一種金屬鉭涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種金屬鉭涂層的制備方法，采用高純度的電子束熔煉、鍛造鉭錠作為鉭源，利用最大電流300A～600A的大功率電弧源、真空度3×10-1Pa～6×10-1Pa、脈沖負(fù)偏壓200V～350V、占空比70％～90％、調(diào)節(jié)電弧源電流為175A～250A時(shí)沉積時(shí)間30min～60min條件下沉積出金屬鉭涂層。本發(fā)明靶材均勻燒蝕，材料利用率高，制備出的涂層成分不受污染，且無有毒污染物排出，綠色環(huán)保。本發(fā)明采用大功率電弧離子鍍技術(shù)沉積難熔金屬鉭涂層具有沉積速率較快，涂層均勻性好、表面平整致密，界面結(jié)合好等特點(diǎn)，解決了難熔金屬鉭涂層沉積速率低、表面易開裂和結(jié)合力差等問題。
【專利說明】—種金屬鉭涂層的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種涂層的制備方法，特別是一種大功率電弧離子鍍沉積金屬鉭涂層的制備方法，本發(fā)明屬于表面【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]難熔金屬鉭Ta由于具有高熔點(diǎn)、高延展性、極高的化學(xué)穩(wěn)定性、低熱傳導(dǎo)率和良好的導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，已成為抗高溫、耐磨以及強(qiáng)化學(xué)腐蝕等環(huán)境下的首選涂層材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器、化工、電子和通訊等領(lǐng)域。但由于內(nèi)應(yīng)力大、涂層/基體結(jié)合力差、脆性大等限制了金屬鉭涂層在苛刻服役條件下的應(yīng)用范圍。鉭涂層的制備方法目前主要有以下兩種:一是磁控濺射法，該方法具有沉積溫度較低、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，是一種常用的制備金屬鉭涂層的方法，但沉積速率低(僅lum/h~1.5um/h),制備出的鉭膜主要由β亞穩(wěn)相組成，脆性大，容易開裂和剝落。二是化學(xué)氣相沉積法，該方法主要將鉭的鹵化物(如五氯化鉭鉭Cl5)加熱蒸發(fā)作為氣源，并在一定溫度下采用氫氣還原生成鉭涂層。該方法沉積速率較磁控濺射法高，但該方法沉積溫度高(900°C~1100°C)，涂層殘余熱應(yīng)力大，表面易出現(xiàn)裂紋，此外，該方法先驅(qū)體氣源不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸入，沉積速率和涂層厚度不能穩(wěn)定控制，氣源還原后生成的鹵化氫等產(chǎn)物對環(huán)境污染嚴(yán)重，對沉積設(shè)備要求極高。
[0003]電弧離子鍍由于具有高沉積率、膜/基附著力強(qiáng)、涂層厚度均勻等優(yōu)點(diǎn)，成為制備金屬及其氮化物/碳化物涂層的主要研究方法。但現(xiàn)有電弧離子鍍技術(shù)主要用于沉積單層或多層(Ti，Al) N、TiN, ZrN等硬質(zhì)膜、裝飾膜、功能膜，離子鍍設(shè)備配備的電弧源最大電流通常低于120A，由于電弧源電流較小，還未開展難熔金屬涂層的電弧離子鍍沉積技術(shù)研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種沉積速率高、表面不易開裂和結(jié)合力好的金屬鉭涂層的制備方法，本發(fā)明針對難熔金屬鉭熔點(diǎn)高的特點(diǎn)，提出采用最大電流為300~600A的大功率電弧離子鍍沉積金屬鉭涂層的制備方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:選用高純鉭靶作為靶材置于真空室內(nèi)，通高純氬氣，氣壓保持在SXKT1Pa~6X KT1Pa ;開啟電弧源，啟動脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)脈沖負(fù)偏壓為200V~350V，占空比為70%~90% ;引燃電弧對工件鉭涂層沉積30min~60min，
其中所述高純鉭靶材為電子束熔煉、鍛造的鉭錠，其純度99.95%以上，
所述電弧源最大電流為300~600A。
[0006]調(diào)節(jié)電弧源電流為175A~250A時(shí)，鉭涂層沉積效果最佳。
