一种大长径比内腔低温溅射α-Ta涂层的制备方法及其应用

摘要

本发明公开了一种大长径比内腔磁控溅射α‑Ta涂层的制备方法及其应用，属于磁控溅射镀膜技术领域。该方法是以大长径比内腔作为真空腔体，以圆柱磁控靶为沉积源，伸入内腔里进行沉积，其中靶材外壁与大长径比的直径差应控制在50～65mm之间，在调整磁控溅射参数后，使得管内壁表面处于辉光放电的负辉区内。大长径比管件加热至150～250℃之间。使用的电源为直流电源或脉冲电源，靶材为纯钽，工作气体为Ar，溅射功率密度为2.5W/cm2～10W/cm2之间。本发明能够沉积100％的α‑Ta涂层，其结合力和抗烧蚀性能显著优于常规的电镀铬涂层，以替代现阶段大批量使用的严重污染环境的镀铬工艺。

权利要求

1.一种大长径比内腔低温溅射α-Ta涂层的制备方法，其特征在于：该方法是以具有大长径比内腔的工件作为基材，以圆柱磁控靶为沉积源，圆柱磁控靶伸入到工件内腔中并采用磁控溅射工艺在内腔上沉积α-Ta涂层；涂层中α相的含量为100％，涂层厚度为30～120μm；

所述大长径比内腔是指：工件内腔为管状结构，内腔长径比范围为(0.2-60)：1；

所述磁控溅射过程的工艺参数为：工件加热温度为150℃～250℃，工作气体为高纯氩气，氩气分压为2.5×10-1～6.0×10-1Pa；溅射功率密度为2.5～10W/cm2；

所述磁控溅射过程中，使用的电源为直流电源或脉冲电源，靶材采用圆柱状纯钽靶材，靶材外径与工件内腔直径的差值应控制在50～65mm之间。

2.根据权利要求1所述的大长径比内腔低温溅射α-Ta涂层的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射过程中，通过调整磁控溅射参数，使所述大长径比内腔的内壁表面处于辉光放电的负辉区内。

3.根据权利要求1所述的大长径比内腔低温溅射α-Ta涂层的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射过程具体如下：所述基材的内腔中装入圆柱靶材，内腔中抽至真空至低于2×10-2Pa，基材加热至150℃～250℃；然后继续抽真空至低于1×10-2Pa；通入氩气至腔内气压为2.5×10-1～6.0×10-

1Pa后，开始溅射，溅射时间3-20小时。

4.根据权利要求3所述的大长径比内腔低温溅射α-Ta涂层的制备方法，其特征在于：所获得的涂层为微晶或者纳米晶，涂层非常致密。

5.根据权利要求1所述制备方法的应用，其特征在于：所述方法应用于身管内壁低温溅射α-Ta涂层。

说明书

一种大长径比内腔低温溅射α-Ta涂层的制备方法及其应用

技术领域：

[0001] 本发明涉及材料科学技术领域，具体为一种大长径比内腔低温溅射α-Ta涂层的制备方法及其应用。背景技术：

[0002] 美国军方早在20世纪80年代末就率先采用磁控溅射的α-Ta涂层进行防护，但以Ar为溅射气体时，身管的沉积温度需达到400℃才能实现涂层中的相结构为100％的α-Ta(Surface and Coatings Technology 120-121(1999)44-52)，低于此温度时，涂层中的相结构以β相为主，不能完全形成α相。另外，美国军方还提出采用Kr和Xe两种惰性气体作为溅射气体，在100～200℃的沉积温度下，也能够沉积出100％的α-Ta涂层(Surface and Coatings Technology 146-147(2001)344-350)。但是Kr和Xe两种惰性气体的价格极其昂贵且十分稀有，难以推广应用。另外，从美国的S.Myers研究中，可以得出当Ar气作为溅射气体时，需要基体温度超过375℃才能得到α-Ta(Surface and Coatings Technology 214(2013)38-45)，此沉积温度依然很高，会降低钢铁材料的力学性能。发明内容：

