專利名稱：鋁合金表面原位生長(zhǎng)TiAlN薄膜裝置及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明鋁合金表面原位生長(zhǎng)TiAlN薄膜裝置及工藝屬于金屬材料等離子表面改性及離子轟擊化學(xué)熱處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有金屬材料表面改性方法有很多，諸如磁控濺射、離子濺射等，但各種技術(shù)都有其不足之處，比如磁控濺射結(jié)合力不好，離子注入速度慢，有直射性等。鋁及鋁合金密度較小，強(qiáng)度高，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性優(yōu)良，塑性和成型性很好，無(wú)低溫脆性，易加工。目前，鋁及鋁合金材料已廣泛地應(yīng)用于建筑、航空、軍事、汽車、航海、醫(yī)療等領(lǐng)域中。然而，鋁的耐磨性差，腐蝕電位較負(fù)，腐蝕比較嚴(yán)重。作為傳統(tǒng)的表面處理方法電鍍也用在了鋁合金的表面處理上，鋁合金的電鍍一般是為了改善裝飾性、提高表面硬度和耐磨性、降低摩擦因數(shù)改善潤(rùn)滑性、提高表面導(dǎo)電性和反光率。但電鍍技術(shù)污染嚴(yán)重，工作環(huán)境惡劣的缺點(diǎn)又限制了該技術(shù)的應(yīng)用。氧化處理目前仍然是鋁合金表面處理的主要方法，一是硬質(zhì)陽(yáng)極氧化，另一種是復(fù)合陽(yáng)極氧化。但陽(yáng)極氧化離不開電解液等有毒害物品。熱噴涂應(yīng)用于鋁合金表面處理也獲得了一定的成功，但熱噴涂工作環(huán)境差的缺點(diǎn)對(duì)鋁合金的表面處理也是不利的。
隨著現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展，特別是航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，鋁合金在各行各業(yè)中的應(yīng)用將更加廣泛，一些特殊條件、極端條件的特殊性要求，使得對(duì)鋁合金的表面處理有更高的要求，迫使人們對(duì)鋁合金的性能研究越來越高。一些成本低、污染少、 多元素、多層次的表面復(fù)合技術(shù)必將成為未來發(fā)展的主要方向，比如集離子注入、離子輔助、磁控濺射與一體的表面改性技術(shù)的應(yīng)用，各種性能特點(diǎn)的鋁膜的應(yīng)用也將越來越廣。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋁合金的表面強(qiáng)化的研究十分重視，其中鈦及鈦合金的表面形成 TiAlN強(qiáng)化薄膜就是研究的課題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鋁合金表面原位生長(zhǎng)TiAlN薄膜裝置及工藝目的在于，是利用磁控濺射原理及離子注入效應(yīng)，為鋁合金表面改性提供一種新裝置及新工藝。從而實(shí)現(xiàn)鋁合金表面改性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種鋁合金表面原位生長(zhǎng)TiAlN薄膜裝置，該裝置是在真空度可以達(dá)到1 X 10_3 5X 10-4 并能充入氣體介質(zhì)的真空室上，設(shè)有離子注入源；磁控濺射靶；真空系統(tǒng)；供氣系統(tǒng)；離子注入控制電源；磁控濺射控制電源；旋轉(zhuǎn)工件支架；以及一些輔助觀察窗和測(cè)溫儀，磁控濺射靶與磁控濺射控制電源連接，離子注入源與離子注入控制電源連接，真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)分別與裝置的真空室內(nèi)空間連接，離子注入源、磁控濺射靶、旋轉(zhuǎn)工件支架都固定在真空室內(nèi)。
上述鋁合金表面原位生長(zhǎng)TiAlN薄膜裝置進(jìn)行復(fù)合濺射成膜工藝，其特征在于
1)、首先由抽氣系統(tǒng)的機(jī)械泵、分子泵將真空室抽至真空度為lX10_3PiT2X10_4Pa，
2)清洗槍通入氬氣至8.4 X 10 —3 Pa,加壓到400伏，束流80毫安對(duì)基片進(jìn)行離子清洗 10分鐘；
3)而后由供氣系統(tǒng)4充入惰性氣體氬氣至氣壓到10—1 10_2 1 左右，接通濺射電源 (功率150W左右)，偏壓200伏，產(chǎn)生鋁粒子流對(duì)基片(7)進(jìn)行磁控濺射，約5分鐘；在負(fù)偏壓的吸引下轟擊基片(7)表面；
4)在離子注入腔內(nèi)通入氮?dú)?，至氣?0_3 10—2 Pa，加壓到3萬(wàn)伏，對(duì)已經(jīng)沉積鋁的基片進(jìn)行離子注氮，依靠N離子能量對(duì)已經(jīng)沉積鋁的基片轟擊，在基片表面將Ti、Al、N三種元素混熔，形成TiAlN薄膜；
本發(fā)明的T i A 1 N薄膜成分多元化，可以改善鋁合金表面應(yīng)力分布，所得產(chǎn)品致密均勻、顯微硬度大，結(jié)合強(qiáng)度高，滿足鋁合金表面強(qiáng)化的需求。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明