[0007]所述工件與真空室內(nèi)的高純鉭靶材距離130mm~160mm，真空度6 X 10_3Pa以上，通入高純氬氣，使氣壓保持在4X KT2Pa~6X KT2Pa ;升溫至200°C~280°C，開啟陰極電源，引燃電弧源，對工件加550V~800V的脈沖負(fù)偏壓，調(diào)節(jié)占空比為45%~55%，利用陰極電弧源產(chǎn)生的金屬離子對對工件表面濺射清洗60s~120s。
[0008]所述工件在表面濺射清洗前經(jīng)常規(guī)超聲波清洗40mirT60min后吹干、再用有機(jī)溶劑對工件表面除油清洗擦試3~5次后吹干，150°C~200°C烘干60min~240min，有機(jī)溶劑選用無水乙醇或丙酮。
[0009]工件鉭涂層沉積結(jié)束前先關(guān)閉脈沖偏壓電源和電弧源，停止高純氬氣輸入，關(guān)閉高真空閥門，待工件溫度降低至80°C以下后，啟動放氣閥，打開真空室取出工件。
[0010]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
I)本發(fā)明采用高純度的電子束熔煉、鍛造鉭錠作為鉭源靶材，在大功率電弧源放電作用下，引弧容易，靶材可均勻燒蝕，材料利用率高，制備出的涂層成分不受污染，涂層鉭含量高，雜質(zhì)含量少，且無有毒污染物排出，綠色環(huán)保。
[0011]2)本發(fā)明具有沉積溫度低，沉積速率快，涂層均勻性好、表面平整致密，界面結(jié)合好等特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為實(shí)施例1在石墨基體上制備的鉭涂層的斷口形貌圖(SEM)；
圖2為實(shí)施例1在石墨基體上制備的鉭涂層的表面形貌圖(SEM)； 圖3為實(shí)施例1在石墨基體上制備的鉭涂層的XRD圖譜。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面通過實(shí)施例的方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之內(nèi)。
[0014]實(shí)施例1:
一種金屬鉭涂層的制備方法，其制備步驟包括:
工件除油清洗:將工件放入裝有去離子水的容器中，進(jìn)行超聲清洗，清洗時(shí)間為60min，然后取出吹干；再用干凈的紗布沾無水乙醇對工件表面擦試5次后吹干，最后放入干燥箱升溫至200°C烘干，烘烤時(shí)間120min。
[0015]工件放入真空室:工件與靶材距離160mm，抽真空至6 X KT3Pa以上，通入高純氬氣，使氣壓保持在6X10_2Pa。
[0016]工件濺射清洗:將真空室升溫至260°C，開啟陰極電源，引燃電弧，對工件加650V的脈沖負(fù)偏壓，調(diào)節(jié)占空比55%，對工件表面進(jìn)行濺射清洗120s。
[0017]工件鉭涂層沉積:向真空室通入高純氬氣，使氣壓保持在6X KT1Pa ;開啟電源，調(diào)節(jié)弧源電流為200A ;啟動脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)脈沖負(fù)偏壓為200V，占空比為90%;引燃電弧進(jìn)行鉭涂層沉積，沉積時(shí)間為30min。
[0018]工件鉭涂層沉積結(jié)束:關(guān)閉脈沖偏壓電源和電弧源，停止高純氬氣輸入，關(guān)閉高真空閥門，待工件溫度降低至80°C以下后，啟動放氣閥，打開真空室取出工件。
[0019]實(shí)施例2:
一種金屬鉭涂層的制備方法，其制備步驟包括:
工件除油清洗:將工件放入裝有去離子水的容器中，超聲波清洗40min，然后吹干；再用干凈的紗布沾丙酮對工件表面擦試3次后吹干，最后放入干燥箱升溫至200°C烘烤120mino
[0020]工件放入真空室:工件與靶材距離130mm，抽真空至6 X KT3Pa以上，通入高純氬氣，使氣壓保持在4X10_2Pa。
[0021]工件濺射清洗:將真空室升溫至240°C，開啟陰極電源，引燃電弧，對工件加650V的脈沖負(fù)偏壓，調(diào)節(jié)占空比45%，利用陰極電弧源產(chǎn)生的金屬離子對工件表面進(jìn)行濺射清洗，時(shí)間60s。
[0022]工件鉭涂層沉積:向真空室通入高純氬氣，使氣壓保持在5 X KT1Pa ;開啟電源，調(diào)節(jié)弧源電流為220A ;啟動脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)脈沖負(fù)偏壓為200V，占空比為70%;引燃電弧進(jìn)行鉭涂層沉積，沉積時(shí)間為30min。