[0003] 本发明的目的是提供一种大长径比内腔低温溅射α-Ta涂层的制备方法及其应用，该方法能够在大长径比内腔上低温溅射获得α-Ta涂层，其结合力和抗烧蚀性能显著优于常规的电镀铬涂层，该方法适用于在具有各种大口径的大长径比工件内腔中制备用作抗烧蚀的防护涂层，如身管等。

[0004] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

[0005] 一种大长径比内腔低温溅射α-Ta涂层的方法，该方法是以具有大长径比内腔的工件作为基材，以圆柱磁控靶为沉积源，圆柱磁控靶伸入到工件内腔中并采用磁控溅射工艺在内腔上沉积α-Ta涂层；涂层中α相的含量为100％，涂层厚度为30～120μm。

[0006] 所述大长径比内腔是指：工件内腔为管状结构，内腔长径比范围为(0.2-60)：1。

[0007] 所述磁控溅射过程中，通过调整磁控溅射参数，使所述大长径比内腔的内壁表面处于辉光放电的负辉区内。

[0008] 所述磁控溅射过程的工艺参数为：工件加热温度为150℃～250℃，工作气体为高纯氩气，氩气分压为2.5×10-1～6.0×10-1Pa；溅射功率密度为2.5～10W/cm2。

[0009] 所述磁控溅射过程中，使用的电源为直流电源或脉冲电源，靶材采用圆柱状纯钽靶材，靶材直径与工件内腔直径的差值应控制在50～65mm之间。

[0010] 所述磁控溅射过程具体如下：

[0011] 所述基材的内腔中装入圆柱靶材，内腔中抽至真空至低于2×10-2Pa，基材加热至150℃～250℃；然后继续抽真空至低于1×10-2Pa；通入氩气至腔内气压为2.5×10-1～6.0-1
×10 Pa后，开始溅射，溅射时间3-20小时。

[0012] 所获得的涂层为微晶或者纳米晶，涂层非常致密。

[0013] 本发明方法应用于身管内腔壁面上低温溅射α-Ta涂层。

[0014] 本发明的优点及有益效果是：

[0015] 1、本发明是一种大长径比内腔低温溅射α-Ta涂层的方法，该方法可针对不同种类的大长径比内腔进行镀膜，灵活性强，镀膜均匀性好。

[0016] 2、本发明可以实现取代六价铬电镀工艺，从根源处解决了污染环境及危害人类健康的缺点。

[0017] 3、本发明操作简单，所获得的涂层为微晶或者纳米晶，涂层非常致密，所选择抗烧蚀性、耐磨及耐腐蚀性能均优异。

[0018] 4、采用本发明制备的钽涂层厚度在30～120μm，与大长径比管件内壁结合良好，而采用常规磁控溅射方法制备的钽涂层厚度超过15μm时，在沉积态下容易发生剥落。

[0019] 5、本发明用在大长径比内腔的抗烧蚀防护涂层，其结合力和抗烧蚀性能显著优于常规的电镀铬涂层，以替代现阶段大批量使用的严重污染环境的镀铬工艺。附图说明：

[0020] 图1为直径150mm的大长径比内腔溅射Ta涂层的表面和截面形貌；图中：(a)表面形貌；(b)截面形貌。

[0021] 图2为直径150mm的大长径比内腔溅射Ta涂层的XRD分析图谱。具体实施方式：

[0022] 下面通过实施例对本发明进一步详细阐述。

[0023] 本发明为一种大长径比内腔磁控溅射α-Ta涂层的方法，该方法是以大长径比内腔作为真空腔体，以圆柱磁控靶为沉积源，伸入内腔里进行沉积，其中靶材外壁与大长径比的直径差应控制在50～65mm之间，即在调整磁控溅射参数后，使得身管内壁表面处于辉光放电的负辉区内。采用加热装置将整个大长径比管件加热至150～250℃之间。使用的电源为直流电源或脉冲电源，靶材为纯钽，工作气体为Ar，溅射功率密度为2.5W/cm2～10W/cm2之间。本发明能够沉积100％的α-Ta涂层，结合力和抗烧蚀性能显著优于常规磁控溅射钽涂层。

