一种基于高功率脉冲磁控溅射技术的TiN/TiO2/α-Al2O3涂层制备方法

本发明属于磁控溅射，具体涉及一种基于高功率脉冲磁控溅射技术的tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法。

背景技术：

1、增材制造是利用cad技术、自动控制技术、新材料技术直接快速成型的一体化制造技术。由于其具有工艺简单、成本低、柔性高等优点，增材制造技术在各种难熔、高活性、高纯净、易污染、高性能金属材料及复杂结构件等材料制备领域有着广泛的应用前景。因此，基于增材制造复杂钛合金零件在航空航天、生物医学、航海船舶等领域越来越受到重视。增材制造钛合金的优良性能优良，同时也给其加工带来了难度。由于制造过程中不均匀的能量密度，激光增材制造的钛合金部件往往会产生孔隙和未熔化的粉末缺陷，导致表面光滑度和摩擦性能下降，且难于处理，限制其进一步广泛应用。因此，对增材制造钛合金零件进行表面处理可显著拓宽其应用领域。

2、常见的金属材料表面处理方法多种，既包括化学镀、电镀、电泳、热扩散、热喷涂这些传统的表面改性技术，还涵盖了以气相沉积、激光处理、微弧氧化、离子注入等方法为典型的现代表面改性技术。每种处理方法有其各自的优点和缺点，主要目标是为了降低金属材料的表面粗糙度，增强材料表面硬度、弹性模量、耐腐蚀磨损性等性能指标，且可以影响钛合金材料的表面电荷，化学成分，微观结构，耐腐蚀性和生物相容性等。

3、涂层的特点是涂层薄膜与基体相结合，提高基体的耐磨性而不降低基体的韧性，从而降低基体与应用环境的摩擦因素，延长被保护构件的使用寿命。然而，随着部分构件使用条件越来越苛刻，不仅对涂层硬度提出了更高的要求，还要求涂层材料具有良好的自润滑性能，才能有效地改善增材制造钛合金的使用性能。tin涂层属于一种典型的pvd方法制备的保护性硬质涂层。其具有高硬度，与被加工材料，尤其是有色金属材料较低的亲和性，适用于多种有色金属加工以及耐腐蚀等领域的应用。为了进一步提高其膜层的耐高温性能、提高其硬度尤其是复杂使用环境下的化学稳定性能，o元素加入可以在一定程度上实现提高。tin/tio2/α-al2o3涂层材料具有较好热稳定性和化学稳定性。

4、增材制造钛合金的优良性能优良，同时也给其加工带来了难度。由于制造过程中不均匀的能量密度，激光增材制造的钛合金部件往往会产生孔隙和未熔化的粉末缺陷，导致表面光滑度和摩擦性能下降，且难于处理，限制其进一步广泛应用。因此，对增材制造钛合金零件进行表面处理可显著拓宽其应用领域。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种基于高功率脉冲磁控溅射技术的tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法，以得到高硬度、热稳定性强、低摩擦系数的tin/tio2/α-al2o3涂层。

2、为实现上述目的，本发明提供一种tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法，包括以下步骤：

3、s1、对基体进行离子清洗：对基体抛光处理后，依次使用无水酒精和丙酮超声清洗，然后真空环境中，进行功率为1000～1500w离子轰击，得到清洗后的基体；

4、s2、在清洗的基体上溅射tin过渡层：将步骤s1中得到的清洗后的基体，停留在ti靶之前，通过功率为8-15kw的脉冲反应溅射获得tin过渡层，得到溅射tin过渡层的基体；

5、s3、制备tio2涂层：将步骤s2中得到的溅射tin过渡层的基体，停留在ti靶之前，通过功率为10-15kw脉冲反应溅射获得tio2过渡层，得到tin/tio2涂层；

6、s4、将步骤s3中制备的tin/tio2涂层，停留在al靶之前，靶功率调整为10-18.5kw通过高功率脉冲反应溅射获得α-al2o3层，得到tin/tio2/α-al2o3涂层。

7、优选的，步骤s1中所述真空环境为抽真空到6×10-3pa后，通入ar气至维持真空度在0.4-0.8pa的环境。

8、优选的，步骤s1中所述超声清洗的功率为15-30khz，时间为10-15min；步骤s1中所述离子轰击的时间为30min。

9、优选的，完成步骤s3后返回步骤s2继续溅射，重复若干次，得到tin/α-al2o3多层涂层。

10、优选的，步骤s2中脉冲反应溅射的条件包括脉冲频率1000-5000hz，脉冲宽度50-100us，最大峰值电流200-350a，气压为0.4-0.8pa，ar气流量：150-300sccm，n2气流量：75-200sccm。

