本發明涉及一種合金表面處理方法，尤其涉及一種鎂合金表面的處理方法。

背景技術：

鎂合金具有密度小、比強度高、阻尼性能及生物相容性好等優異特性，在交通、航天、信息、及醫用等領域具有廣闊的應用前景。然而，目前鎂合金材料研究領域中仍存在兩個關鍵問題：一是鎂合金的電極電位低，耐腐蝕性差，在潮濕空氣、含硫氣氛和海洋以及人體環境中均會發生嚴重的腐蝕；二是鎂合金質地軟，硬度較低，作為結構材料易因磨損失效而導致構件報廢。通過在鎂合金基體上制備耐磨、耐蝕表面改性涂層材料，被認為是目前有效改善其耐磨損性和耐腐蝕性的一種有效途徑。

類金剛石碳(Diamond-like Carbon，DLC)薄膜是一種非晶碳膜材料的統稱，主要由金剛石相的C-sp3雜化鍵和石墨相C-sp2鍵混合而成，具有高硬度、高熱導率、低摩擦系數，極好的耐蝕性、光學透過性、及生物相容性，是機械、電子、汽車、航空、醫學、光學等領域的理想材料。因此，在“輕量化”要求日益緊迫的今天，開展在鎂合金表面制備DLC薄膜的研究工作具有較高的科學價值和工程意義。

相關文獻可以參考申請號為200810150859.5的中國發明專利申請公開《在鎂合金表面制備類金剛石復合涂層的方法》(申請公布號為CN101665941A)，該申請通過微弧氧化處理和磁控濺射法沉積摻鈦DLC薄膜。

又如申請號為N201010177252.3的中國發明專利申請《兼具耐蝕性和耐磨性的鎂合金表面氣相沉積防護涂層及其制備方法》(申請公布號為CN102251213A)，該申請在鎂合金表面氣相沉積防護涂層是一種無需過渡層，能直接沉積在鎂合金表面的鋁摻雜類金剛石涂層。

類似的還可以參考申請號為201110319143.5的中國發明專利申請《鎂合金上低溫制備高性能硅摻雜類金剛石膜層的方法》(申請公布號為CN102352510A)。

然而，鎂合金基體與DLC薄膜存在顯著的彈性模量與硬度差異，成為制約DLC薄膜表面改性鎂合金應用的關鍵因素。一方面，在鎂合金這一化學活性高、質地軟的材料表面制備高硬度DLC薄膜的難度較大。另一方面，薄膜沉積過程中不可避免地積聚高殘余應力，不僅導致膜基結合力差，薄膜易剝落失效，同時也極大地限制了厚膜的生長，使其應用受到極大限制。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述的技術現狀而提供一種結合強度高的鎂合金表面類金剛石碳膜的制備方法。

本發明所要解決的技術問題是針對上述的技術現狀而提供一種高耐磨和自潤滑性能的鎂合金表面類金剛石碳膜的制備方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種鎂合金表面類金剛石碳膜的制備方法，其特征在于包括如下步驟：

①對鎂合金基材表面進行清洗和噴砂粗化處理，得到處理好的基材；

②采用冷噴涂在基材表面噴涂一種金屬或金屬陶瓷涂層，在鎂合金基材表面得到冷噴涂中間層；

③將冷噴涂中間層進行拋光處理以達到設定的粗糙度；

④將拋光處理后的帶有冷噴涂中間層的鎂合金基材置于磁控濺射沉積設備中，設定鍍膜工藝參數后，在冷噴涂中間層表面制備類金剛石碳膜。

作為優選，步驟①中所述的噴砂粗化處理條件為：噴砂壓力為0.3～1.0MPa，噴砂時間為10～30s，噴砂用砂丸目數為40～200目。

作為優選，步驟②中所述的金屬或金屬陶瓷材料為420不銹鋼、304不銹鋼、316L不銹鋼、WC-12Co、WC-17Co、WC-CoCr或WC-NiCr。

作為優選，步驟②中所述的金屬或金屬陶瓷涂層的厚度為100um～1mm。

作為優選，步驟②中所述的冷噴涂條件為：工作氣體預熱溫度為500～800℃，壓力為2.5～3.5MPa，噴涂距離為20～40mm，噴槍移動速度為50～400mm/s，噴涂氣體為氦氣或氮氣。

