CN109666912B - 一种Hf/TiBx防腐蚀多层涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种采用物理气相沉积方法在镁合金表面沉积膜‑基结合力强、导电性好、耐腐蚀Hf/TiBx(x＝2.2～2.5)耐蚀多层涂层的制备方法。(1)首先在镁合金表面先使用高功率脉冲磁控溅射沉积Hf过渡层，靶材峰值电流密度为0.8～1.2A/cm2，以缓解基体与涂层热膨胀系数失配问题并增强膜‑基结合强度；(2)再使用直流磁控溅射沉积TiBx***层，靶材功率密度为5～10W/cm2；(3)在0.1～0.6Pa纯Ar气氛中交替沉积Hf及TiBx***层，得到Hf/TiBx多层涂层。通过上述方法可于镁合金表面制备出膜‑基结合力强、导电性好、并具有优异防腐蚀性能的Hf/TiBx多层涂层。

Description

一种Hf/TiBx防腐蚀多层涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种镀有Hf/TiBx多层涂层的镁合金及其制备方法，尤其是涉及一种耐蚀性能优异、导电性能好、涂层与基体结合力强的镀有Hf/TiBx多层涂层的镁合金及其制备方法。
背景技术
镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，具有较高的比强度、比刚度和减振性，而且易于回收，在汽车、电子、航空等领域得到广泛的应用。但镁合金耐蚀性极差，限制了其使用。防止镁合金腐蚀最简单、有效的方法就是对其进行表面涂层处理，利用涂层在基体和外界环境之间形成的屏障，抑制和缓解镁合金材料的腐蚀。
但涂层可能与镁合金基体之间存在电偶腐蚀效应而导致涂层不仅不能保护基体，反而加速了基体的腐蚀；同时，涂层必须与镁合金基体之间具有良好的结合力，否则会出现涂层剥落、鼓泡或开裂等现象，不仅影响外观，还会恶化涂层的防护性；此外，涂层导电性差会限制镁合金在电子产品领域的应用。因此有必要开发一种耐蚀性能好，导电性能好，与基体结合力强、电偶腐蚀效应弱的涂层。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种镀有Hf/TiBx多层涂层的镁合金及其制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种镀有Hf/TiBx多层涂层的镁合金，其包括镁合金基体和涂层，所述涂层由一层Hf过渡层、多层TiBx***层和多层Hf***层构成，所述Hf 过渡层沉积于所述镁合金基体的表面，所述TiBx***层和Hf***层依次交替沉积于所述Hf过渡层的表面，所述TiBx***层层数与Hf***层数相同，所述TiBx***层层数≥1。所述镁合金的结构示意图如图1所示。
Hf不仅具有优异的耐蚀性，而且与Mg具有相近的标准电极电位，使得它们之间的电偶腐蚀效应非常轻微，因此在镁合金表面镀Hf涂层，能提高其耐蚀性。Hf涂层具有连续柱状生长结构，可作为腐蚀离子的快速扩散通道，致使其不能很好地保护镁合金。相较Hf，TiBx具有更为细密的截面结构，以其作为***层，能够打断Hf涂层的连续柱状生长结构，有效地阻止腐蚀离子的扩散，因此在镁合金表面交替镀TiBx***层和Hf***层，能赋予镁合金表面耐蚀特性，此外，TiBx***层和Hf***层均具有优异的导电性能，TiBx***层还具有优异的力学性能，可增强Hf/TiBx多层涂层的服役可靠性。在镁合金基体表面镀Hf过渡层用于缓解涂层与基体热膨胀系数失配的问题，增强涂层与基体之间的结合力强度。综上，所述镀有Hf/TiBx多层涂层的镁合金具有优异的耐蚀性和导电性，且其涂层与基体之间有很强的结合力。
作为本发明所述镁合金的优选实施方式，所述Hf/TiBx耐蚀多层涂层总厚度为2～10μm，其中所述TiBx***层的层数为1～20，各层厚度为20～50 nm，x为2.2～2.5。在此条件下，所述涂层的耐蚀性能更好。
作为本发明所述镁合金的优选实施方式，所述Hf过渡层的厚度为 50～200nm。在此条件下，所述涂层与基体之间的结合力更强。
本发明还提供了一种镀有Hf/TiBx多层涂层的镁合金的制备方法，其包括以下步骤：
(i)在镁合金基体的表面溅射沉积Hf过渡层；
