合层；在0.6Pa，－250V条件沉积4um厚的共混铝复合层；然后在200℃、－150V偏压、0.5Pa气压条件下沉积20um功能层；功能层中中频溅射铝纳米层厚度为40nm，直流溅射铝层纳米层厚度为100nm，制备结束后自然冷却，得到复合铝涂层钛合金紧固件。

[0034] 实施例4：

[0035] 在450℃、氩气环境下，对钛合金紧固件经过辉光清洗结束后，在0.5Pa，－1000V条件沉积50nm厚的过渡金属Al结合层；在0.8Pa，－250V条件沉积5um厚的共混铝复合层；然后在350℃、－150V偏压、0.8Pa气压条件下沉积30um功能层；功能层中中频溅射铝纳米层厚度为15nm，直流溅射铝层纳米层厚度为90nm，制备结束后自然冷却，得到复合铝涂层钛合金紧固件。

[0036] 图2是制备得到的复合铝涂层的结构示意图，结合层10、共混层9、功能层8从内向外层叠设置在紧固件本体11的外周。

[0037] 图3为本发明所制得的复合铝涂层钛合金紧固件表面电子显微形貌，从图中可以看出涂层后的钛合金紧固件表面光滑，涂层致密。

[0038] 图4为本发明所制得的复合铝涂层钛合金紧固件截面金相显微镜形貌图，从图中可以看出涂层和基体结合良好，涂层厚度均匀。

[0039] 本发明具有如下优点：第一，与普通直流磁控溅射方法相比，本发明所采用中频磁控溅射和直流磁控溅射相结合的方法离化率高，克服了磁控溅射法离化率低导致结合力较低的问题；第二，本发明涂层结构采用三层结构，形成结构渐变，涂层和基体为冶金结合，具有良好的附着力；第三，与常规直流磁控溅射制备的柱状晶铝层相比，本发明采用中频溅射和直流溅射共沉积的方法大幅度降低铝涂层晶粒尺寸，形成纳米晶-微晶涂层。大幅度提高了涂层的致密度；第四，本发明中大功率直流溅射技术的采用，大幅度提高了涂层的沉积速率，涂层厚度，涂层厚度可达35um；五，本发明采用中频磁控溅射辅助直流磁控溅射技术与现有涂层设备相近，同时涂层设备结构简单，易于控制，工业应用前景良好。

[0040] 以上对本发明的实例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。