一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法与流程

本发明涉及一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法，属于钛合金表面涂层制备。

背景技术：

1、tc4钛合金，即ti-6al-4v，它是一种广泛应用于生物医学工程、石油化工、航空航天等领域的合金材料，具有密度低、强度高、韧性和热塑性好、生物相容性好等优点。但在实际应用中，钛合金摩擦性能差的缺点导致其磨损明显，无法抵抗运动部件摩擦行为造成的磨损。且钛合金表面存在粘连现象，难以适应复杂的服役条件。这些缺陷影响了其实际应用，造成了较大的能源损失，限制了其工业应用范围。

2、为了使材料适应各种特殊环境，往往在材料表面沉积一层涂层。利用各种表面物理和化学处理方法可以使材料获得它们不具备而又需要的性能。因此，对钛合金表面进行改良是最好的方法，既能达到良好的表面物理机械性能和摩擦特性，又能保留钛合金本身的优点。

3、电镀技术目前被广泛应用，但它会污染环境，对人体健康构成威胁。热浸镀形成的镀层较电镀厚但不均匀，并且产生大量废气，造成环境污染。热喷涂涂层使用的材料非常广泛，基本上可以喷涂所有的工程固体材料。但是，热喷涂获得的涂层与基材之间的结合强度不高，涂层的抗冲击性能和重载性能较差。当需要手工操作热喷涂技术时，一般环境较差，存在噪音、粉尘、高热、辐射等问题。化学气相沉积技术的沉积速率相对较低，操作难度大，不利于批量生产。因此，有必要发明一种既满足性能要求又符合绿色环保要求、操作简单、可重复性好、便于工业生产和应用的制备方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足，本发明提供一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法。具体技术方案如下。

2、一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法，所述超声手术刀的基体采用钛合金，其特征在于，具体包括以下步骤：

3、s1.对基体表面进行预处理：将基体打磨、抛光、超声清洗、吹干；

4、s2.装材：将步骤s1预处理后的基体安装在样品旋转架上放入磁控溅射镀膜腔；

5、s3.辉光清洗：对基体进行等离子辉光清洗，清洗时间15~20min，同时启动加热器对预涂试样进行加热；

6、s4.中间涂层制备：以al靶材作为溅射原材料，ar气作为溅射气体，采用磁控溅射制备中间层al涂层；

7、s5.涂层制备：以al靶材、aln靶材同时作为溅射原材料，ar气作为溅射气体，采用磁控溅射在中间层al涂层上制备aln-al涂层，所述aln-al涂层中al的质量分数含量为1%-2%。

8、优选地，所述基体材料选用ti-6al-4v钛合金。

9、优选地，所述步骤s1中基体依次用400目、800目、1500目、2000目砂纸进行逐级打磨，然后在抛光机上抛光，随后用丙酮除油剂清洗40分钟，纯净水超声波清洗40分钟，清洗结束以后用气枪吹干。

10、优选地，所述步骤s2中，基体表面和靶材位置之间的距离为9-11cm。

11、优选地，所述步骤s3包括：抽真空至1×10-3pa，打开ar气瓶向真空膜腔充入ar气，调节ar气流量计的流量，ar气流量为55-65sccm，采用气体离子源在直流偏压的作用下对基底进行等离子辉光清洗，清洗时间为15-20min。