[0023]工件鉭涂層沉積結(jié)束:關(guān)閉脈沖偏壓電源和電弧源，停止高純氬氣輸入，關(guān)閉高真空閥門，待工件溫度降低至80°C以下后，啟動放氣閥，打開真空室取出工件。
[0024]圖1為實(shí)施例1在石墨基體上制備的鉭涂層的斷口形貌圖(SEM)，證明電弧離子鍍技術(shù)沉積的鉭涂層沉積效率較高(7um/h~9um/h)，涂層厚度均勻，界面結(jié)合良好；圖2為實(shí)施例1在石墨基體上制備的鉭涂層的表面形貌圖(SEM)，證明電弧離子鍍技術(shù)沉積的鉭涂層表面平整致密；圖3為實(shí)施例1在石墨基體上制備的鉭涂層的XRD圖譜，證明電弧離子鍍技術(shù)沉積的鉭涂層由單一的鉭組成。
[0025]同樣按照實(shí)施例2制備的鉭涂層，其斷口形貌圖(SEM)、表面形貌圖(SEM)及XRD圖譜與實(shí)施例1基本一致，說明該鉭涂層沉積效率較高(7um/h~9um/h)，涂層厚度均勻，界面結(jié)合良好；鉭涂層表面平整致密；且由單一的鉭組成。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬鉭涂層的制備方法，其特征在于:選用高純鉭靶作為靶材置于真空室內(nèi)，通高純氬氣，氣壓保持在3X KT1Pa~6X KT1Pa ;開啟電弧源，啟動脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)脈沖負(fù)偏壓為200V~350V，占空比為70%~90%;引燃電弧對工件鉭涂層沉積30min~60min， 其中所述高純鉭靶材為電子束熔煉、鍛造的鉭錠，其純度99.95%以上， 所述電弧源最大電流為300~600A。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬鉭涂層的制備方法，其特征在于:調(diào)節(jié)鉭涂層沉積電弧源電流為175A~250A。
3.如權(quán)利要求1或2所述的金屬鉭涂層的制備方法，其特征在于:所述工件與置于真空室內(nèi)的所述高純鉭靶材距離130mm~160mm，真空度6X10_3Pa以上，通入高純氬氣，使氣壓保持在4X KT2Pa~6X KT2Pa ;升溫至200°C~280°C，開啟陰極電源，先引燃電弧、對工件加550V~800V的脈沖負(fù)偏壓、調(diào)節(jié)占空比為45%~55%，再對工件表面濺射清洗60s~120s。
4.如權(quán)利要求3所述的金屬鉭涂層的制備方法，其特征在于:所述工件在表面濺射清洗前經(jīng)去離子水超聲波清洗40mirT60min后吹干、再用無水乙醇或丙酮對工件表面擦試3~5次后吹干，150°C~200°C烘干60min~240min。
5.如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的金屬鉭涂層的制備方法，其特征在于: 工件除油清洗:將工件去離子水超聲波清洗40mirT60min后吹干；再用無水乙醇或丙酮對工件表面擦試3~5次后吹干，最后150°C~200°C烘干60mirT240min ； 工件放入真空室:工件與靶材距離130mm~160mm，抽真空至6 X KT3Pa以上，通入高純氬氣，使氣壓保持在4X 10_2 Pa~6X10_2Pa; 工件濺射清洗:將真空室升溫至200°C~280°C，開啟陰極電源，引燃電弧，對工件加550V~800V的脈沖負(fù)偏壓，調(diào)節(jié)占空比45%~55%，對工件表面濺射清洗60s~120s ； 工件鉭涂層沉積:向真空室通入高純氬氣，使氣壓保持在3 X KT1Pa~6 X KT1Pa ;開啟電源，調(diào)節(jié)電弧源電流為175A~250A ;啟動脈沖偏壓電源，調(diào)節(jié)脈沖負(fù)偏壓為200V~350V，占空比為70%~90% ;引燃電弧源進(jìn)行鉭涂層沉積30min~60min ； 工件鉭涂層沉積結(jié)束過程:關(guān)閉脈沖偏壓電源和電弧源，停止高純氬氣輸入，關(guān)閉高真空閥門，待工件溫度降低至80°C以下后，啟動放氣閥，打開真空室取出工件。
【文檔編號】C23C14/14GK104046942SQ201310078015
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月12日
【發(fā)明者】陳大軍, 吳護(hù)林, 李忠盛, 張隆平, 孫彩云, 陳曉琴 申請人:中國兵器工業(yè)第五九研究所