專利名稱：多弧離子鍍合金涂層的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種合金涂層的制備方法，特別是多弧離子鍍合金涂層的制備方法。
多弧離子鍍是一種設有多個可同時蒸發的陰極弧蒸發源的、獨特的物理氣相沉積技術，該技術具有沉積速率快、膜層組織致密、附著性強、均勻性好等優點。目前采用多弧離子鍍技術制造合金涂層的主要困難是難以得到符合成分要求的合金涂層成分，即所制備的合金涂層與原要求的合金涂層的成分含量之間存在著明顯偏差，其絕對偏差(指所制備的合金涂層中某一元素的百分含量與原要求的合金涂層中該元素的百分含量之差)甚至達到10％以上，而相對偏差(某合金元素的絕對偏差與所要求的合金涂層中該元素的百分含量之比值)一般在30％以上。由于存在著上述偏差，故很難保證對一些成分含量要求較高的合金涂層的使用性能，如覆蓋型高溫合金防護涂層和超硬合金反應涂層。為了減少上述偏差，迄今人們在下述方法中作了一些嘗試，一種是通過試驗法來調整靶材成分，雖能減少些偏整，但效果仍不理想，且工序繁雜，延長制備時間，增大成本；一種是多源蒸發法，即每種合金元素單獨制靶，同時沉積，但由于各元素弧蒸發特性不同，目前尚未解決在技術上實現各元素蒸發量的合適比例的問題，況且有的合金元素難以單獨制靶，因此這種方法具有一定局限性；再一種是用組合源蒸發的方法，即對靶重新設計，按所要求的合金涂層成分比例，排列合金元素材料，構成組合式靶源，這種方法的缺點是在組合源的結構設計與制造方面難度較大，成本較高，而且要求在鍍膜過程中，陰極弧斑嚴格按規定軌跡在靶面上運動，這在目前技術上難以做到。
本發明是提供一種多弧離子鍍合金涂層的制備方法，該方法使制備的合金涂層的成分含量與所要求的合金涂層的成分含量之間的偏差控制在絕對偏差小于2％，相對偏差小于15％，基本滿足原設計要求，而且成本低，制造簡單，對合金元素無特殊限制，對鍍覆工藝無特殊要求。
本發明提出的多弧離子鍍合金涂層的制造方法依次包括1.合金涂層的確定；2、工件(基片)的確定并作鍍前處理；3、合金靶成分的確定，制造合金靶；4、將工件置于鍍膜室工件架上，將合金靶對稱置于陰極弧源位置上，工件與合金靶表面距離應大于10厘米；5、對鍍膜室抽真空，通入適量氬氣，對工件表面進行轟擊清洗；6、選擇工件負偏壓，選擇是否通入反應氣體；7、鍍膜；8.待鍍膜結束，降溫后取出工件；9.必要時可對合金涂層成分含量進行微調。
所說的合金靶成分的確定方法，是根據下面的公式確定合金靶的化學成分ai(o)=aiαiΣl=1n(aiαi)×100%]]>式中i從1取到n為正整數，對合金涂層的制備，n為涂層中包含合金元素的個數；對于合金反應涂層的制備，n為合金反應元素的個數；ai為第i種元素在合金涂層中所要求的百分含量，或在合金反應涂層中，該元素占合金元素總量的百分比；
為第i種元素在合金靶中的百分含量；αi為第i種元素在弧等離子體中的離化率。
按上述方式計算得到的
的合金靶各元素所占份額比例，然后按此比例進行合金配料制造合金靶。
所說的選擇工件負偏壓，是指為保證涂層的附著力強，致密度高，又有足夠大的沉積速率，鍍膜時工件負偏壓應置于100V～300V范圍內取值，優選在150V～250V之間取值。
按本發明所提出的制備方法，可得到所要求的合金涂層，一般所制備的合金涂層成分含量的絕對偏差最大不超過2％，相對偏差最大不超過15％，任何合金元素都可制膜，除合金靶成分確定和通過工件負偏壓進行微調外，其余可用常規方法和設備即可，因此成本低。
