钛合金表面超硬减摩耐磨复合膜层的覆层方法及钛合金材料与流程

本发明涉及表面工程技术领域，尤其是涉及一种钛合金表面超硬减摩耐磨复合膜层的覆层方法及钛合金材料。

背景技术：

钛及钛合金具有密度小、重量轻、比强度高、耐海水及海洋气氛腐蚀等优点，还具有无磁性、透声、抗冲击震动及可加工性好等特点，在航空航天、船舶行业、石油化工、生物医疗以及其它民用工业等领域都得到了广泛的应用。然而钛合金的缺点也相当的明显，表面硬度低、耐磨损性能差。在滑动摩擦条件下，易与摩擦材料发生粘附，产生磨损，摩擦和磨损抗力相当低，严重限制了其应用范围。因此，通过表面工程技术提高钛合金耐磨性能成为了目前国内外研究的热点。

表面工程技术是金属或非金属经过表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，达到改变材料表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程。其工艺方法种类繁多，且许多表面工程技术已得到较充分研究或应用，并取得明显经济效益。在基体材料表面实施单一表面工程技术基础上，近年来人们又开始研究复合涂层技术，即在同一基材表面进行几种表面工程技术的叠加，几种表面工程技术发挥各自作用，改善基体表面状态，提高材料表面性能。或是几种表面工程技术在制备过程中相互发生一定的化学或冶金反应，从而形成新的复合相，改变表面层组织结构，增加界面结合强度，改善表面状态。

类金刚石(DLC)涂层由于其具有较高的硬度、低摩擦系数、高耐磨性、低的热膨胀系数等优良特性而倍受青睐，其相对于金刚石薄膜又具有许多独特的优点，如所需沉积温度低、沉积条件简单、可大面积沉积、膜层表面质量好等。在某些特殊应用场合，发挥着金刚石薄膜无法取代的重要作用，已成为解决军工民用等产品耐磨问题的首选材料。但是单层结构类金刚石涂层的承载能力较差，且内应力较大、膜基界面结合力较差，在高载荷下易于发生断裂、剥离等失效行为等不足之处严重限制了DLC的广泛应用。为了解决这一问题，国外正在研发粘结层(金属层)+承载层(耐磨层)+润滑层(DLC)这种耐磨润滑涂层体系。通过功能化梯度过渡层与承载层的设计，可使涂层的组分和微观结构沿涂层生长方向梯度渐变，显著提高涂层与基体的结合强度和涂层的抗载荷性能。

中国专利CN104138616B公布了一种医用钛及钛合金表面氧化-镀碳-类金刚石复合膜，所述复合膜是在医用钛及钛合金表面按顺序依次制备有一层氧化层、一层碳/碳化钛镀碳层和一层类金刚石层。该发明制备的复合膜由于基于原位生长具有较大膜基结合力、较大薄膜厚度，薄膜综合性能优异，而且本发明工艺简单、性价比高、可大批量生产。

技术实现要素：

本发明的目的是克服钛合金自身耐磨性差的缺点和不足，提供一种钛合金表面超硬减摩耐磨覆层方法。

本发明通过参考粘结层(金属层)+承载层(耐磨层)+润滑层(DLC)的耐磨润滑涂层体系的建立方法，利用磁控溅射技术先后在钛合金表面依次沉积纯钛薄膜(Ti)、碳氮化钛薄膜(TiCN)和类金刚石薄膜(DLC)，建立起Ti/TiCN/DLC表面增强复合覆层。使用纯钛作为打底膜层，提高碳氮化钛对于基体的结合力，而碳氮化钛含有ε-Ti₂N、δ-TiN、TiC等强韧相和硬质相，强度硬度高，具有优良的承载能力，再通过沉积类金刚石薄膜进一步改善钛合金表面的摩擦学条件，能够有效使钛合金表面摩擦系数从0.5左右，降低至<0.2。对于钛合金表面耐磨损能力具有较大提升。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种钛合金表面超硬减摩耐磨复合膜层的覆层方法，使用高纯氩(99.99％)、高纯氮(99.99％)、高纯钛(99.99％)靶材、高纯石墨(99.99％)靶材，采用磁控溅射法先后在钛合金表面依次沉积钛薄膜(Ti)、碳氮化钛薄膜(TiCN)和类金刚石薄膜(DLC)，建立起Ti/TiCN/DLC表面增强复合膜层，其中，钛薄膜作为金属粘结层，碳氮化钛薄膜作为承载层，类金刚石薄膜作为表面减摩耐磨层。