11、优选的，步骤s3中脉冲反应溅射的条件包括脉冲频率1500-5000hz，脉冲宽度50-150us，最大峰值电流200-350a，气压为0.4-0.8pa，沉积温度450-500℃范围，ar气流量150-300sccm，o2气流量50-150sccm。

12、优选的，调节气流量的方法包括在ar气体流量保持150-300sccm不变的情况下，再充入o2气流量至50-150sccm。

13、优选的，步骤s4中脉冲反应溅射的条件包括ar气流量为50-450sccm；o2气体流量为50-150sccm，总气压范围为0.4-0.8pa，脉冲频率1000-5000hz，最大峰值电流200a。

14、本发明提供一种所述tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法制备得到的tin/tio2/α-al2o3涂层。

15、优选的，tin过渡层的厚度为3.0-10.0μm；tio2过渡层的总厚度分别为2-7μm；α-al2o3涂层的总厚度为0.4～0.5μm。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果：

17、高功率脉冲磁控溅射技术(hipims)其特征峰值电流密度是传统磁控溅射技术的两个数量级以上；依靠此瞬时高能量密度所制备的涂层具有很多传统磁控溅射技术或者电弧离子镀技术不具备的优点，比如优良的膜基结合力、致密的涂层结构和光滑的涂层表面。

18、本发明综合利用了高功率脉冲磁控溅射制备的tin/tio2/α-al2o3涂层具有高硬度、高热稳定性和低摩擦系数的优点，兼具高硬度和低摩擦的涂层，得到的多层涂层的硬度可达到27gpa以上，同时具有低于0.1的摩擦系数，具有较高的热稳定性和化学稳定性，能够弥补增材制造钛合金在使用中的不足，拓宽增材制造钛合金工作环境和应用领域。

19、本发明的制备方法还具有工艺简单、成本低、效率的等优点，使用此高功率脉冲磁控溅射制备tin/tio2/α-al2o3多层结构保护性涂层尚属首创。

技术特征：

1.一种tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法，其特征在于，步骤s1中所述真空环境为抽真空到6×10-3pa后，通入ar气至维持真空度在0.4-0.8pa的环境。

3.根据权利要求1所述tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法，其特征在于，步骤s1中所述超声清洗的功率为15-30khz，时间为10-15min；所述离子轰击的时间为30min。

4.根据权利要求1所述tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法，其特征在于，步骤s2中脉冲反应溅射的条件包括脉冲频率1000-5000hz，脉冲宽度50-100us，最大峰值电流200-350a，气压为0.4-0.8pa，ar气流量：150-300sccm，n2气流量：75-200sccm。

5.根据权利要求1所述tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法，其特征在于，步骤s3中脉冲反应溅射的条件包括脉冲频率1500-5000hz，脉冲宽度50-150us，最大峰值电流200-350a，气压为0.4-0.8pa，沉积温度450-500℃范围，ar气流量150-300sccm，o2气流量50-150sccm。

6.根据权利要求5所述tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法，其特征在于，调节气流量的方法包括在ar气体流量保持150-300sccm的情况下，再充入o2气流量至50-150sccm。

7.根据权利要求1所述tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法，其特征在于，完成步骤s3后返回步骤s2继续溅射，重复若干次，得到tin/α-al2o3多层涂层。

8.根据权利要求1所述tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法，其特征在于，步骤s4中脉冲反应溅射的条件包括ar气流量为50-450sccm；o2气体流量为50-150sccm，总气压范围为0.4-0.8pa，脉冲频率1000-5000hz，最大峰值电流150-350a。

9.一种权利要求1-8任一所述tin/tio2/α-al2o3涂层制备方法制备得到的tin/tio2/α-al2o3涂层。

10.根据权利要求9所述tin/tio2/α-al2o3涂层，其特征在于，tin过渡层的厚度为3.0-10.0μm；tio2过渡层的总厚度分别为2-7μm；α-al2o3涂层的总厚度为0.4～0.5μm。

技术总结
本发明公开一种基于高功率脉冲磁控溅射技术的TiN/TiO2/α‑Al2O3涂层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对基体进行离子清洗；S2、停在Ti靶前，功率为8‑15kW的脉冲反应溅射获得TiN过渡层；S3、再停在Ti靶前，功率为10‑15kW脉冲反应溅射获得TiO2过渡层；S4、再停在Al靶前，高功率脉冲反应溅射获得α‑Al2O3层，即得。本发明综合利用了高功率脉冲磁控溅射制备的TiN/TiO2/α‑Al2O3涂层具有高硬度、高热稳定性和低摩擦系数的优点，得到的多层涂层的硬度可达到27GPa以上，同时具有低于0.1的摩擦系数，具有较高的热稳定性和化学稳定性。

技术研发人员：李建中,冯利民,何哲秋,吴静怡,胡剑南,石俊杰,高宣雯,于凯
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13