一种铝合金材料及铝合金固溶处理+PVD涂层同步强化方法与流程

本发明涉及金属材料处理技术领域，更具体地，涉及一种铝合金材料及铝合金固溶处理+pvd涂层同步强化方法。

背景技术：

7000系铝合金具有优异的力学性能，尤其是高的比强度和刚度，是重要轻质结构材料，被广泛用于航空航天、高速列车、汽车、船舶和建筑等行业。经过合理成分设计、铸造、加工成型和热处理可以获得良好的力学性能。其常规热处理工艺为t6热处理，即：固溶处理+人工时效处理。固溶处理温度通常为470℃左右，固溶1～3h，然后进行人工时效处理，时效温度介于120℃～180℃之间。t6处理的7000系铝合金表面硬度高达180hv，具有较高的硬度。尽管如此，在腐蚀、磨损条件下，t6处理的7000系铝合金耐腐蚀、耐磨损性能还有待改善。需要对t6处理的7000系铝合金进行表面层处理。

目前，7000系铝合金的表面层处理常用技术：阳极氧化和微弧氧化。阳极氧化和微弧氧化处理的7000系铝合金表面硬度较大，但表面存在高密度空隙，在实际使用过程中常需要进行封孔处理，工艺复杂且效果欠佳。此外，阳极氧化和微弧氧化，存在明显的环境污染，不符合国家绿色环保发展理念。

物理气相沉积(pvd)硬质涂层具有高的表面硬度、稳定的化学惰性、良好的热稳定性和耐腐蚀性，提高了模具的使用寿命、降低生产成本和保证加工产品的质量，被广泛地应用于电子、汽车、电机、家电和通信等行业。此外，pvd技术也是一种无污染、绿色环保性表面处理技术。但是，t6处理的7000系铝合金进行pvd涂层表面处理时，由于pvd涂层温度远高于基体时效温度，微观组织发生显著变化，例如：再结晶、析出相溶解等，造成界面应力集中，pvd涂层与基体结合强度低，甚至涂层直接剥离。

因此，需要开发出pvd涂层与铝合金基体结合强度高的铝合金表面强化方法。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的pvd涂层与铝合金基体结合强度低的缺陷，提供一种铝合金固溶处理+pvd涂层同步强化方法，提供的铝合金表面强化方法在pvd炉内实现铝合金固溶处理与pvd涂层同步强化，pvd涂层与铝合金基体结合强度高，耐腐蚀和耐磨损性能好，而且，能够避免铝合金基体力学性能退化的问题。

本发明还保护上述铝合金固溶处理+pvd涂层同步强化方法制得的铝合金材料。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种铝合金固溶处理+pvd涂层同步强化方法，包括如下步骤：

s1.将轧制态或挤压态的铝合金放入pvd炉内，进行固溶处理，然后进行辉光清洗；

s2.辉光清洗后，沉积pvd涂层，然后随炉冷却；

步骤s1.中所述固溶处理的温度和辉光清洗的温度均与步骤s2.中所述沉积pvd涂层的温度相同。

本领域中，为了使铝合金获得良好的力学性能，本领域技术人员一般会先采用t6热处理工艺处理铝合金。

发明人通过大量研究发现，t6处理的7000系铝合金时人工时效温度一般远低于沉积pvd涂层时的温度，t6处理的7000系铝合金在沉积pvd涂层过程中，微观组织发生显著变化，7000系铝合金会发生回复与再结晶，且析出相显著粗化，在7000系铝合金与pvd涂层界面形成高的界面热应力，导致pvd涂层与铝合金结合强度低，甚至pvd涂层直接剥离。另外，t6处理的7000系铝合金经pvd涂层表面处理后，铝合金基体力学性能显著退化，强度达不到设计要求。