如果所要求的合金涂層的性能對某一合金元素的含量具有較大的依賴性(該元素稱為性能敏感元素)，則可對涂層成分進行微調。性能敏感元素含量的微調是指在采用本發明所設計的合金靶并且工件負偏壓取值在150V～250V范圍內制得的合金涂層中，該元素的百分含量與所要求的含量有一定偏差而進行的調整。微調具體方法是對合金涂層諸元素中離化率較低的性能敏感元素，若用本發明所提供的方法制備的合金涂層中該元素含量略小于所要求的含量，則在鍍膜時降低工件負偏壓50V～100V；反之則增大工件負偏壓50V～100V。對合金涂層諸元素中離化率較高的性能敏感元素，若用本發明所提供的方法制備的合金涂層中該元素含量略小于所要求的含量，則在鍍膜時增大工件負偏壓50V～100V；反之則降低工件負偏壓50V～100V。
下面通過實施例具體說明本發明。
實施例1在GH-220高溫合金上鍍43.1Ni-20.9Co-26.1Cr-9.4Al-0.5Si合金涂層，其制備方法是1.確定合金涂層成分及百分含量Ni為43.1％、Co為20.9％、Cr為26.1％、Al為9.40％、Si為0.5％。2.工件為GH-220高溫合金，按常規方法進行鍍前處理。3.確定合金靶成分及百分含量，首先通過有關資料查得各元素的離化率Ni為60％、Co為70％、Cr為100％、Al為55％、Si為60％，然后通過本發明提供的公式確定合金靶的成分及含量，以Cr為例，Cr在靶材中的百分含量為
，已知Cr在合金涂層中所要求的百分含量aCr＝26.1％，Cr的離化率αCr=100％和上面查到的各元素的離化率。代入公式，得aCr(o)=aCrαCrΣi=15(aCrαCr)×100%]]>=aCrαCraNiαNi+aCoαCo+aCrαCr+aAlαAl+aSiαSi×100%]]>=26.1%100%43.1%60%+20.9%70%+26.1%100%+9.4%55%+0.5%60%×100%]]>＝17.91％同理可算出合金靶中Ni的百分含量aNi(o)=49.29%,]]>Co的百分含量
20.49％，Al的百分含量aAl(o)=11.73%,]]>Si的百分含量aSi(o)=0.57%.]]>按算出的各元素的百分含量，煉制合金靶材，并按所用多弧設備靶形尺寸進行加工。4.將經鍍前處理的GH-220高溫合金工件置于鍍膜室工件架上，將加工好的四個合金靶對稱置于陰極弧源位置上，工件與合金靶表面距離為12～15厘米。5.對鍍膜室抽真空，待真空度達到設備使用要求時，通入適量氬氣，對工件表面進行輝光轟擊清洗。6.選擇工件負偏壓為150V。7.進行鍍膜20分鐘。8.待溫度降至50℃以下時，取出鍍膜工件，經檢測其合金涂層成分為42.5Ni-22.3Co-26.3Cr-8.3Al-0.6Si，與所要求的合金涂層成分相比較，見下表
從上面看出，Ni、Co、Cr、Al四種元素中最大絕對偏差為1.4％，最大相對偏差為11.7％。對微量元素Si，由于其所占份額很小，只要滿足其微量即可，一般不計算其偏差。9.從上表看出，Al元素含量的相對偏差較大，而對于高溫防護涂層，Al作為保護性氧化膜形成元素，一般要求其含量更為精確，故Al亦可稱為性能敏感元素，為此，可通過微調來調整。在Ni、Co、Cr、Al和Si諸元素中，Al的離化率較低，且所制備的合金涂層中Al元素含量為8.3％低于所要求的含量9.4％，故應降低工件負偏壓，只需將上述步驟中工件負偏壓降至100V，其它步驟不變，便得到如下合金涂層成分43.6Ni-21.6Co-24.5Cr-9.6Al-0.7Si，這樣，Al元素的絕對偏差降至0.2％，相對偏差降至2.1％。