钛薄膜沉积环境氛围为高纯氩，钛靶提供钛源。

碳氮化钛薄膜沉积环境氛围为高纯氩和高纯氮，使用钛靶和石墨靶作为钛源和碳源，通过共溅射的方式得到碳氮化钛薄膜

类金刚石薄膜是在高纯氩氛围下溅射石墨靶得到。

本发明的覆层方法具体包括以下步骤：

a.将钛合金工件装入工件架上，对溅射腔抽真空；

b.将氩气通入真空腔，保持真空环境的稳定，开启工件架转动，开启离子源，对工件和靶材表面进行阳离子清洗；

c.分别调节钛靶和石墨靶与工件架的距离，准备开始镀膜；

d.气源持续供气，保持氩气氛围稳定，开启钛靶材溅射电源，在工件表面进行钛薄膜沉积；

e.当钛薄膜沉积一定时间后通入氮气，调节溅射压力，并开启石墨靶溅射电源，在钛薄膜之上沉积碳氮化钛薄膜；

f.当碳氮化钛薄膜沉积一定时间后，关闭氮源，停止通入氮气，调整氩气环境压力，并关闭钛靶材溅射电源，只保留石墨靶作为碳源，开始沉积类金刚石薄膜；

g.沉积一定时间后，关闭石墨靶，Ti/TiCN/DLC复合膜层沉积完成，停止工件架转动，关闭气路，封闭工作腔，等待工件架温度降低后取出工件。

进一步地，在步骤a所述的将钛合金工件装入工件架前，对钛合金工件表面进行清洗和烘干。

所述清洗过程主要使用乙醇或丙酮等有机溶剂进行表面超声清洗，去除表面污渍，之后在去离子水中洗去前道清洗工序的残留。烘干需要在真空或者保护气氛中进行，防止表面氧化和杂物吸附。

步骤b中，所述真空腔的真空压力为溅射镀膜的背底真空压力，应低于3.0×10^-4Pa。所述离子源工作电压为2.0～3.5Kv，离子束流为20～100mA，工作时间为20～120min；

步骤c中，控制所述钛靶和石墨靶与工件架的距离为5～10cm。

步骤d中，钛薄膜沉积过程采用直流磁控溅射方式，通入氩气流量为10～30sccm，使用的溅射压力为0.2～1.0Pa，溅射功率为150～300W，负偏压-150～0V，沉积时间为5～30min。

步骤e中，采用反应共溅射的方式在钛薄膜上沉积碳氮化钛薄膜，通入氮气流量为10～30sccm，溅射压力维持在0.2～1.5Pa，钛靶参数不变，石墨靶采用射频溅射，功率在30～100W，碳氮化钛薄膜沉积时间5～60min。

步骤f中，采用射频溅射石墨靶的方式沉积类金刚石薄膜，功率在30～100W，沉积时间5～60min。

步骤g中，所述工件架温度降低至不高于50℃方能取出。

本发明同时提供一种钛合金材料，包括钛合金基体，及在钛合金基体表面依次沉积的钛薄膜(Ti)、碳氮化钛薄膜(TiCN)和类金刚石薄膜(DLC)。

与现有技术相比，本发明中的复合膜层最内层为镀Ti层，不同于已有专利进行表面氧化热处理制备的改性层，两者分属于不同的表面工程方法，且该Ti层可以借助后续的TiCN膜层的钛源直接制备，所形成的复合覆层从与基体的结合界面到表面，Ti含量依次减少，C含量依次增加，形成成分和功能梯度膜层，性能过渡更稳定。中间承载层TiCN膜层性能介于TiC和TiN之间，其硬度优于纯TiN，而冲击性能优于TiC，更适合在摩擦磨损工况下使用，避免在使用过程中由于载荷不平稳带来的冲击作用而造成膜层剥落。本发明的钛合金表面超硬减摩耐磨覆层方法涉及的复合膜层具有较高的薄膜硬度，良好的膜基结合力，高的耐磨性和低的摩擦系数。此外，本发明工艺过程更为简单，可操作性强，可在同一台设备上完成镀膜，避免复合镀膜过程中工件的转移和重复安装，更方便实现自动化数字控制，质量稳定可靠，适用于各种钛合金工件表面的减磨耐磨增强处理。

