可激发多种超声波的高耐温AlN压电涂层材料及其制备方法与应用

本发明属于涂层材料的，具体涉及一种可激发多种超声波的高耐温aln压电涂层材料及其制备方法，还涉及上述aln压电涂层材料在超声检测中的应用。

背景技术：

1、螺栓类紧固件由于成本低、互换性好、安装拆卸方便等优点，是目前应用最广泛的连接方式。典型的螺栓连接形式包括螺栓、螺母和夹紧部件。当螺栓或螺母拧紧时，螺栓拉长，并产生预紧力。充分的预紧力对于确保连接和紧固性能以及提高产品可靠性至关重要。特别是航天装备所面对的工况复杂多变，通常还会遇到高温、高应力和长时间相互摩擦等恶劣工况，经常会导致螺栓连接结合部出现预紧力下降，结合面松动、滑移和发出异响等故障。最终使系统的刚度降低、结构的完整性遭到破坏、振动加剧和能量耗散增加，进而影响装备的工作性能和安全可靠性。

2、超声波检测预紧力的技术具有精度高，实时性好并且穿透力强等优点。超声测应力方法，一种为利用超声探头加耦合剂进行测量，还有在被检测件上面粘贴压电陶瓷片，以上方法都具有繁杂的操作、腐蚀问题，还需要考虑粘接剂对信号传播的影响。具有压电效应的薄膜制备方法简单，稳定性高且适用性广。将压电涂层直接沉积在螺栓表面，可以避免耦合剂或者粘接剂造成的所有不良影响，测量快捷且准确。大量研究表明，利用横波和纵波联合的方法对应力进行检测时，除了与材料自身性能及几何形状相关的常量外，只需要对螺栓空载状态下的纵波横波飞行时间以及初始温度进行测定，该方法可减少补偿因子数量并简化检测步骤，提升测量准确性。

3、目前可以被用于激发超声波的压电材料主要有zno和aln，这两种材料均为六方纤锌矿结构，其产生压电效应的性能完全取决于其结晶取向而无需极化。zno不具备良好的耐高温性，通常不能再具有较大应力和长期耐磨及高温的工况下使用。而aln压电材料具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和耐高温性能，能在多种衬底上生长，并且其外延生长温度要求低，化学计量与织构更容易控制，因此可以选择耐高温性能和力学性能更为优异的aln涂层作为激励超声的声电转换层。

4、基于此，提供一种可激发多种超声波的高耐温aln压电涂层材料及其制备方法，并将其应用于高耐温的智能螺栓的制造中，对于实现预紧力的精确无损测量具有重要的意义，也是研究人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种同时具有高力学性能，耐腐蚀性和耐高温性能，并可以激发出多种超声波的aln压电涂层的制备方法。

2、本发明的目的之二在于提供一种高力学性能、抗腐蚀性能，耐高温性能，并可以激发出多种超声波的aln压电涂层。

3、本发明的目的之三在于提供一种可激发多种超声波的高耐温aln压电涂层材料在超声检测中的应用。

4、本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供一种可激发多种超声波的高耐温aln压电涂层材料的制备方法，包括：采用al靶材，通过磁控溅射在基体表面形成aln压电功能层；

5、所述磁控溅射中，溅射温度为60～250℃，靶基距为40～80mm；通入氩气和氮气体积比为3:1～1:3的混合气体至腔体内气压为0.6～4.0pa，溅射功率为500～900w，溅射时间为3～15h。

6、在上述制备方法中，利用射频磁控溅射制备aln压电功能层，控制溅射温度为60～250℃，温度升高可以使得粒子具有更高的能量，在该温度范围内可以保证粒子具有足够的能量迁移到基体的表面沉积出aln涂层；控制氩气和氮气的体积比，能够控制真空腔体中al和n粒子的原子百分比，可以调节粒子之间的碰撞概率，可以调节涂层的生长取向；采用500～900w的溅射功率，在该溅射功率下，可以调节粒子具有的能量高低，控制制备涂层的厚度；控制沉积气压(真空腔室内通入反应气体后的压强)p＝0.6～4.0pa，靶基距(靶材与基体之间的垂直距离)为40～80mm，可调控al、n粒子的平均自由程，使得在该沉积范围内可以制备得到多种取向生长的aln涂层。在上述制备条件下，可以实现具有高力学性能，耐腐蚀性和耐高温性能，并可以激发出多种超声波的aln压电功能层的制备。