(ii)在经过步骤(i)处理过的镁合金基体的表面依次交替溅射沉积 TiBx***层和Hf***层，得到所述Hf/TiBx耐蚀多层涂层；
其中，Hf过渡层、TiBx***层和Hf***层均在纯Ar气环境中沉积而成。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述Hf过渡层和Hf***层采用高功率脉冲磁控溅射沉积法制成，所述TiBx***层采用直流磁控溅射沉积法制成。采用高功率脉冲磁控溅射沉积法制备Hf过渡层和Hf***层，可提高沉积的Hf原子的表面扩散能力，促进晶粒的重复形核速率和迁移速率，进而抑制贯穿涂层厚度的柱状晶结构的形成，提高了Hf过渡层和 Hf***层的致密度和均匀性，改善了它们的硬度、耐磨和耐蚀等性能；而 TiBx***层采用直流磁控溅射沉积法即可获得很好的性能。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述Hf过渡层、TiBx***层和Hf***层均在0.1～0.6Pa的纯Ar气环境中沉积而成。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(i)的方法为：将所述镁合金基体加热至200～300℃，并抽取沉积腔室内气体至真空度低于1.0mPa，之后通入纯Ar气，Ar气流量设定为350-450sccm，调节沉积腔室内压力至0.1～0.6Pa，然后使用高功率脉冲磁控溅射沉积金属Hf过渡层，设定靶电源的峰值电流密度为0.8～1.2A/cm2，频率为200～300Hz，脉冲长度为50～90μm；偏压电源的脉冲偏压为-50～-100V，频率为200～300Hz，脉冲长度为100～150μs，所得Hf过渡层的厚度为50～200nm。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(ii)中的TiBx***层和Hf***层均在0.1～0.6Pa的纯Ar气环境中依次交替沉积而成，沉积过程中维持镁合金基体的温度为200～300℃，使用直流磁控溅射沉积 TiBx***层，设定TiBx靶电源的功率密度为5～10W/cm2，偏压电源的直流偏压为-50～-100V，所得TiBx***层的层数为1～20，各层厚度为20～50nm；使用高功率脉冲磁控溅射沉积金属Hf***层，设定靶电源的峰值电流密度为0.8～1.2A/cm2，频率为200～300Hz，脉冲长度为50～90μm，以及偏压电源的脉冲偏压为-50～-100V，频率为200～300Hz，脉冲长度为100～150μs，所得Hf/TiBx耐蚀多层涂层总厚度为2～10μm。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述镁合金基体为AZ41 或AZ91镁合金。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，在所述步骤(i)之前，需对所述铝合金基体进行预处理，所述预处理为依次进行机械研磨、抛光、溶剂清洗和离子源轰击清洗。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述溶剂清洗的方法为：先依次采用甲醇、异丙醇对所述镁合金基体进行超声清洗，再用N2吹干；所述离子源轰击清洗的方法为：采用气体辉光放电对所述镁合金基体进行清洗，设定Ar气流量为200～250sccm，基体偏压为-600～-700V，频率为 200～240kHz。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明镀有Hf/TiBx多层涂层的镁合金的涂层具有优异的耐蚀性，与镁合金基体之间又具有很强的结合力、微弱的电偶腐蚀效应，充分保障了镁合金免受外界环境的腐蚀；此外该涂层还具有优异的导电性，使得镁合金能在电子产品等领域能得到很好的应用。
(2)本发明镀有Hf/TiBx多层涂层的镁合金的制备方法简单，工艺稳定，易于工业投产。
附图说明
图1为Hf/TiBx(x＝2.2～2.5)多层涂层的结构示意图，TiBx***层层数为1～20。
图2为Hf/TiBx(x＝2.2～2.5)多层涂层的XRD图谱，TiBx***层层数分别为1、3、5、10。