附图说明

图1为钛合金材料的结构示意图。

图2为实施例1中覆层方法进行表面强化后的钛合金超声波切割裁刀示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

选用TC4钛合金超声波切割裁刀作为实施例基体。

具体表面超硬减摩耐磨覆层制备步骤如下：

(1)将超声波切割裁刀在乙醇中进行超声清洗，去除表面加工油污等；

(2)在去离子水中对前道除油污工序再进行清洗，去除超声波切割裁刀的清洗残留；

(3)在真空烘箱中对超声波切割裁刀进行干燥处理；

(4)将超声波切割裁刀安装在工件架上，对溅射腔抽真空至2.0×10^-4Pa；

(5)对真空腔通入氩气，氩气流量为20sccm，真空腔压力调整至0.5Pa，开启离子源2.5kV，离子束流为30mA，工作时间为30min，对超声波切割裁刀进行阳离子清洗；

(6)将钛靶和石墨靶与工件架的距离调整为8cm；

(7)在真空腔内压力稳定的情况下，开启钛靶直流电源，设置溅射功率为200W，溅射压力为0.5Pa，负偏压为-50V，对超声波切割裁刀进行钛薄膜沉积，沉积时间为15min；

(8)通入氮气，流量为25sccm，溅射压力为1.0Pa，开启石墨靶，设定射频电源输出功率为50W，与钛靶形成反应共沉积系统。沉积时间为25min；

(9)关闭氮源，停止通入氮气，关闭钛靶电源，停止溅射钛，调整真空腔内氩气工作压力为0.5Pa，其余参数不作调整，开始沉积DLC薄膜，沉积时间为30min；

(10)溅射完成，关闭石墨靶，关闭气路，封闭真空腔。等待工件架温度降至室温后取出钛合金超声波切割刀，其剖视结构如图1所述，包括钛合金基体1，及在钛合金基1体表面依次沉积的钛薄膜2、碳氮化钛薄膜3和类金刚石薄膜4。

本实施例所制备的钛合金超声波切割裁刀如图示2所示。

对同等方法制备样品测试结果为：

膜层厚度：2μm；

复合膜层硬度：2800HV0.05

摩擦系数：0.10

磨损结果：在10N接触载荷下，陶瓷球转速为300r/min，15000转后，表面仍未磨损。

实施例2

一种钛合金表面超硬减摩耐磨复合膜层的覆层方法，使用高纯氩(99.99％)、高纯氮(99.99％)、高纯钛(99.99％)靶材、高纯石墨(99.99％)靶材，采用磁控溅射法先后在钛合金表面依次沉积钛薄膜(Ti)、碳氮化钛薄膜(TiCN)和类金刚石薄膜(DLC)，建立起Ti/TiCN/DLC表面增强复合膜层，其中，钛薄膜作为金属粘结层，碳氮化钛薄膜作为承载层，类金刚石薄膜作为表面减摩耐磨层。

本实施例钛合金具体为Ti-6Al-4V。

本实施例钛合金表面超硬减摩耐磨复合膜层的覆层方法具体包括以下步骤：

a.将钛合金工件清洗烘干：清洗过程主要使用乙醇或丙酮等有机溶剂进行表面超声清洗，去除表面污渍，之后在去离子水中洗去前道清洗工序的残留，烘干需要在真空或者保护气氛中进行，防止表面氧化和杂物吸附。

