專利名稱：一種具有涂層的鈦合金緊固件及其制造方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及ー種具有涂層的鈦合金緊固件及其制造方法和裝置。
背景技術(shù)：
鈦合金是飛機(jī)理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中。但鈦合金鈍態(tài)電位較高，易和鋁合金、復(fù)合材料連接件產(chǎn)生電偶腐蝕，同時也能使鈦合金緊固件析氫導(dǎo)致氫脆，造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)破壞。在使用高強(qiáng)度鋼和鋁合金以前，電鍍鎘涂層作為保護(hù)飛機(jī)鋼結(jié)構(gòu)件的方法獲得了廣泛使用。采用鈦合金結(jié)構(gòu)件后，電鍍鎘也是防止鈦合金緊固件與連接件之間產(chǎn)生電偶腐蝕的傳統(tǒng)方法，但由于電鍍鎘エ藝容易引起鈦合金氫脆、鎘的環(huán)境污染和電鍍鎘在鈦合金使用過程中的鎘脆現(xiàn)象，限制了鈦合金緊固件在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。目前已發(fā)展了一些可在金屬和其它材料上沉積涂層的方法，比較成熟的エ藝有熱浸、噴涂、包鍍、電鍍和物理氣相沉積。前四種方法應(yīng)用時常受到涂層厚度、結(jié)合力、被涂鈦合金緊固件I的尺寸和形狀等因素的制約，受到一定的限制。物理氣相沉積方法可以得到厚度均勻、結(jié)合力好的鋁涂層，其中陰極濺射、電弧離子鍍弧和空心陰極沉積設(shè)備都可使用。盡管蒸發(fā)鍍具有速度快的特點，但其均勻性較差，加離化裝置后其附著力有所提高，可是涂層產(chǎn)品需要復(fù)雜的后處理，不利于大批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供ー種具有涂層的鈦合金緊固件及其制造方法和裝置，其能夠有效避免鈦合金氫脆、鎘的環(huán)境污染和電鍍鎘在鈦合金使用過程中的鎘脆現(xiàn)象，并且能夠采用很好的制造方法和裝置來制造所需涂層。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采第一方面提供ー種具有涂層的鈦合金緊固件，包括緊固件本體，所述涂層是復(fù)合鋁涂層；優(yōu)選地，所述復(fù)合鋁涂層是梯度成分漸變結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述復(fù)合鋁涂層由內(nèi)向外依次為結(jié)合層、共混層和功能層。優(yōu)選地，所述結(jié)合層為濺射鍍鋁層。優(yōu)選地，所述共混層為納米晶鋁和微晶鋁混合層。優(yōu)選地，所述功能層為多層鋁涂層。本發(fā)明第二方面提供一種制造具有復(fù)合鋁涂層的鈦合金緊固件的方法，其特征在干，依照如下步驟進(jìn)行:預(yù)先對緊固件本體進(jìn)行輝光清洗，I)然后用中頻濺射靶在所述緊固件本體上濺射沉積過渡金屬鋁，形成結(jié)合層；2)用直流濺射靶和所述中頻濺射靶在所述結(jié)合層上濺射沉積共混鋁復(fù)合層，形成共混層；3)繼續(xù)用所述中頻濺射靶和所述直流濺射靶在所述共混層上濺射沉積多層鋁涂層，形成功能層；
上述結(jié)合層、共混層、功能層形成所述復(fù)合鋁涂層。優(yōu)選地，所述步驟I)是在100-450°C，0.1-0.5Pa，_800V到-1000V的條件下進(jìn)行；所述步驟2)是在100-450°C，0.3-0.8Pa，-1OOV到-250V的條件下進(jìn)行；所述步驟3)是在100-350°C，0.2-0.8Pa, -50V 到-150V 的條件下進(jìn)行。優(yōu)選地，所述步驟I)到3)步驟是在氬氣環(huán)境下進(jìn)行，所述結(jié)合層、共混層、功能層的厚度分別為 30-50nm、0.5-5um、5_30um。