一種金屬鉭涂層的制備方法
【專利摘要】本發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、脈沖負偏壓200V～350V、占空比70％～90％、調節電弧源電流為175A～250A時沉積時間30min～60min條件下沉積出金屬鉭涂層。本發明靶材均勻燒蝕，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，綠色環保。本發明采用大功率電弧離子鍍技術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，界面結合好等特點，解決了難熔金屬鉭涂層沉積速率低、表面易開裂和結合力差等問題。
【專利說明】—種金屬鉭涂層的制備方法

【技術領域】
[0001]本發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，本發明屬于表面【技術領域】。

【背景技術】
[0002]難熔金屬鉭Ta由于具有高熔點、高延展性、極高的化學穩定性、低熱傳導率和良好的導電性等優點，已成為抗高溫、耐磨以及強化學腐蝕等環境下的首選涂層材料，被廣泛應用于航空航天、兵器、化工、電子和通訊等領域。但由于內應力大、涂層/基體結合力差、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、表面質量好等優點，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亞穩相組成，脆性大，容易開裂和剝落。二是化學氣相沉積法，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)，涂層殘余熱應力大，表面易出現裂紋，此外，該方法先驅體氣源不能實現穩定輸入，沉積速率和涂層厚度不能穩定控制，氣源還原后生成的鹵化氫等產物對環境污染嚴重，對沉積設備要求極高。
[0003]電弧離子鍍由于具有高沉積率、膜/基附著力強、涂層厚度均勻等優點，成為制備金屬及其氮化物/碳化物涂層的主要研究方法。但現有電弧離子鍍技術主要用于沉積單層或多層(Ti，Al) N、TiN, ZrN等硬質膜、裝飾膜、功能膜，離子鍍設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研究。


【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種沉積速率高、表面不易開裂和結合力好的金屬鉭涂層的制備方法，本發明針對難熔金屬鉭熔點高的特點，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]本發明的目的是通過這樣的技術方案實現的:選用高純鉭靶作為靶材置于真空室內，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，調節脈沖負偏壓為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]調節電弧源電流為175A~250A時，鉭涂層沉積效果最佳。
[0007]所述工件與真空室內的高純鉭靶材距離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的脈沖負偏壓，調節占空比為45%~55%，利用陰極電弧源產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常規超聲波清洗40mirT60min后吹干、再用有機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，有機溶劑選用無水乙醇或丙酮。
[0009]工件鉭涂層沉積結束前先關閉脈沖偏壓電源和電弧源，停止高純氬氣輸入，關閉高真空閥門，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方案，本發明具有如下的優點:
I)本發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，雜質含量少，且無有毒污染物排出，綠色環保。
[0011]2)本發明具有沉積溫度低，沉積速率快，涂層均勻性好、表面平整致密，界面結合好等特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為實施例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為實施例1在石墨基體上制備的鉭涂層的XRD圖譜。

【具體實施方式】
[0013]下面通過實施例的方式進一步說明本發明，并不因此將本發明限制在所述的實施例范圍之內。
[0014]實施例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，進行超聲清洗，清洗時間為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的脈沖負偏壓，調節占空比55%，對工件表面進行濺射清洗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，調節弧源電流為200A ;啟動脈沖偏壓電源，調節脈沖負偏壓為200V，占空比為90%;引燃電弧進行鉭涂層沉積，沉積時間為30min。
[0018]工件鉭涂層沉積結束:關閉脈沖偏壓電源和電弧源，停止高純氬氣輸入，關閉高真空閥門，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的脈沖負偏壓，調節占空比45%，利用陰極電弧源產生的金屬離子對工件表面進行濺射清洗，時間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，調節弧源電流為220A ;啟動脈沖偏壓電源，調節脈沖負偏壓為200V，占空比為70%;引燃電弧進行鉭涂層沉積，沉積時間為30min。
[0023]工件鉭涂層沉積結束:關閉脈沖偏壓電源和電弧源，停止高純氬氣輸入，關閉高真空閥門，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，界面結合良好；圖2為實施例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沉積的鉭涂層表面平整致密；圖3為實施例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沉積的鉭涂層由單一的鉭組成。
[0025]同樣按照實施例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，界面結合良好；鉭涂層表面平整致密；且由單一的鉭組成。
【權利要求】
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，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，調節脈沖負偏壓為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.如權利要求1所述的金屬鉭涂層的制備方法，其特征在于:調節鉭涂層沉積電弧源電流為175A~250A。
3.如權利要求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的脈沖負偏壓、調節占空比為45%~55%，再對工件表面濺射清洗60s~120s。
4.如權利要求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.如權利要求1至4任一項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的脈沖負偏壓，調節占空比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，調節電弧源電流為175A~250A ;啟動脈沖偏壓電源，調節脈沖負偏壓為200V~350V，占空比為70%~90% ;引燃電弧源進行鉭涂層沉積30min~60min ； 工件鉭涂層沉積結束過程:關閉脈沖偏壓電源和電弧源，停止高純氬氣輸入，關閉高真空閥門，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 優先權日:2013年3月12日
【發明者】陳大軍, 吳護林, 李忠盛, 張隆平, 孫彩云, 陳曉琴 申請人:中國兵器工業第五九研究所