7、在本发明中，所述基体选自材质为不锈钢、铝、硬质合金、高速钢、钛等适用于超声检测的基体。

8、进一步地，在所述磁控溅射中，溅射功率越高则氩气的电离程度越大，溅射出的al粒子具有更高的动能迁移到基体表面；沉积时间的延长，涂层厚度增加，有助于提高涂层激发出超声波信号的幅值。优选地，溅射功率为800～900w，沉积时间为8～10h。

9、进一步地，所述al靶材的直径为100～160mm，al靶材的厚度为4～8mm。在本发明中，靶材的直径、厚度与磁控溅射的功率等存在一定的对应关系。本技术采用更大直径的靶材与较高的溅射功率相配合，能够使得在涂层沉积的过程中可以同时制备更多的样品，具有更高的沉积效率，易于批量生产，更加容易进行推广使用。

10、进一步地，所述aln压电功能层在基体表面的生长取向包括(002)衍射晶面、(100)衍射晶面、(101)衍射晶面、(102)衍射晶面中的一种或多种的组合。

11、进一步地，经研究发现，在本发明中，通过调整磁控溅射过程中的沉积参数，例如：氩气和氮气的体积比、沉积气压和靶基距，可以使aln压电功能层在基体表面会呈现出多种生长取向，可激发出多种超声波形，进而可根据检测需求制备出可以激发出不同超声波的aln压电涂层材料：

12、优选地，当沉积温度60～250℃，溅射功率为800～900w，当沉积气压为3.5～4.0pa，氩气和氮气体积比为1:1时，涂层呈现出高c轴取向的(002)衍射晶面，涂层在被激发的情况下能发出明显的纵波；

13、优选地，当氩气和氮气体积比为1:3时，涂层在被激发的情况下能发出明显的横波；

14、优选地，当沉积气压为0.6～2.8pa，氩气和氮气体积比为3:1～1:2时，aln压电功能层在基体表面呈现典型的多取向生长，包括(100)衍射晶面、(002)衍射晶面、(101)衍射晶面和(102)衍射晶面的多取向生长。在上述条件下，本发明制得的aln压电涂层材料在被激发的情况下能够同时发出纵波和横波的联合波。大量研究表明，利用横波和纵波联合的方法对应力进行检测时，除了与材料自身性能及几何形状相关的常量外，只需要对螺栓空载状态下的纵波横波飞行时间以及初始温度进行测定，再通过联立求解八阶多项式即能够在不标定原始应力的条件下得到螺栓实时载荷，该方法可减少补偿因子数量并简化检测步骤，减少超声信号与应力之间的转换计算存在的误差，提升测量准确性。

15、进一步地，所述制备方法包括：先在所述基体表面沉积结合层，再在所述结合层表面沉积aln压电功能层，最后在所述aln压电功能层表面沉积电极层。其中，结合层能够增加基体和涂层之间的结合力，避免在长期使用的过程中出现涂层的开裂和脱落等问题，电极层能够为基体(螺栓或钢板)提供一个外电极，使得基体两极可以施加一个稳定的电压，可以激发出超声波。结合层的材料包括cr，电极层可以采用cr、ti、ag、ag-cr、含银粉的高温胶中的一种。

16、优选地，本发明所述的制备方法，可以包括以下步骤：

17、s1、控制靶材和基体之间的距离为40～80mm，在60～250℃、真空和氩气环境中，对基体表面进行等离子刻蚀；

18、s2、以0.5～1pa、偏压为50～250v在等离子刻蚀后的基体表面沉积cr结合层；

19、s3、在所述cr结合层表面，采用磁控溅射形成aln压电功能层；

20、s4、在所述aln压电功能层表面，沉积电极层，电极层选自cr、ti、ag、ag-cr/含银粉的高温胶中的一种，即完成aln压电涂层材料的制备。

21、本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种可激发多种超声波的高耐温aln压电涂层材料，该aln压电涂层材料根据本发明目的之一所述的制备方法制得。