与现有处理方法显著不同的是，本发明采用轧制态或挤压态的铝合金直接进行加热、辉光清洗、沉积pvd涂层，不进行t6处理。在进行加热时，铝合金发生固溶处理，即发生回复与再结晶，析出相溶解，获得稳定态过饱和固溶体组织。沉积pvd涂层后，随炉冷却，改善pvd涂层与铝合金基体界面的结合行为，得到强化后的铝合金。

7000系铝合金耐磨及耐腐蚀有限，而pvd涂层硬度高、耐磨性能优异及化学惰性高、耐腐蚀性优异，本发明处理得到的铝合金中pvd涂层与铝合金基体结合强度高，具有高的表面硬度、优异的耐腐蚀和耐磨损性能。另外，还能够避免铝合金基体力学性能退化，获得较高的强度。

本发明提供的铝合金表面强化方法不仅限于7000系铝合金，能够适用于各种铝合金。

优选地，所述铝合金为7000系铝合金、6000系铝合金、5000系铝合金、4000系铝合金、3000系铝合金或2000系铝合金。本发明以7000系铝合金为例，进行介绍。

优选地，所述预处理包括抛光、清洗和干燥。具体地，所述预处理为，将轧制态或挤压态的铝合金进行机械抛光至粗糙度≤0.2μm，然后进行超声清洗，冷风吹干。

优选地，所述固溶处理的条件为，pvd炉的真空室的本底真空度小于1×10^-2pa。优选地，所述固溶处理的温度为420～480℃，时间为2h。

优选地，辉光清洗的条件为，pvd炉的真空室的本底真空度小于1×10^-2pa时，通入氩气并控制流量为50～200sccm，气压小于0.2pa，负偏压800v。

优选地，所述辉光清洗的温度为420～480℃。更优选地，所述辉光清洗的温度为480℃。

优选地，所述辉光清洗的时间为10～40min。更优选地，所述辉光清洗的时间为12min。

优选地，所述pvd涂层为金属陶瓷涂层。

优选地，所述金属陶瓷涂层为氮化物涂层、碳化物涂层或氧化物涂层。

优选地，所述金属陶瓷涂层为crn涂层、tin涂层、alcrn涂层、altin涂层、tic涂层、ticn涂层或al2o3涂层。

优选地，所述pvd涂层的厚度为0.5～20μm。

优选地，沉积pvd涂层的条件为，辉光清洗后，真空调节为0.1～5pa，打开转架、靶材，保持样品偏压-50～-200v，通入氮气，控制气压在0～5pa，靶材电流50～200a，沉积1～10h，制得pvd硬质膜层。

沉积pvd涂层的温度与辉光清洗的温度相同。具体地，沉积pvd涂层的温度为420～480℃。更优选地，沉积pvd涂层的温度为450℃。

优选地，所述靶材为cr靶、ti靶或alcr靶。

本发明还保护上述铝合金固溶处理+pvd涂层同步强化方法制得的铝合金材料。所述铝合金材料包括铝合金基体和沉积在所述铝合金基体表面的pvd涂层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用轧制态或挤压态的铝合金放入pvd炉内进行固溶处理，然后进行辉光清洗和沉积pvd涂层，实现铝合金固溶处理与pvd涂层同步强化。本发明处理得到的铝合金中pvd涂层与铝合金基体结合强度高，具有高的表面硬度、优异的耐腐蚀和耐磨损性能。另外，还能够避免铝合金基体力学性能退化，获得较高的强度。

附图说明

图1为实施例1和对比例1的pvd-crn涂层的膜-基结合力测试结果图。

图2为实施例1和对比例1的铝合金沉积pvd-crn涂层后在3.5wt.％氯化钠溶液中的电化学曲线图。图2中，crn表示实施例1的铝合金沉积pvd-crn涂层，t6-crn表示对比例1的铝合金沉积pvd-crn涂层。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例中的原料均可通过市售得到；实施例中，市场购买的7075铝合金为轧制态铝合金。

