TA15合金表面反应磁控溅射制备AlN/AlCrN薄膜的方法

摘要

本发明涉及一种TA15合金表面反应磁控溅射制备AlN/AlCrN薄膜的方法，选用TA15钛合金试样作为基体，以Al靶和AlCr合金靶(70at％Al‑30at％Cr)为溅射靶材，以氩气为工作气体，氮气为反应气体，采用磁控溅射方法在TA15合金试样表面制备出AlN/AlCrN薄膜；AlN/AlCrN薄膜厚度为3～6μm，硬度为25.69～32.18GPa；制备方法依次包括装炉、抽真空、通氩气、起辉、通氮气、保温和出炉等步骤。本发明制备得到的AlN/AlCrN薄膜与TA15基体结合良好，可有效提高钛合金表面摩擦磨损性能。

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金材料表面改性技术领域，具体涉及一种TA15合金表面反应磁控溅射制备AlN/AlCrN薄膜的方法。

背景技术

TA15合金应适用于飞机承载部分，承载架、承载梁、壁板上，及一些高温的重要的结构件。可以说，在航空制造上的发展越来越广泛。作为一个中强度的钛合金，在大飞机和新一代军机的研制中，TA15钛合金在民用飞机和新一代军用飞机的发展前景广阔。TA15是一种理想的在高温度条件下使用的材料，使用温度可高达550℃。TA15合金相对于其他的一些金属材料，具有较低的硬度、摩擦系数大、具有严重的黏着磨损等相对不足的方面。这些方面大大制约了其在一些重要部件上的应用发展，影响了其作为重要结构件的安全性和可靠性TA15合金相对于其他的一些金属材料，具有较低的硬度、摩擦系数大、具有严重的黏着磨损等相对不足的方面。这些方面大大制约了其在一些重要部件上的应用发展，影响了其作为重要结构件的安全性和可靠性。

目前主要的表面改性技术为激光熔覆、微弧氧化、热障涂层、渗硼技术、电镀技术等，但是都存在一定的缺陷，如激光熔覆制备出的涂层的韧性较低、与基体的热物理性能差别很大，容易发生裂纹出现的现象，影响其整体的力学性能。而反应磁控溅射技术是一种成熟的技术，可以根据调节工艺参数或者制备需求的化学配比的靶材来调节薄膜的特性。而且由于沉积温度不会太高、选材要求少、薄膜质量易于控制的优点得以广泛应用。

金属氮化物硬质薄膜是改善材料表面的耐磨性能的一种重要途径，金属氧化物薄膜开始发展的最早。从一开始最简单的二元氮化物TiN薄膜、CrN薄膜的出现，它们在20世纪80年代，就在各种工业领域得到了广泛的应用。这些简单的二元氮化物薄膜的硬度能达到20GPa左右、摩擦系数在0.40～0.70之间、耐热温度达到650℃。随后针对简单的二元氮化物薄膜与基体的结合力不足和性能单一的问题，人们开始进行多组元氮化物薄膜、复合氮化物薄膜和纳米多层超硬薄膜的工艺制备和研究。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种TA15合金表面反应磁控溅射制备AlN/AlCrN薄膜的方法，首先采用反应溅射法在TA15合金表上制备制备一层AlN过渡层，用来提高薄膜与基体之间的结合性能，在此基础上再制备一层AlCrN薄膜，来提高基体的耐磨性能。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

第一方面，本发明提供了一种AlN/AlCrN薄膜，AlN/AlCrN薄膜是在合金表面制备得到，AlN/AlCrN薄膜的厚度为3～6μm，AlN/AlCrN薄膜的硬度为25.69～32.18GPa。

优选地，合金为钛合金，钛合金为TA15合金；AlN薄膜的厚度为0.5～1.5μm，AlCrN薄膜的厚度为2.5～4.5μm，AlN薄膜和合金表面贴合。

优选地，AlN/AlCrN薄膜是以合金为基体，依次以Al靶和AlCr合金靶为溅射靶材，采用反应磁控溅射法制备而成。

优选地，AlCr合金靶中，Al和Cr的原子数比值为7：3，即70at％Al-30at％Cr。

优选地，反应磁控溅射法中，工作气体为氩气，反应气体为氮气，氩气和氮气的流量比为9:1。需要说明的是，工作气体是炉内的一种保护工作性气体，反应气体是形成所需要化学物薄膜AlN/AlCrN薄膜的反应成分性气体。

