专利名称：铝合金表面原位生长TiAlN薄膜装置及工艺的制作方法
技术领域：
本发明铝合金表面原位生长TiAlN薄膜装置及工艺属于金属材料等离子表面改性及离子轰击化学热处理技术领域。
背景技术：
现有金属材料表面改性方法有很多，诸如磁控溅射、离子溅射等，但各种技术都有其不足之处，比如磁控溅射结合力不好，离子注入速度慢，有直射性等。铝及铝合金密度较小，强度高，导电、导热性优良，塑性和成型性很好，无低温脆性，易加工。目前，铝及铝合金材料已广泛地应用于建筑、航空、军事、汽车、航海、医疗等领域中。然而，铝的耐磨性差，腐蚀电位较负，腐蚀比较严重。作为传统的表面处理方法电镀也用在了铝合金的表面处理上，铝合金的电镀一般是为了改善装饰性、提高表面硬度和耐磨性、降低摩擦因数改善润滑性、提高表面导电性和反光率。但电镀技术污染严重，工作环境恶劣的缺点又限制了该技术的应用。氧化处理目前仍然是铝合金表面处理的主要方法，一是硬质阳极氧化，另一种是复合阳极氧化。但阳极氧化离不开电解液等有毒害物品。热喷涂应用于铝合金表面处理也获得了一定的成功，但热喷涂工作环境差的缺点对铝合金的表面处理也是不利的。
随着现代化工业的高速发展，特别是航空航天、汽车、建筑等领域的飞速发展，铝合金在各行各业中的应用将更加广泛，一些特殊条件、极端条件的特殊性要求，使得对铝合金的表面处理有更高的要求，迫使人们对铝合金的性能研究越来越高。一些成本低、污染少、 多元素、多层次的表面复合技术必将成为未来发展的主要方向，比如集离子注入、离子辅助、磁控溅射与一体的表面改性技术的应用，各种性能特点的铝膜的应用也将越来越广。国内外学者对铝合金的表面强化的研究十分重视，其中钛及钛合金的表面形成 TiAlN强化薄膜就是研究的课题之一。
发明内容
本发明铝合金表面原位生长TiAlN薄膜装置及工艺目的在于，是利用磁控溅射原理及离子注入效应，为铝合金表面改性提供一种新装置及新工艺。从而实现铝合金表面改性。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种铝合金表面原位生长TiAlN薄膜装置，该装置是在真空度可以达到1 X 10_3 5X 10-4 并能充入气体介质的真空室上，设有离子注入源；磁控溅射靶；真空系统；供气系统；离子注入控制电源；磁控溅射控制电源；旋转工件支架；以及一些辅助观察窗和测温仪，磁控溅射靶与磁控溅射控制电源连接，离子注入源与离子注入控制电源连接，真空系统、供气系统分别与装置的真空室内空间连接，离子注入源、磁控溅射靶、旋转工件支架都固定在真空室内。
上述铝合金表面原位生长TiAlN薄膜装置进行复合溅射成膜工艺，其特征在于
1)、首先由抽气系统的机械泵、分子泵将真空室抽至真空度为lX10_3PiT2X10_4Pa，
2)清洗枪通入氩气至8.4 X 10 —3 Pa,加压到400伏，束流80毫安对基片进行离子清洗 10分钟；
3)而后由供气系统4充入惰性气体氩气至气压到10—1 10_2 1 左右，接通溅射电源 (功率150W左右)，偏压200伏，产生铝粒子流对基片(7)进行磁控溅射，约5分钟；在负偏压的吸引下轰击基片(7)表面；
4)在离子注入腔内通入氮气，至气压10_3 10—2 Pa，加压到3万伏，对已经沉积铝的基片进行离子注氮，依靠N离子能量对已经沉积铝的基片轰击，在基片表面将Ti、Al、N三种元素混熔，形成TiAlN薄膜；
本发明的T i A 1 N薄膜成分多元化，可以改善铝合金表面应力分布，所得产品致密均勻、显微硬度大，结合强度高，满足铝合金表面强化的需求。
图1为本发明的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明