[0024] 实施例1

[0025] 采用直径为150mm、大长径比(长径比为13：1)内腔的身管为基体，靶材纯度为99.99wt％的圆柱状钽靶材，大长径比内腔的直径与靶材外壁的直径差为60mm(调整工艺参数后，可将基体内壁置于负辉区范围内)，大长径比内腔经表面除油、清洗后装入圆柱靶材并连接真空机组；身管内真空抽至低于2×10-2Pa，打开加热器，将试样周围加热至150℃，之-3 -1
后将本底真空抽至7×10 Pa。通入氩气至4.0×10 Pa，开始溅射。使用的电源为直流电源，溅射功率密度为3.3W/cm2，沉积时间为12小时。

[0026] 对沉积后的钽涂层进行截面和表面的观察，可以看到涂层组织致密，与基体结合良好，钽涂层厚度约为80μm，如图1(a)和图1(b)所示。XRD结果分析表明涂层中不存在β-Ta衍射峰的存在，为100％的α-Ta相的衍射峰，结果如图2所示。

[0027] 实施例2

[0028] 采用直径为150mm，大长径比(长径比为20：1)内腔为基体，钽靶材纯度为99.99wt％，大长径比内腔与靶材外壁的直径差为65mm(调整工艺参数后，可将基体内壁置于负辉区范围内)，大长径比内腔经表面除油、清洗后装入圆柱靶材并连接真空机组；身管内真空抽至低于1×10-2Pa，打开加热器，将试样周围加热至250℃，之后将本底真空抽至5×
10-3Pa。通入氩气至2.5×10-1Pa，开始溅射。使用的电源为直流电源，溅射功率密度为5W/cm2，沉积时间为12小时。

[0029] 对沉积后的钽涂层进行截面和表面的观察，可以看到涂层组织致密，与基体结合良好，钽涂层厚度约为120μm。X射线衍射分析表明涂层中不存在β-Ta衍射峰的存在，为100％的α-Ta相的衍射峰。

[0030] 实施例3

[0031] 采用直径为125mm，大长径比(长径比为15：1)内腔为基体，钽靶材纯度为99.99wt％，大长径比内腔与靶材外壁的直径差为55mm(调整工艺参数后，可将基体内壁置于负辉区范围内)，身管内壁经表面除油、清洗后装入圆柱靶材并连接真空机组；身管内真空抽至低于3×10-2Pa，打开加热器，将试样周围加热至200℃，之后将本底真空抽至4×10-
3Pa。通入氩气至6.0×10-1Pa，开始溅射。使用的电源为直流电源，溅射功率密度为2.6W/cm2，沉积时间为4小时。

[0032] 对沉积后的钽涂层进行截面和表面的观察，可以看到膜层组织致密，与基体结合良好，钽涂层厚度约为30μm。X射线衍射分析表明涂层中不存在β-Ta衍射峰的存在，为100％的α-Ta相的衍射峰。

[0033] 实施例4

[0034] 采用直径为100mm，大长径比(长径比为8：1)内腔为基体，钽靶材纯度为99.99wt％，身管内壁与靶材外壁的内径差为52mm(调整工艺参数后，可将基体内壁置于负辉区范围内)，身管内壁经表面除油、清洗后装入圆柱靶材并连接真空机组；身管内真空抽至低于7×10-2Pa，打开加热器，将试样周围加热至200℃，之后将本底真空抽至5×10-3Pa。
通入氩气至6.0×10-1Pa，开始溅射。使用的电源为直流电源，溅射功率密度为3.9W/cm2，沉积时间为6小时。

[0035] 对沉积后的钽涂层进行截面和表面的观察，可以看到膜层组织致密，与基体结合良好，钽涂层厚度约为65μm。X射线衍射分析表明涂层中不存在β-Ta衍射峰的存在，为100％的α-Ta相的衍射峰。