优选地，反应磁控溅射法中，溅射气压为0.5～0.9Pa，溅射功率为170～230W，沉积时间为2～4h，靶基距为15～25mm。

第二方面，本发明提供了一种TA15合金表面反应磁控溅射制备AlN/AlCrN薄膜的方法，包括步骤：装炉：将TA15合金和Al靶装入磁控溅射炉内，调节靶基距；抽真空：关闭磁控溅射炉体，开启循环冷却水系统，然后抽真空；通氩气：打开气体流量计、阀控开关，同时预热电源；然后打开氩气瓶阀门，调节氩气流量；起辉：调节磁控溅射炉体内的气压为3～5Pa，起辉；调节溅射气压；调节工作电压达到溅射功率；通氮气：通入氮气，调节氩气和氮气的流量比；保温：保温预设时间；出炉：保温结束后，冷却至室温，得到表面制备有AlN薄膜过渡层的TA15合金；制备AlCrN薄膜：将表面制备有AlN薄膜过渡层的TA15合金和AlCr合金靶装入磁控溅射炉内，调节靶基距；然后依次重复抽真空、通氩气、起辉、通氮气、保温和出炉的步骤，得到表面制备有AlN/AlCrN薄膜的TA15合金。

优选地，抽真空具体包括：开启机械泵，抽至8Pa以下；开启分子泵，抽至真空度为1×10^-4～3×10^-4Pa。

优选地，通氩气步骤中，调节氩气流量为20～30sccm。

优选地，装炉步骤中，靶基距为15～25mm；起辉步骤中，溅射气压为0.5～0.9Pa，溅射功率为170～230W；通氮气步骤中，氩气和氮气的流量比为9:1；保温步骤中，保温的时间为2～4h。

本发明得到了国家自然科学基金项目(基金项目代号是51474131)的资助。

本发明提供的技术方案，具有如下的有益效果：(1)本发明以TA15合金试样为基体，以Al靶和AlCr合金靶(70at％Al-30at％Cr)为溅射靶材，以氩气为工作气体，氮气为反应气体，首先制备出AlN薄膜为中间过渡层，用于增加薄膜与基体之间的结合性；此基础上再制备一层AlCrN薄膜，来提高基体的耐磨性能；(2)本发明制备得到的AlN/AlCrN薄膜与TA15基体结合良好，可有效提高钛合金表面摩擦磨损性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例中制备得到的AlN/AlCrN薄膜表面形貌图；

图2为本发明实施例中制备得到的AlN/AlCrN薄膜截面形貌图；

图3为本发明实施例中制备得到的AlN/AlCrN薄膜的XRD射线衍射谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规商店购买得到的。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。

本发明提供一种TA15合金表面反应磁控溅射制备AlN/AlCrN薄膜的方法，包括步骤：

装炉：将TA15合金试样和纯Al靶材装入磁控溅射炉内，调节靶基距为15～25mm；

抽真空：关闭磁控溅射炉体，开启循环冷却水系统，然后开启机械泵，抽至8Pa以下；开启分子泵，抽至真空度1×10^-4～3×10^-4Pa；

通氩气：打开气体流量计、阀控开关，同时预热电源；然后打开氩气瓶阀门，调节流量为20～30sccm；

起辉：调节磁控溅射炉体内的气压为3～5Pa，起辉；调节溅射工作气压为0.5～0.9Pa；调节工作电压，达到溅射功率170～230W；

通氮气：通入氮气，调节氩气和氮气的流量比为9:1进行反应溅射；

保温：保温2～4h，并观察各个参数是否正常运转；

出炉：保温结束后，按照实验流程将开关从后往前依次关闭，冷却至室温，得到表面制备有AlN薄膜过渡层的TA15合金；

制备AlCrN薄膜：将表面制备有AlN薄膜过渡层的TA15合金和AlCr合金靶(70at％Al-30at％Cr)装入磁控溅射炉内，调节靶基距为15～25mm；然后依次重复抽真空、通氩气、起辉、通氮气、保温和出炉的步骤，得到表面制备有AlN/AlCrN薄膜的TA15合金。