22、所述aln压电涂层材料由结合层、aln压电功能层和电极层组成。本发明制得的aln压电涂层材料可同时具有高力学性能，耐腐蚀性和耐高温性能，并且可以激发出多种超声波。在一些较好的实施方式中，所述高耐温aln压电涂层材料在800℃热处理退火200h，其表面形貌及超声波激发性能均未发生改变，在不需要保护层的情况下，可满足恶劣工况以及高温环境下长期使用的需求。

23、本发明实现目的之三采用的技术方案是：提供一种根据本发明目的之二所述的可激发多种超声波的高耐温aln压电涂层材料的应用，所述高耐温aln压电涂层材料激发出多种超声波形，用于螺栓的预紧力检测，或用于钢板、焊缝、钢管的缺陷检测和应力测量。

24、在一些较好的实施方式中，aln压电涂层材料的基体为智能螺栓，按照本发明提供的制备方法，在智能螺栓的表面依次沉积结合层、aln压电功能层以及电极层。根据螺栓预紧力测量的具体需求，针对性的调整aln压电涂层材料制备方法中的相关参数，使表面设有该压电涂层材料的智能螺栓能激发出不同波形(纵波、横波或纵横波)。上述特征能够简化螺栓预紧力计算步骤，提高测量精确度，且该智能螺栓的aln压电涂层还具有高力学性能、抗腐蚀性能，耐高温性能等优势，能够拓宽其工作温度区间、提升其在恶劣工况下的工作性能，延长智能螺栓的使用寿命，

25、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

26、(1)本发明提供的一种可激发多种超声波的高耐温aln压电涂层的制备方法，利用射频磁控溅射制备aln压电涂层，通过调节不同的沉积温度、溅射功率、沉积气压、氩气和氮气的流量比和靶材与基体之间的距离，可以制备出同时激发出不同波形的压电涂层材料，可以对螺栓预紧力精确测量。除此之外，aln压电涂层作为硬质涂层，不同于zno压电涂层，它具有高硬度，高耐磨性和高耐腐蚀性，不需要再额外沉积保护层，并且aln涂层具有耐高温性，在800℃下也可以长时间使用，可以在恶劣的工况下长时间使用，并且制备简单，工作效率高。

27、(2)本发明制得的aln压电涂层通过磁控溅射形成aln压电功能层，具有以下优势：第一，本发明利用压电系数高、机电耦合系数高和外延生长温度低的aln涂层，使其可以应用于各种声衰减系数较大的材料；第二，本发明中aln涂层直接沉积于螺栓表面作为激励超声的声电转换层，可以实现无损检测技术；第三，本发明aln压电涂层具有高硬度，硬度大于15gpa；第四，本发明aln压电涂层具有高耐磨性，可以做到极低的磨损率，在磨损试验中表现出优异的耐磨损性；第五，本发明aln压电涂层具有高结合强度，结合强度可以大于10mpa；第六，本发明aln压电涂层具有高耐腐蚀性，耐中性盐雾腐蚀时间大于1000h，耐碱性腐蚀性能优异，可以长期浸泡于5％的naoh溶液中，依旧可以正常使用；第七，本发明中制备的aln涂层，具有优异的耐温性能，可以在-196℃-700℃之间使用；第八，本发明中制备的aln压电涂层，具有高精确性，精确度可以小于5％；第九，本发明可以通过调节沉积温度、溅射功率、沉积气压、氩气和氮气的流量比和靶材与基体之间的距离，制备出可同时激发出超声纵波、超声纵-横波的aln压电涂层，制备方法简单可行，适应性广，可也为新型超声换能器领域提供重要的价值。

28、(3)本发明制得的aln压电涂层具有高硬度、高耐磨性，高结合力、高耐腐蚀性和优异的耐温性能，可以同时激发出超声纵-横波，可以高精度测量螺栓的预紧力，还可以用于钢板、焊缝、钢管的缺陷检测和应力测量，能够确保压电涂层在各种合金螺栓表面进行长期稳定的工作，减少其失效的可能性。同时其制备技术和设备和现有工业设备比较接近，工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的生产成本，具有广阔的推广及应用前景。