本發(fā)明第三方面提供一種制造具有復(fù)合鋁涂層的鈦合金緊固件的裝置，其特征在于:包括真空室，位于真空室中心部位的加熱器，位于真空室ー側(cè)內(nèi)壁附近的第一中頻濺射靶以及位于中心部位的與所述第一中頻濺射靶構(gòu)成對靶的第二中頻濺射靶，位于真空室另ー側(cè)內(nèi)壁附近的若干直流濺射靶。本發(fā)明的有益效果是:該涂層緊固件不但具有良好的耐腐蝕性能，同時鋁涂層具有較好的附著力。采用該涂層緊固件后，不但飛機(jī)的重量有所減輕，同時避免了緊固件和鋁合金構(gòu)件的電偶腐蝕問題，使飛機(jī)等航空航天設(shè)備具有較好的使用可靠性。此外，傳統(tǒng)的鈦合金電鍍鎘會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染和鈦合金緊固件氫脆，嚴(yán)重影響鈦合金緊固件的使用。而采用磁控濺射技術(shù)在鈦合金緊固件上制備納米復(fù)合鋁涂層，不但避免了環(huán)境污染問題，同時制備的鋁涂層結(jié)構(gòu)致密，結(jié)合力好，可以滿足緊固件長期穩(wěn)定的工作，提高了鈦合金緊固件的產(chǎn)品質(zhì)量。


圖1為本發(fā)明中所采用制造裝置示意圖；圖2為本發(fā)明復(fù)合鋁涂層結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為鈦合金緊固件表面形貌；圖4為鈦合金緊固件截面金相圖片。圖中，1、鈦合金緊固件2、直流濺射靶3、爐門4、抽真空ロ 5、中頻濺射靶6、爐壁7、加熱器8、功能層9、共混層10、結(jié)合層11、緊固件本體
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明提供了一種制造具有涂層的鈦合金緊固件的裝置，該裝置包括真空室，真空室由爐壁6圍成，真空室高度為0.5-1.5m，直徑為700-1500_。真空室側(cè)面設(shè)有爐門3，以方便鈦合金緊固件I的裝卸。真空室設(shè)有抽真空ロ 4，抽真空機(jī)組通過抽真空ロ 4對真空室進(jìn)行抽真空，抽真空機(jī)組可由擴(kuò)散泵和機(jī)械泵組成，也可以采用分子泵，扱限真空可以達(dá)到5X10-4Pa。真空室的中心部位為加熱器7，加熱功率10-30千瓦，提高加熱效率。中頻濺射靶5安裝在爐壁左邊，一個靶安裝在爐壁上，另ー個安裝在靠爐中加熱器部位，兩個靶構(gòu)成對靶，由交流電源供電。另外四個直流濺射靶2安裝在爐壁的右邊，鈦合金緊固件I裝在鈦合金緊固件I架上。該布局使真空室中等離子體密度大幅度増加，鈦合金緊固件完全浸沒在等離子體中。使涂層沉積速率、硬度、附著力得到較大的提高。由于對靶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，磁場分布更均勻，使電弧在靶面上均勻燃燒，提高了涂層的均勻性。本裝置制造具有涂層的鈦合金緊固件的方式如下:利用中頻磁控濺射的高離化率以及直流磁控濺射的高沉積速率制備鋁復(fù)合涂層。為了提高涂層和鈦合金緊固件基體的結(jié)合力，在輝光清洗結(jié)束后，將中頻濺射靶5 (對靶)打開，利用大功率中頻磁控濺射制備30-50nm結(jié)合層，其過程為通入氬氣，輝光放電將氬氣離化，利用其高離化率，將鋁原子進(jìn)ー步離化，在鈦合金緊固件I上加上800-1000V的負(fù)高偏壓，利用高偏壓的吸附作用，將鋁離子吸附高速運動到鈦合金緊固件I的表面，形成原子級的擴(kuò)散，導(dǎo)致最后的冶金結(jié)合。此外離化的氬離子高速擊打鈦合金緊固件I表面，ー是可以將表面結(jié)合不牢固的鋁層濺射掉；ニ是打擊涂層表面，讓涂層變得致密，改變常規(guī)直流磁控濺射離化率低涂層附著力差的缺點。在結(jié)合層制備后，此時，中頻濺射靶5繼續(xù)開啟，同時將直流濺射靶2開啟，并且功率逐步加大，采用直流濺射靶2的目的是進(jìn)ー步提高涂層的沉積速率。但由于直流濺射靶2容易形成柱狀晶，不利于鈦合金緊固件的防腐蝕性能，為此繼續(xù)開啟中頻濺射靶5，利用中頻濺射靶5的高離化率阻斷直流靶濺射鋁的結(jié)晶過程，大幅度降低鋁的晶粒度，將其從大柱狀晶變?yōu)槲⒚拙АＳ捎谥绷靼械墓β手鸩皆黾?