如圖ι所示，一種鋁合金表面原位生長(zhǎng)TiAlN薄膜裝置，該裝置是在真空度可以達(dá)到 1 X 10_3 5 X IO-4Pa并能充入氣體介質(zhì)的真空室上，設(shè)有離子注入源1、磁控濺射靶2、真空系統(tǒng)3、供氣系統(tǒng)4、離子注入控制電源5、磁控濺射控制電源6、旋轉(zhuǎn)工件支架7以及一些輔助觀察窗和測(cè)溫儀，磁控濺射靶2與磁控濺射控制電源6連接，離子注入源1與離子注入控制電源5連接，真空系統(tǒng)3、供氣系統(tǒng)4分別與裝置的真空室內(nèi)空間連接，離子注入源1、磁控濺射靶2、旋轉(zhuǎn)工件支架7都固定在真空室內(nèi)。上述鋁合金表面原位生長(zhǎng)TiAlN薄膜裝置進(jìn)行復(fù)合濺射成膜工藝，
1)、首先由抽氣系統(tǒng)的機(jī)械泵、分子泵將真空室抽至真空度為lX10_3PiT2X10_4Pa，
2)清洗槍通入氬氣至8.4 X 10 —3 Pa,加壓到400伏，束流80毫安對(duì)基片進(jìn)行離子清洗 10分鐘；
3)而后由供氣系統(tǒng)4充入惰性氣體氬氣至氣壓到10—1 10_2 1 左右，接通濺射電源 (功率150W左右)，偏壓200伏，產(chǎn)生鋁粒子流對(duì)基片(7)進(jìn)行磁控濺射，約5分鐘；在負(fù)偏壓的吸引下轟擊基片(7)表面；
4)在離子注入腔內(nèi)通入氮?dú)?，至氣?0_3 10—2 Pa，加壓到3萬(wàn)伏，對(duì)已經(jīng)沉積鋁的基片進(jìn)行離子注氮，依靠N離子能量對(duì)已經(jīng)沉積鋁的基片轟擊，在基片表面將Ti、Al、N三種元素混熔，形成TiAlN薄膜。
權(quán)利要求
1.一種鋁合金表面原位生長(zhǎng)TiAlN薄膜裝置，其特征在于該裝置是在真空度可以達(dá)到1 X 10_3 5 X IO-4Pa并能充入氣體介質(zhì)的真空室上，設(shè)有離子注入源1、磁控濺射靶2、真空系統(tǒng)3、供氣系統(tǒng)4、離子注入控制電源5、磁控濺射控制電源6、旋轉(zhuǎn)工件支架7以及一些輔助觀察窗和測(cè)溫儀，磁控濺射靶與磁控濺射控制電源連接，離子注入源與離子注入控制電源連接，真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)分別與裝置的真空室內(nèi)空間連接，離子注入源、磁控濺射靶、 旋轉(zhuǎn)工件支架都固定在真空室內(nèi)。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的鋁合金表面原位生長(zhǎng)TiAlN薄膜裝置，其特征在于裝置進(jìn)行復(fù)合濺射成膜工藝是1)、首先由抽氣系統(tǒng)的機(jī)械泵、分子泵將真空室抽至真空度為lX10_3PiT2X10_4Pa，2)清洗槍通入氬氣至8.4 X 10 —3 Pa,加壓到400伏，束流80毫安對(duì)基片進(jìn)行離子清洗 10分鐘；3)而后由供氣系統(tǒng)4充入惰性氣體氬氣至氣壓到10—1 10_2 1 左右，接通濺射電源 (功率150W左右)，偏壓200伏，產(chǎn)生鋁粒子流對(duì)基片(7)進(jìn)行磁控濺射，約5分鐘；在負(fù)偏壓的吸引下轟擊基片(7)表面；4)在離子注入腔內(nèi)通入氮?dú)?，至氣?0_3 10—2 Pa，加壓到3萬(wàn)伏，對(duì)已經(jīng)沉積鋁的基片進(jìn)行離子注氮，依靠N離子能量對(duì)已經(jīng)沉積鋁的基片轟擊，在基片表面將Ti、Al、N三種元素混熔，形成TiAlN薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋁合金表面原位生長(zhǎng)TiAlN薄膜裝置及工藝，該裝置是在真空度可以達(dá)到1×10-3～5×10-4Pa并能充入氣體介質(zhì)的真空室上，設(shè)有離子注入源1；磁控濺射靶2；真空系統(tǒng)3；供氣系統(tǒng)4；離子注入控制電源5；磁控濺射控制電源6；旋轉(zhuǎn)工件支架7；以及一些輔助觀察窗和測(cè)溫儀。具體來講是鋁合金作基材，鈦為濺射靶材，氮?dú)鉃樽⑷霘怏w，將離子濺射技術(shù)與離子注入技術(shù)復(fù)合起來，在離子濺射腔內(nèi)通入氬氣，利用氬離子濺射純鈦，沉積于鋁合金，并同時(shí)注入N離子。利用離子濺射均勻、顆粒細(xì)小，以及離子注入結(jié)合力好，不產(chǎn)生形變的特點(diǎn)，在鋁合金表面離子濺射鈦，并同時(shí)注入N離子，N離子既是注入離子也是反應(yīng)元素，按照一定的工藝參數(shù)進(jìn)行離子濺射和離子注入。在鋁合金表面原位生長(zhǎng)高硬度TiAlN薄膜，達(dá)到鋁合金表面改性的目的。具有表面狀況好，精密、可控特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/16GK102242346SQ201110179088
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者喬憲武, 余森江, 周云, 張澤棟, 張高會(huì), 李 根, 李紅衛(wèi), 鄭順奇 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院