作為優選，步驟③所述的拋光處理采用機械、電解或化學拋光處理，并且，拋光后粗糙度Ra達到0.1～0.6。

作為優選，步驟④所述的鍍膜工藝參數為：沉積過程中，通入高純氬氣與甲烷混合氣體，腔體氣壓為0.6～1.0Pa，氬氣與甲烷氣體的質量流量比為65/45～85/45，基底脈沖偏壓為-200～-400V，脈沖占空比為20％～60％，沉積1.5～3.5h后冷卻。

作為優選，步驟④所述的類金剛石碳膜厚度為0.5～2.5um。

作為優選，所述的類金剛石碳膜硬度介于15～25GPa之間，內應力介于0.2～0.6GPa之間，膜基結合力介于20～30N之間，在大氣環境下，所述的類金剛石碳膜與GCr15鋼球對偶配副時的干摩擦系數在0.08～0.12之間。

與現有技術相比，本發明以鎂合金材料為基材，在其表面首先利用冷噴涂技術引入金屬或金屬陶瓷涂層作為中間層，然后在該中間層表面制備DLC薄膜，從而形成具有優異性能的冷噴涂/DLC復合涂層，該復合涂層的優異性能表現如下：

第一，冷噴涂金屬或金屬陶瓷涂層作為中間層，對鎂合金基材的熱影響小，基材不會發生氧化、變形，涂層結合致密、具有較高的結合強度，且其工藝簡單、環保、涂層結構可控。

第二，DLC薄膜具有較強膜基界面結合狀態，有利于提高膜基體系的摩擦學特性，保證了薄膜具有高硬度、低摩擦系數和優異的耐磨性能。

冷噴涂是近年來發展起來的一種新型涂層制備技術，它利用壓縮氣體(空氣、N2、He)加速金屬粒子到臨界速度(超音速)，金屬粒子撞擊基體表面后發生劇烈塑性變形，牢固附著在基體表面并不斷堆積形成涂層，獲得的涂層熱應力小、致密性好、孔隙率低、結合強度高、厚度易于控制。同時，冷噴涂技術具有成本低、效率高、環保、可實現復合涂層沉積的特點，使其受到廣泛關注。目前冷噴涂可以沉積Ni、Ti、Cu、NiCr、MCrAlY、不銹鋼等金屬材料和WC-Co、WC-NiCr等金屬陶瓷材料。與傳統熱噴涂相比，冷噴涂在低于粉末粒子熔點的溫度下形成涂層。

冷噴涂技術減小甚至消除了高溫氧化、相變結晶、殘余應力等傳統熱噴涂方法中存在的有害因素，已成為在鎂合金基材上制備表面強化涂層最有效的方法之一。因此，通過冷噴涂技術在鎂合金表面制備一層致密、結合強度高、且適合DLC薄膜沉積的金屬或金屬陶瓷中間層，在不破壞鎂合金基材性能的前提下，可以顯著改善鎂合金基材的承載能力，隨后沉積的DLC薄膜可以較好地生長在中間層表面，起到良好的潤滑和耐磨效果，該復合涂層技術可以用于各種鎂合金部件的強化及自潤滑耐磨防護

因此，本發明鎂合金表面冷噴涂/DLC復合涂層是一種兼具優異潤滑和耐磨特性的復合涂層。冷噴涂/DLC復合涂層與鎂合金基材具有優異的膜基結合力，保證其具有優異的力學性能，能夠實現鎂合金基材表面性能的大幅度改善，促進鎂合金在不同領域的工程化應用。本發明提供的方法在不破壞鎂合金基材自身性能的前提下，通過冷噴涂和磁控濺射技術在鎂合金表面實現了抗磨與固體潤滑一體化的效果，所用的兩種工藝穩定，適合工業化生產

附圖說明

圖1為鎂合金表面類金剛石碳膜及冷噴涂中間層的示意圖。

圖2為實施例1中鎂合金表面冷噴涂WC-17Co中間層截面電鏡照片。

圖3為實施例1中冷噴涂WC-17Co中間層及類金剛石碳膜的電鏡照片。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。

實施例1：

A、依次對鎂合金基材表面進行丙酮清洗和噴砂粗化處理，得到處理好的基材。噴砂壓力為1.0MPa，噴砂時間為30s，噴砂用砂丸目數為200目。

B、利用冷噴涂技術在步驟A得到的基材上噴涂一層厚度為300um的冷噴涂WC-17Co涂層，在鎂合金基材表面得到所述的冷噴涂中間層。冷噴涂的工藝參數為：工作氣體預熱溫度為800℃，壓力為3.0MPa，噴涂距離為20mm，噴槍移動速度為400mm/s，噴涂氣體為氦氣。