，共混層的晶粒將從結(jié)合層的納米晶逐步變成納米晶和微米晶的混合體。該結(jié)構(gòu)形成了梯度成分結(jié)構(gòu)上的漸變，會提高表面功能層和共混層的結(jié)構(gòu)相容性，降低涂層應(yīng)力，提高涂層的結(jié)合力。涂層厚度控制在0.5-5um。共混層制備結(jié)束后，中頻濺射和直流濺射靶共同開啟，鈦合金緊固件I在旋轉(zhuǎn)過程中經(jīng)過中頻靶前面時沉積納米晶鋁層，當(dāng)鈦合金緊固件I旋轉(zhuǎn)到直流靶前面時，將制備微米晶鋁層，通過不斷旋轉(zhuǎn)鈦合金緊固件1，將會形成納米晶鋁層和微米晶鋁層構(gòu)成的多層鋁層的膜結(jié)構(gòu)，多層膜結(jié)構(gòu)ー是可以降低涂層應(yīng)力，ニ是可以提高涂層的致密度，提高抗腐蝕性能。每層中頻磁控納米晶鋁層厚度為10-50nm，每層直流磁控濺射鋁層厚度為50-100nm。功能層總厚度為 5_30um。下面介紹制造具有復(fù)合鋁涂層的鈦合金緊固件的具體方式:實施例1:在100°C、氬氣環(huán)境下，對鈦合金緊固件I經(jīng)過輝光清洗結(jié)束后，在0.1Pa, 一 800V條件沉積30nm厚的過渡金屬Al結(jié)合層；在0.3Pa，一 100V條件沉積0.5um厚的共混鋁復(fù)合層；然后在100°C、一 50V偏壓、0.2Pa氣壓條件下沉積5um功能層；功能層中中頻濺射鋁納米層厚度為20nm，直流濺射鋁層納米層厚度為80nm，制備結(jié)束后自然冷卻，得到復(fù)合鋁涂層鈦合金緊固件。實施例2:在200°C、氬氣環(huán)境下，對鈦合金緊固件I經(jīng)過輝光清洗結(jié)束后，在0.2Pa，一 800V條件沉積40nm厚的過渡金屬Al結(jié)合層；在0.4Pa，一 150V條件沉積2um厚的共混鋁復(fù)合層；然后在150°C、一 100V偏壓、0.5Pa氣壓條件下沉積IOum功能層；功能層中中頻濺射鋁納米層厚度為30nm，直流濺射鋁層納米層厚度為70nm，制備結(jié)束后自然冷卻，得到復(fù)合鋁涂層鈦合金緊固件。實施例3:在250°C、氬氣環(huán)境下，對鈦合金緊固件經(jīng)過輝光清洗結(jié)束后，在0.4Pa，一 900V條件沉積50nm厚的過渡金屬Al結(jié)合層；在0.6Pa，一 250V條件沉積4um厚的共混鋁復(fù)合層；然后在200°C、一 150V偏壓、0.5Pa氣壓條件下沉積20um功能層；功能層中中頻濺射鋁納米層厚度為40nm，直流濺射鋁層納米層厚度為lOOnm，制備結(jié)束后自然冷卻，得到復(fù)合鋁涂層鈦合金緊固件。實施例4:
在450°C、氬氣環(huán)境下，對鈦合金緊固件經(jīng)過輝光清洗結(jié)束后，在0.5Pa，一 1000V條件沉積50nm厚的過渡金屬Al結(jié)合層；在0.8Pa，一 250V條件沉積5um厚的共混鋁復(fù)合層；然后在350°C、一 150V偏壓、0.8Pa氣壓條件下沉積30um功能層；功能層中中頻濺射鋁納米層厚度為15nm，直流濺射鋁層納米層厚度為90nm，制備結(jié)束后自然冷卻，得到復(fù)合鋁涂層鈦合金緊固件。圖2是制備得到的復(fù)合鋁涂層的結(jié)構(gòu)示意圖，結(jié)合層10、共混層9、功能層8從內(nèi)向外層疊設(shè)置在緊固件本體11的外周。圖3為本發(fā)明所制得的復(fù)合鋁涂層鈦合金緊固件表面電子顯微形貌，從圖中可以看出涂層后的鈦合金緊固件表面光滑，涂層致密。圖4為本發(fā)明所制得的復(fù)合鋁涂層鈦合金緊固件截面金相顯微鏡形貌圖，從圖中可以看出涂層和基體結(jié)合良好，涂層厚度均勻。本發(fā)明具有如下優(yōu)點:第一，與普通直流磁控濺射方法相比，本發(fā)明所采用中頻磁控濺射和直流磁控濺射相結(jié)合的方法離化率高，克服了磁控濺射法離化率低導(dǎo)致結(jié)合力較低的問題；第二，本發(fā)明涂層結(jié)構(gòu)采用三層結(jié)構(gòu)，形成結(jié)構(gòu)漸變，涂層和基體為冶金結(jié)合，具有良好的附著力；第三，與常規(guī)直流磁控濺射制備的柱狀晶鋁層相比，本發(fā)明采用中頻濺射和直流濺射共沉積的方法大幅度降低鋁涂層晶粒尺寸，形成納米晶-微晶涂層。