下面结合具体实施例对本发明提供的TA15合金表面反应磁控溅射制备AlN/AlCrN薄膜的方法作进一步说明。

实施例

本实施例提供一种TA15合金表面反应磁控溅射制备AlN/AlCrN薄膜的方法，包括步骤：

装炉：将TA15合金试样和纯Al靶材装入磁控溅射炉内，调节靶基距为20mm；

抽真空：关闭磁控溅射炉体，开启循环冷却水系统，然后开启机械泵，抽至8Pa以下；开启分子泵，抽至真空度1×10^-4Pa；

通氩气：打开气体流量计、阀控开关，同时预热电源；然后打开氩气瓶阀门，调节流量为30，保持10min；

起辉：调节磁控溅射炉体内的气压为3～5Pa，起辉；调节溅射工作气压为0.5Pa；调节工作电压，达到溅射功率230W；

通氮气：通入氮气，调节氩气和氮气的流量比为9:1进行反应溅射；

保温：保温4h，并观察各个参数是否正常运转；

出炉：保温结束后，按照实验流程将开关从后往前依次关闭，冷却至室温，得到表面制备有AlN薄膜过渡层的TA15合金；

制备AlCrN薄膜：将表面制备有AlN薄膜过渡层的TA15合金和AlCr合金靶(70at％Al-30at％Cr)装入磁控溅射炉内，调节靶基距为20mm；然后依次重复抽真空、通氩气、起辉、通氮气、保温和出炉的步骤，得到表面制备有AlN/AlCrN薄膜的TA15合金。

对实施例制备好的AlN/AlCrN薄膜进行硬度测试，具体方法如下：本实验采用Agilent G2000Nano Indenter纳米压痕试验仪对TA15基体和AlN/AlCrN薄膜选取5个点进行硬度值和弹性模量的测定，得出的平均值如表1所示，从表中可以看出，AlN/AlCrN薄膜的纳米硬度和弹性模量比基体的高，薄膜的平均纳米硬度和平均弹性模量分别为27.85GPa和274.20GPa，而基体的平均纳米硬度和平均弹性模量分别为7.93MPa和146.34GPa，分别是基体的4倍和2倍，所以较高的硬度能够保证AlN/AlCrN薄膜具有良好的耐磨性能和抗塑性变形的能力。

表1 AlN/AlCrN薄膜和TA15基体的纳米试验结果

对实施例制备好的AlN/AlCrN薄膜进行摩擦磨损测试，具体方法如下：测试设备为HT-500型球-盘高温摩擦磨损实验机，把试样固定在摩擦盘中，选用直径为4.5mm左右的GCr15钢球为对磨材料，对磨半径为2mm，测试速度为10m/min，载荷为330g，温度为20℃，磨损时间为15min。当载荷增加至330g时，合金基体的摩擦系数增大至0.67，而此时AlN/AlCrN薄膜的摩擦系数只有0.38，远小于合金基体。这证明TA15合金基体的耐摩擦性能远不及AlN/AlCrN薄膜。

表2 AlN/AlCrN薄膜和TA15基体和的摩擦磨损测试结果

摩擦系数AlN/AlCrN薄膜0.38TA150.67

本发明以TA15合金试样为基体，以Al靶和AlCr合金靶(70at％Al-30at％Cr)为溅射靶材，以氩气为工作气体，氮气为反应气体，首先制备出AlN薄膜为中间过渡层，用于增加薄膜与基体之间的结合性；此基础上再制备一层AlCrN薄膜，来提高基体的耐磨性能；本发明制备得到的AlN/AlCrN薄膜与TA15基体结合良好，可有效提高钛合金表面摩擦磨损性能。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。在这里示出和描述的所有示例中，除非另有规定，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。