實施例2(90Ti-10Al)N二元合金超硬反應膜的制備方法為1.本例為合金反應涂層，包含的合金反應元素為Ti和Al，其重量百分比aTi為90％，aAl為10％。2.工件為不銹鋼材質，按常規方法進行鍍前處理。3.合金靶成分的確定，先查得Ti的離化率αTi為80％，Al的離化率αAl為55％，代入本發明所提供的公式得aTi(o)=aTiαTiΣl=12(aiαi)×100%]]>=aTiαTiaTiαTi+aAlαAl×100%]]>=90%80%90%80%+10%55%×100%]]>＝86.1％同理算出aAl(o)=13.9%]]>按86.1Ti-13.9Al的合金成分煉制合金靶材，按所用多弧離子鍍設備靶形尺寸進行加工。4.將經過鍍前處理的不銹鋼工件置于鍍膜室工件架上，將加工好的兩個合金靶對稱置于陰極弧源位置上，工件與靶面的距離為15厘米。5.對鍍膜室抽真空，待真空度達到設備使用要求時，通入適量氬氣，對工件表面進行輝光轟擊清洗，然后啟動弧源，將工件負偏壓調至600V，進行弧光轟擊清洗約三分鐘。6.選擇工件負偏壓為150V，通入適量N2氣。7.進行鍍膜25分鐘。8.待溫度降至100℃以下，取出鍍膜工件，經檢測得到涂層為(91Ti-9Al)N的反應膜，與所要求的元素含量相比，Ti和Al的絕對偏差均為1％，相對偏差分別為1.1％和10％。
權利要求
1.一種多弧離子鍍合金涂層的制備方法，它依次包括(1)、合金涂層的確定；(2)、工件的確定并作鍍前處理；(3)、合金靶成分的確定，制造合金靶；(4)、將工件置于鍍膜室工件架上，將合金靶對稱置于陰極弧源位置上，工件與合金靶表面距離應大于10厘米；(5)、對鍍膜室抽真空，通入適量氬氣，對工件表面進行轟擊清洗；(6)、選擇工件負偏壓，選擇是否通入反應氣體；(7)、鍍膜；(8)、待鍍膜結束、降溫后取出工件；(9)、必要時可對合金涂層成分含量進行微調，其特征是所說的合金靶成分確定，是根據下面的公式確定合金靶的化學成分ai(o)=ai/αiΣl=1n(ai/αi)×100%]]>式中i從1取到n為正整數，對合金涂層的制備，n為涂層中包含合金元素的個數，對合金反應涂層的制備，n為合金反應元素的個數；ai為第i種元素在合金涂層中所要求的百分含量，或在合金反應涂層中，該元素占合金元素總量的百分比；
為第i種元素在合金靶中的百分含量；αi為第i種元素在弧等離子體中的離化率；按上述公式計算得到的
為合金靶各元素所占份額比例，然后按該比例進行合金配料制造合金靶。
2.根據權利要求1所述的多弧離子鍍合金涂層的制備方法，其特征是所說的對合金涂層成分進行微調是指對性能敏感元素含量的微調，對于合金涂層諸元素中離化率較低的性能敏感元素，若用本發明所提供的方法制備的合金涂層中該元素含量略小于所要求的含量，則在鍍膜時降低工件負偏壓50V～100V，若用本發明所提供的方法制備的合金涂層中該元素含量略大于所要求的含量，則在鍍膜時增大工件負偏壓50V～100V；對于合金涂層諸元素中離化率較高的性能敏感元素，若用本發明所提供的方法制備的合金涂層中該元素含量略小于所要求的含量，則在鍍膜時增大工件負偏壓50V～100V，若用本發明所提供的方法所制備的合金涂層中該元素含量略大于所要求的含量，則在鍍膜時降低工件負偏壓50V～100V。
全文摘要
本發明公開了一種多弧離子鍍合金涂層的制備方法,包括確定合金涂層、工件和合金靶成分,制造合金靶,將工件置于鍍膜室內,對鍍膜室抽真空,鍍膜時選擇工件負偏壓,必要時可對合金涂層成分含量進行微調。其要點是確定合金靶成分是用公式a
文檔編號C23C14/54GK1184859SQ96114618
公開日1998年6月17日 申請日期1996年12月13日 優先權日1996年12月13日
發明者張鈞 申請人:沈陽工業高等專科學校