C、將步驟B中得到的冷噴涂WC-17Co涂層進行機械拋光處理，使其粗糙度Ra達到0.4。

D、在磁控濺射設備中，在步驟C中得到的拋光后冷噴涂WC-17Co涂層表面沉積厚度為1.5um的類金剛石碳膜。沉積過程中，通入高純氬氣與甲烷混合氣體，腔體氣壓維持在0.8Pa，氬氣與甲烷氣體的質量流量比為65/45，基底脈沖偏壓為-200V,脈沖占空比為40％,沉積2.5h后冷卻，最后成功制備出類金剛石碳膜。

所制備的鎂合金表面如圖1所示，鎂合金基材1上是冷噴涂WC-17Co涂層2，冷噴涂WC-17Co涂層2上成型類金剛石碳膜3。

類金剛石碳膜的截面電鏡形貌如附圖2和圖3所示。可以看到，所制備的冷噴涂WC-17Co涂層和類金剛石碳膜都具有極其致密的結構。所制備的類金剛石碳膜的硬度為25GPa，內應力為0.5GPa，膜基結合力為30N，類金剛石碳膜與GCr15鋼球對偶配副時的干摩擦系數為0.09，表明所制備的鎂合金表面類金剛石碳膜具有硬度高、摩擦系數低、附著力好、涂層質量優良等特點。

實施例2：

A、依次對鎂合金基材表面進行丙酮清洗和噴砂粗化處理，得到處理好的基材。噴砂壓力為0.5MPa，噴砂時間為20s，噴砂用砂丸目數為100目。

B、利用冷噴涂技術在步驟A得到的基材上噴涂一層厚度為1mm的316L不銹鋼涂層，在鎂合金基材表面得到所述的冷噴涂中間層。冷噴涂的工藝參數為：工作氣體預熱溫度為600℃，壓力為2.5MPa，噴涂距離為30mm，噴槍移動速度為200mm/s，噴涂氣體為氮氣。

C、將步驟B中得到的冷噴涂中間層進行機械拋光處理，使其粗糙度Ra達到0.1。

D、在磁控濺射設備中，在步驟C中得到的拋光后冷噴涂中間層表面沉積厚度為1um的類金剛石碳膜。沉積過程中，通入高純氬氣與甲烷混合氣體，腔體氣壓維持在0.6Pa，氬氣與甲烷氣體的質量流量比為65/45，基底脈沖偏壓為-300V,脈沖占空比為50％,沉積2.0h后冷卻，最后成功制備出類金剛石碳膜。

所制備的類金剛石碳膜的硬度為16GPa，內應力為0.4GPa，膜基結合力為20N，類金剛石碳膜與GCr15鋼球對偶配副時的干摩擦系數為0.11。

實施例3：

A、依次對鎂合金基材表面進行丙酮清洗和噴砂粗化處理，得到處理好的基材。噴砂壓力為0.5MPa，噴砂時間為10s，噴砂用砂丸目數為40目。

B、利用冷噴涂技術在步驟A得到的基材上噴涂一層厚度為500um的420不銹鋼涂層，在鎂合金基材表面得到所述的冷噴涂中間層。冷噴涂的工藝參數為：工作氣體預熱溫度為700℃，壓力為3.0MPa，噴涂距離為20mm，噴槍移動速度為50mm/s，噴涂氣體為氮氣。

C、將步驟B中得到的冷噴涂中間層進行機械拋光處理，使其粗糙度Ra達到0.2。

D、在磁控濺射設備中，在步驟C中得到的拋光后冷噴涂中間層表面沉積厚度為2um的類金剛石碳膜。沉積過程中，通入高純氬氣與甲烷混合氣體，腔體氣壓維持在0.8Pa，氬氣與甲烷氣體的質量流量比為65/45，基底脈沖偏壓為-400V,脈沖占空比為60％,沉積3.5h后冷卻，最后成功制備出類金剛石碳膜。

所制備的類金剛石碳膜的硬度為20GPa，內應力為0.4GPa，膜基結合力為26N，類金剛石碳膜與GCr15鋼球對偶配副時的干摩擦系數為0.11。