12、优选地，所述步骤s4中，al靶材的溅射功率为80-150w，靶材的溅射时间为45-60min，磁控溅射过程中基体温度为200-220℃。

13、优选地，所述步骤s5中，al靶材功率为10-14w，aln靶材功率为100-150w。

14、本发明的有益效果是：本发明采用上述技术方案，钛合金基体由内向外依次为al层、aln-al层组成。在钛合金基体表面一般会形成一层薄薄的tio2氧化物薄膜，氧化物对涂层的界面强度有显著影响，通常会大大降低界面的附着力。然而，根据反应动力学，铝原子可以自发地与tio2发生原位置换反应，这是一个不可逆的放热反应（kinetic evaluationof combustion synthesis 3tio2+7al→3tial+2al2o3 using non-isothermal dscmethod (materials chemistry and physics, 2005，91: 140~145))。该反应会产生大量的粘接相tial，在涂层与基材之间起到很强的连接作用，大大加强了基材与涂层之间的结合强度。加入过渡层能够有效降低涂层之间热膨胀系数的梯度差，从而降低基体间的应力大小。aln本身容易掺杂p型(al、b、be、ga、o等)，而钛合金中含有大量al元素。因此，al元素掺杂容易实现，不会对涂层的性能产生负面影响，而且通过在aln中加入微量元素al可以明显地降低aln涂层的摩擦系数，提高涂层的耐磨性；此外，在aln涂层中掺杂al的工艺也十分简单，只需要aln靶和al靶即可完成沉积。

15、本发明使用al过渡层作为涂层与基材之间的中间层，解决了两者之间的结合强度问题；al元素在薄膜中的掺杂成功地解决了aln涂层的摩擦系数高的问题。同时，中间层材料和掺杂材料都是al元素，可以简化沉积工艺和沉积设备，使得可以用双靶磁控溅射设备完成整个沉积过程。通过本发明的工艺可以获得表面光滑，无气孔、裂纹等缺陷。该方法制备涂层显著降低了涂层的应力，并且大大增强了涂层的附着力。

技术特征：

1.一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法，所述超声手术刀的基体采用钛合金，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法，其特征在于，所述基体材料选用ti-6al-4v钛合金。

3.根据权利要求1所述的一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法，其特征在于，所述步骤s1中基体依次用400目、800目、1500目、2000目砂纸进行逐级打磨，然后在抛光机上抛光，随后用丙酮除油剂清洗40分钟，纯净水超声波清洗40分钟，清洗结束以后用气枪吹干。

4.根据权利要求1所述的一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法，其特征在于，所述步骤s2中，基体表面和靶材位置之间的距离为9-11cm。

5.根据权利要求1所述的一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法，其特征在于，所述步骤s3包括：抽真空至1×10-3pa，打开ar气瓶向真空膜腔充入ar气，调节ar气流量计的流量，ar气流量为55-65sccm，采用气体离子源在直流偏压的作用下对基底进行等离子辉光清洗，清洗时间为15-20min。

6.根据权利要求1所述的一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法，其特征在于，所述步骤s4中，al靶材的溅射功率为80-150w，靶材的溅射时间为45-60min，磁控溅射过程中基体温度为200-220℃。

7.根据权利要求1所述的一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法，其特征在于，所述步骤s5中，al靶材功率为10-14w，aln靶材功率为100-150w。

技术总结
本发明公开了一种超声手术刀表面磁控溅射制备涂层的方法，所述超声手术刀的基体采用钛合金，具体包括以下步骤：S1.对基体表面进行预处理；S2.装材：将步骤S1预处理后的基体安装在样品旋转架上放入磁控溅射镀膜腔；S3.辉光清洗：对基体进行等离子辉光清洗；S4.中间涂层制备：以Al靶材作为溅射原材料，Ar气作为溅射气体，采用磁控溅射制备中间层Al涂层；S5.涂层制备：以Al靶材、AlN靶材同时作为溅射原材料，Ar气作为溅射气体，采用磁控溅射在中间层Al涂层上制备AlN‑Al涂层，所述AlN‑Al涂层中Al的质量分数含量为1%‑2%。本发明使用Al过渡层作为涂层与基材之间的中间层，解决了两者之间的结合强度问题；Al元素在薄膜中的掺杂成功地解决了AlN涂层的摩擦系数高的问题。

技术研发人员：李益民,杨境华,鄢家杰,赵志刚
受保护的技术使用者：湖南瀚德微创医疗科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14