b.将钛合金工件装入工件架上，对溅射腔抽真空，真空腔的真空压力为溅射镀膜的背底真空压力，应低于3.0×10^-4Pa。

c.将氩气通入真空腔，保持真空环境的稳定，开启工件架转动，开启离子源，离子源工作电压为2.0Kv，离子束流为20mA，工作时间为120min，对工件和靶材表面进行阳离子清洗；

d.分别调节钛靶和石墨靶与工件架的距离为5cm，准备开始镀膜；

e.氩气气源持续供气，通入氩气流量为10sccm，保持氩气氛围稳定，开启钛靶材溅射电源，使用的溅射压力为0.2Pa，溅射功率为150W，负偏压-150V，采用直流磁控溅射方式在工件表面进行钛薄膜沉积，沉积时间为30min；

f.当钛薄膜沉积完成后通入氮气，氮气流量为10sccm，调节溅射压力维持在0.2Pa，钛靶参数不变，并开启石墨靶溅射电源，石墨靶采用射频溅射，功率在30W，采用反应共溅射的方式在钛薄膜之上沉积碳氮化钛薄膜，碳氮化钛薄膜沉积时间60min。

g当碳氮化钛薄膜沉积完成后，关闭氮源，停止通入氮气，调整氩气环境压力，并关闭钛靶材溅射电源，只保留石墨靶作为碳源，石墨靶采用射频溅射，功率在30W，开始沉积DLC薄膜，沉积时间60min。

h.沉积完成后，关闭石墨靶，复合薄膜沉积完成，停止工件架转动，关闭气路，封闭工作腔，等待工件架温度降低至40℃后取出工件，即钛合金材料，包括钛合金基体，及在钛合金基体表面依次沉积的钛薄膜、碳氮化钛薄膜和类金刚石薄膜。

本实施例所得钛合金材料进行性能测试结果为：

膜层厚度：2.6μm；

复合膜层硬度：2760HV0.05

摩擦系数：0.11

磨损结果：在10N接触载荷下，陶瓷球转速为600r/min，12000转后，表面仍未磨损。

实施例3

一种钛合金表面超硬减摩耐磨复合膜层的覆层方法，使用高纯氩(99.99％)、高纯氮(99.99％)、高纯钛(99.99％)靶材、高纯石墨(99.99％)靶材，采用磁控溅射法先后在钛合金表面依次沉积钛薄膜(Ti)、碳氮化钛薄膜(TiCN)和类金刚石薄膜(DLC)，建立起Ti/TiCN/DLC表面增强复合膜层，其中，钛薄膜作为金属粘结层，碳氮化钛薄膜作为承载层，类金刚石薄膜作为表面减摩耐磨层。

本实施例钛合金具体为Ti-5Al-2.5Sn。

本实施例钛合金表面超硬减摩耐磨复合膜层的覆层方法具体包括以下步骤：

a.将钛合金工件清洗烘干：清洗过程主要使用乙醇或丙酮等有机溶剂进行表面超声清洗，去除表面污渍，之后在去离子水中洗去前道清洗工序的残留，烘干需要在真空或者保护气氛中进行，防止表面氧化和杂物吸附。

b.将钛合金工件装入工件架上，对溅射腔抽真空，真空腔的真空压力为溅射镀膜的背底真空压力，应低于3.0×10^-4Pa。

c.将氩气通入真空腔，保持真空环境的稳定，开启工件架转动，开启离子源，离子源工作电压为3.0Kv，离子束流为60mA，工作时间为60min，对工件和靶材表面进行阳离子清洗；

d.分别调节钛靶和石墨靶与工件架的距离为8.0cm，准备开始镀膜；

e.氩气气源持续供气，通入氩气流量为20sccm，保持氩气氛围稳定，开启钛靶材溅射电源，使用的溅射压力为0.6Pa，溅射功率为220W，负偏压-50V，采用直流磁控溅射方式在工件表面进行钛薄膜沉积，沉积时间为15min；

f.当钛薄膜沉积完成后通入氮气，氮气流量为20sccm，调节溅射压力维持在0.8Pa，钛靶参数不变，并开启石墨靶溅射电源，石墨靶采用射频溅射，功率在70W，采用反应共溅射的方式在钛薄膜之上沉积碳氮化钛薄膜，碳氮化钛薄膜沉积时间30min。