大幅度提高了涂層的致密度；第四，本發(fā)明中大功率直流濺射技術(shù)的采用，大幅度提高了涂層的沉積速率，涂層厚度，涂層厚度可達(dá)35um ;五，本發(fā)明采用中頻磁控濺射輔助直流磁控濺射技術(shù)與現(xiàn)有涂層設(shè)備相近，同時涂層設(shè)備結(jié)構(gòu)簡単，易于控制，エ業(yè)應(yīng)用前景良好。以上對本發(fā)明的實例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種具有涂層的鈦合金緊固件，包括緊固件本體，其特征在于:所述涂層是復(fù)合鋁涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的緊固件，其特征在于:所述復(fù)合鋁涂層是梯度成分漸變結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的緊固件，其特征在于:所述復(fù)合鋁涂層由內(nèi)向外依次為結(jié)合層、共混層和功能層。
4.如權(quán)利要求3所述的緊固件，其特征在于:所述結(jié)合層為濺射鍍鋁層。
5.如權(quán)利要求3所述的緊固件，其特征在于:所述共混層為納米晶鋁和微米晶鋁混合層。
6.如權(quán)利要求3所述的緊固件，其特征在于:所述功能層為多層鋁涂層。
7.—種制造具有復(fù)合鋁涂層的鈦合金緊固件的方法，其特征在于，依照如下步驟進(jìn)行:預(yù)先對緊固件本體進(jìn)行輝光清洗， 1)然后用中頻濺射靶在所述緊固件本體上濺射沉積過渡金屬鋁，形成結(jié)合層； 2)用直流濺射靶和所述中頻濺射靶在所述結(jié)合層上濺射沉積共混鋁復(fù)合層，形成共混層； 3)繼續(xù)用所述中頻濺射靶和所述直流濺射靶在所述共混層上濺射沉積多層納米鋁涂層，形成功能層； 上述結(jié)合層、共混層、功能層形成所述復(fù)合鋁涂層。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于:所述步驟I)是在100-450V，0.1-0.5Pa，-800V 到-1000V 的條件下進(jìn)行;所述步驟 2)是在 100-450°C,0.3-0.8Pa,-100V到-250V的條件下進(jìn)行；所述步驟3)是在100-350°C，0.2-0.8Pa，-50V到-150V的條件下進(jìn)行。
9.如權(quán)利要求7或者8所述的方法，其特征在于:所述步驟I)到3)步驟是在氬氣環(huán)境下進(jìn)行，所述結(jié)合層、共混層、功能層的厚度分別為30-50nm、0.5-5um、5_30um。
10.一種制造具有復(fù)合鋁涂層的鈦合金緊固件的裝置，其特征在于:包括真空室，位于真空室中心部位的加熱器,位于真空室ー側(cè)內(nèi)壁附近的第一中頻濺射靶以及位于中心部位的與所述第一中頻濺射靶構(gòu)成對靶的第二中頻濺射靶，位于真空室另ー側(cè)內(nèi)壁附近的若干直流濺射靶。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有涂層的鈦合金緊固件及其制造方法和裝置，該緊固件包括復(fù)合鋁涂層，所述復(fù)合鋁涂層包括由內(nèi)向外依次層疊的結(jié)合層、共混層和功能層，該涂層結(jié)構(gòu)利用中頻磁控濺射的高離化率以及直流磁控濺射的高沉積速率制備而成。本發(fā)明的有益技術(shù)效果為避免了環(huán)境污染問題，同時制備的鋁涂層結(jié)構(gòu)致密，結(jié)合力好，可以滿足緊固件長期穩(wěn)定的工作，提高了鈦合金緊固件的質(zhì)量。
文檔編號C23C14/16GK103112212SQ20131006233
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者胡隆偉, 楊兵, 楊軍 申請人:航天精工有限公司