除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

一种铝合金表面强化方法，步骤如下：

s1.将市场购买的7075铝合金进行机械抛光至表面粗糙度≤0.2μm，然后在无水乙醇中超声清洗30分钟，再用气枪将清洗后的样品吹干后置于炉腔体内的基片架上，随炉加热至480℃，保温2h，然后进行辉光清洗：打开机械泵和分子泵将真空室的本底真空抽到小于5.0×10^-3pa，通入ar气并控制流量在100sccm，气压为小于0.2pa，样品温度480℃，负偏压800v，轰击时间10min；

s2.沉积pvd涂层：打开转架和cr靶，保持样品偏压-80v，通入n2，控制气压在3.0pa，保持样品温度480℃，靶材电流160a，沉积4h，在铝合金表面制得厚度为3μm的pvd-crn硬质膜层。

实施例2

本实施例为本发明铝合金表面强化方法的第二实施例，与实施例1不同的是，靶材为钛靶，pvd涂层为pvd-tin硬质膜层，pvd-tin硬质膜层的厚度为5μm；

其他步骤和条件与实施例1相同。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中，靶材为al70cr30靶，pvd涂层为pvd-alcrn硬质膜层，pvd-alcrn硬质膜层的厚度为5μm；

其他步骤和条件与实施例1相同。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于，将市场购买的7075铝合金先进行t6热处理；

其他步骤和条件与实施例1相同。

对比例2

本对比例与实施例2的区别在于，将市场购买的7075铝合金先进行t6热处理；

其他步骤和条件与实施例2相同。

对比例3

本对比例与实施例3的区别在于，将市场购买的7075铝合金先进行t6热处理；

其他步骤和条件与实施例3相同。

实验方法

结合力测试采用国家标准iso20502:2005，《fineceramics--determinationofadhesionofceramiccoatingsbyscratchtesting》，测试仪器为进口安东帕划痕仪，金刚石针直径为0.2mm，施加载荷为0-100n，载荷速度50n/min，测试时间为2分钟。然后利用feinano430场发射扫描电子显微镜，对划痕进行观察，将涂层开始剥落时的载荷定义为膜-基结合力。

此外，电化学曲线测试采用上海华晨电化学工作站，腐蚀液为3.5wt.％nacl溶液。

测试结果

实施例1和对比例1的pvd-crn涂层的膜-基结合力测试结果如图1所示，图1(a)为对比例1的pvd-crn涂层的膜-基结合力测试结果，图1(b)为实施例1的pvd-crn涂层的膜-基结合力测试结果，从图中可以看出，t6处理后再进行沉积pvd-crn涂层的膜-基结合力低，约为17n，而经过本发明专利处理工艺，铝合金表面pvd-crn涂层膜-基结合力为30n。

另外，实施例2的pvd-tin涂层膜-基结合力为35n，对比例2采用t6处理后再进行沉积pvd-tin涂层的膜-基结合力低，约为20n。实施例3的pvd-alcrn涂层膜-基结合力为35n，对比例3采用t6处理后再进行沉积pvd-alcrn涂层的膜-基结合力低，约为20n。

实施例1和对比例1的铝合金沉积pvd-crn涂层后在3.5wt.％氯化钠溶液中的电化学曲线如图2所示，从图中可以看出，铝合金经t6处理后再进行沉积pvd-crn涂层后腐蚀电位约为-0.40v，而经过本发明专利处理工艺，铝合金表面沉积pvd-crn涂层后腐蚀电位约为-0.37v。

另外，实施例2的铝合金表面沉积pvd-tin涂层后腐蚀电位约为-0.41v，对比例2的铝合金采用t6处理后再进行沉积pvd-tin涂层后腐蚀电位约为-0.58v。实施例3的铝合金表面沉积pvd-alcrn涂层后腐蚀电位约为-0.36v，对比例3的铝合金采用t6处理后再进行沉积pvd-alcrn涂层后腐蚀电位约为-0.44v。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。