g当碳氮化钛薄膜沉积完成后，关闭氮源，停止通入氮气，调整氩气环境压力，并关闭钛靶材溅射电源，只保留石墨靶作为碳源，石墨靶采用射频溅射，功率在70W，开始沉积DLC薄膜，沉积时间30min。

h.沉积完成后，关闭石墨靶，复合薄膜沉积完成，停止工件架转动，关闭气路，封闭工作腔，等待工件架温度降低至45℃后取出工件，即钛合金材料，包括钛合金基体，及在钛合金基体表面依次沉积的钛薄膜、碳氮化钛薄膜和类金刚石薄膜。

本实施例所得钛合金材料进行性能测试结果为：

膜层厚度：2.2μm；

复合膜层硬度：2580HV0.05

摩擦系数：0.09

磨损结果：在5N接触载荷下，陶瓷球转速为200r/min，20000转后，表面仍未磨损。

实施例4

一种钛合金表面超硬减摩耐磨复合膜层的覆层方法，使用高纯氩(99.99％)、高纯氮(99.99％)、高纯钛(99.99％)靶材、高纯石墨(99.99％)靶材，采用磁控溅射法先后在钛合金表面依次沉积钛薄膜(Ti)、碳氮化钛薄膜(TiCN)和类金刚石薄膜(DLC)，建立起Ti/TiCN/DLC表面增强复合膜层，其中，钛薄膜作为金属粘结层，碳氮化钛薄膜作为承载层，类金刚石薄膜作为表面减摩耐磨层。

本实施例钛合金具体为Ti-2Al-2.5Zr。

本实施例钛合金表面超硬减摩耐磨复合膜层的覆层方法具体包括以下步骤：

a.将钛合金工件清洗烘干：清洗过程主要使用乙醇或丙酮等有机溶剂进行表面超声清洗，去除表面污渍，之后在去离子水中洗去前道清洗工序的残留，烘干需要在真空或者保护气氛中进行，防止表面氧化和杂物吸附。

b.将钛合金工件装入工件架上，对溅射腔抽真空，真空腔的真空压力为溅射镀膜的背底真空压力，应低于3.0×10^-4Pa。

c.将氩气通入真空腔，保持真空环境的稳定，开启工件架转动，开启离子源，离子源工作电压为3.5Kv，离子束流为100mA，工作时间为20min，对工件和靶材表面进行阳离子清洗；

d.分别调节钛靶和石墨靶与工件架的距离为10cm，准备开始镀膜；

e.氩气气源持续供气，通入氩气流量为30sccm，保持氩气氛围稳定，开启钛靶材溅射电源，使用的溅射压力为1.0Pa，溅射功率为300W，负偏压0V，采用直流磁控溅射方式在工件表面进行钛薄膜沉积，沉积时间为5min；

f.当钛薄膜沉积完成后通入氮气，氮气流量为30sccm，调节溅射压力维持在1.5Pa，钛靶参数不变，并开启石墨靶溅射电源，石墨靶采用射频溅射，功率在100W，采用反应共溅射的方式在钛薄膜之上沉积碳氮化钛薄膜，碳氮化钛薄膜沉积时间5min。

g当碳氮化钛薄膜沉积完成后，关闭氮源，停止通入氮气，调整氩气环境压力，并关闭钛靶材溅射电源，只保留石墨靶作为碳源，石墨靶采用射频溅射，功率在100W，开始沉积DLC薄膜，沉积时间5min。

h.沉积完成后，关闭石墨靶，复合薄膜沉积完成，停止工件架转动，关闭气路，封闭工作腔，等待工件架温度降低至50℃后取出工件，即钛合金材料，包括钛合金基体，及在钛合金基体表面依次沉积的钛薄膜、碳氮化钛薄膜和类金刚石薄膜。

本实施例所得钛合金材料进行性能测试结果为：

膜层厚度：1.8μm；

复合膜层硬度：2870HV0.05

摩擦系数：0.12

磨损结果：在20N接触载荷下，陶瓷球转速为400r/min，10000转后，表面仍未磨损。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。