如图ι所示，一种铝合金表面原位生长TiAlN薄膜装置，该装置是在真空度可以达到 1 X 10_3 5 X IO-4Pa并能充入气体介质的真空室上，设有离子注入源1、磁控溅射靶2、真空系统3、供气系统4、离子注入控制电源5、磁控溅射控制电源6、旋转工件支架7以及一些辅助观察窗和测温仪，磁控溅射靶2与磁控溅射控制电源6连接，离子注入源1与离子注入控制电源5连接，真空系统3、供气系统4分别与装置的真空室内空间连接，离子注入源1、磁控溅射靶2、旋转工件支架7都固定在真空室内。上述铝合金表面原位生长TiAlN薄膜装置进行复合溅射成膜工艺，
1)、首先由抽气系统的机械泵、分子泵将真空室抽至真空度为lX10_3PiT2X10_4Pa，
2)清洗枪通入氩气至8.4 X 10 —3 Pa,加压到400伏，束流80毫安对基片进行离子清洗 10分钟；
3)而后由供气系统4充入惰性气体氩气至气压到10—1 10_2 1 左右，接通溅射电源 (功率150W左右)，偏压200伏，产生铝粒子流对基片(7)进行磁控溅射，约5分钟；在负偏压的吸引下轰击基片(7)表面；
4)在离子注入腔内通入氮气，至气压10_3 10—2 Pa，加压到3万伏，对已经沉积铝的基片进行离子注氮，依靠N离子能量对已经沉积铝的基片轰击，在基片表面将Ti、Al、N三种元素混熔，形成TiAlN薄膜。
权利要求
1.一种铝合金表面原位生长TiAlN薄膜装置，其特征在于该装置是在真空度可以达到1 X 10_3 5 X IO-4Pa并能充入气体介质的真空室上，设有离子注入源1、磁控溅射靶2、真空系统3、供气系统4、离子注入控制电源5、磁控溅射控制电源6、旋转工件支架7以及一些辅助观察窗和测温仪，磁控溅射靶与磁控溅射控制电源连接，离子注入源与离子注入控制电源连接，真空系统、供气系统分别与装置的真空室内空间连接，离子注入源、磁控溅射靶、 旋转工件支架都固定在真空室内。
2.一种采用权利要求1所述的铝合金表面原位生长TiAlN薄膜装置，其特征在于装置进行复合溅射成膜工艺是1)、首先由抽气系统的机械泵、分子泵将真空室抽至真空度为lX10_3PiT2X10_4Pa，2)清洗枪通入氩气至8.4 X 10 —3 Pa,加压到400伏，束流80毫安对基片进行离子清洗 10分钟；3)而后由供气系统4充入惰性气体氩气至气压到10—1 10_2 1 左右，接通溅射电源 (功率150W左右)，偏压200伏，产生铝粒子流对基片(7)进行磁控溅射，约5分钟；在负偏压的吸引下轰击基片(7)表面；4)在离子注入腔内通入氮气，至气压10_3 10—2 Pa，加压到3万伏，对已经沉积铝的基片进行离子注氮，依靠N离子能量对已经沉积铝的基片轰击，在基片表面将Ti、Al、N三种元素混熔，形成TiAlN薄膜。
全文摘要
本发明涉及一种铝合金表面原位生长TiAlN薄膜装置及工艺，该装置是在真空度可以达到1×10-3～5×10-4Pa并能充入气体介质的真空室上，设有离子注入源1；磁控溅射靶2；真空系统3；供气系统4；离子注入控制电源5；磁控溅射控制电源6；旋转工件支架7；以及一些辅助观察窗和测温仪。具体来讲是铝合金作基材，钛为溅射靶材，氮气为注入气体，将离子溅射技术与离子注入技术复合起来，在离子溅射腔内通入氩气，利用氩离子溅射纯钛，沉积于铝合金，并同时注入N离子。利用离子溅射均匀、颗粒细小，以及离子注入结合力好，不产生形变的特点，在铝合金表面离子溅射钛，并同时注入N离子，N离子既是注入离子也是反应元素，按照一定的工艺参数进行离子溅射和离子注入。在铝合金表面原位生长高硬度TiAlN薄膜，达到铝合金表面改性的目的。具有表面状况好，精密、可控特点。
文档编号C23C14/16GK102242346SQ201110179088
公开日2011年11月16日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者乔宪武, 余森江, 周云, 张泽栋, 张高会, 李 根, 李红卫, 郑顺奇 申请人:中国计量学院