图3为Hf/TiBx(x＝2.2～2.5)多层涂层的截面SEM图，TiBx***层层数分别为2、4、9、20。
图4为Hf/TiBx(x＝2.2～2.5)多层涂层的电阻率图。其中TiBx***层层数为1、3、5、10、20，涂层厚度均为～3.5μm；TiBx***层层数为20，涂层厚度为～10μm。
图5为镀有Hf/TiBx(x＝2.2～2.5)多层涂层的镁合金经过室温、3.5wt.％盐水浸泡1周后的表面光学照片，TiBx***层层数分别为1、3、5、10、20。涂层厚度均为～3.5μm。
图6为镀有Hf/TiBx(x＝2.2～2.5)多层涂层的镁合金经过1周大气盐雾试验后的表面防护等级评价值，TiBx***层层数分别为1、3、5、10、20。涂层厚度均为～3.5μm。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
1、基体预处理
(1)基体机械研磨、抛光处理。
(2)溶剂清洗处理。先使用甲醇超声清洗10min，再使用二丙醇液超声清洗10min，取出后用N2吹干。
(3)离子源轰击清洗处理。采用气体辉光放电对基体进行清洗5min， Ar流量为200～250sccm，基体偏压为-600～-700V，频率为200～240kHz。
2、首先在镁合金表面先使用高功率脉冲磁控溅射沉积Hf过渡层，以缓解基体与涂层热膨胀系数失配问题并增强膜-基结合强度，靶材峰值电流密度为0.8～1.2A/cm2，频率200～300Hz，脉冲长度50～90μs；脉冲偏压 -50～-100V，频率200～300Hz，脉冲长度100～150μs。将基体加热至 200℃～300℃，并抽取沉积腔室内气体。长时间加热烘烤腔体，除去腔体内壁吸附的水汽及氧等污染物。当腔室本底真空度低于1.0mPa后，通入Ar 气，气体流量设定为350～450sccm，调节沉积腔室内环境压力至0.1～0.6Pa，使用高功率脉冲磁控溅射沉积金属Hf过渡层，设定靶材峰值电流密度为 0.8～1.2A/cm2，Hf过渡层厚度为50nm。
3、使用直流磁控溅射沉积TiBx***层。在0.1～0.6Pa纯Ar气氛中交替沉积Hf及TiBx***层，得到Hf/TiBx多层涂层。在Hf过渡层沉积完成之后，维持基体温度为200℃～300℃、沉积腔室压力为0.1～0.6Pa，使用直流溅射沉积TiBx***层。随后仍在在0.1～0.6Pa纯Ar气氛中，交替沉积 Hf及TiBx***层，得到Hf/TiBx多层涂层，固定Hf靶材峰值电流密度为0.8～1.2A/cm2，频率200～300Hz，脉冲长度50～90μs；脉冲偏压-50～-100V，频率200～300Hz，脉冲长度100～150μs；TiB2靶加载功率密度保持为5～10 W/cm2，直流偏压-50～-100V。TiBx***层层数为1，TiBx***层厚度为～20 nm。Hf/TiBx多层涂层总厚度为～2μm。
4、涂层结构观察
采用XRD研究涂层相结构，采用SEM观察涂层形貌结构，结果分别如图2及图3所示。
5、耐腐蚀性能测试
采用盐水浸泡及大气盐雾试验测试涂层防腐蚀性能，结果分别如图4 及图5所示。
实施例2
1、基体预处理
同实施例1。
2、首先在镁合金表面先使用高功率脉冲磁控溅射沉积Hf过渡层，沉积参数及过程同实施例1。
3、使用直流磁控溅射沉积TiBx***层，沉积参数及过程同实施例1。 TiBx***层层数为3，TiBx***层厚度为～20nm。Hf/TiBx多层涂层总厚度为～2μm。
4、涂层结构观察
同实施例1。
5、耐腐蚀性能测试
同实施例1。
实施例3
1、基体预处理
同实施例1。
2、首先在镁合金表面先使用高功率脉冲磁控溅射沉积Hf过渡层，沉积参数及过程同实施例1。
3、使用直流磁控溅射沉积TiBx***层，沉积参数及过程同实施例1。 TiBx***层层数为5，TiBx***层厚度为～20nm。Hf/TiBx多层涂层总厚度为～2μm。
4、涂层结构观察
同实施例1。
5、耐腐蚀性能测试
同实施例1。
实施例4
1、基体预处理
同实施例1。
2、首先在镁合金表面先使用高功率脉冲磁控溅射沉积Hf过渡层，沉积参数及过程同实施例1。
3、使用直流磁控溅射沉积TiBx***层，沉积参数及过程同实施例1。 TiBx***层层数为10，TiBx***层厚度为～20nm。Hf/TiBx多层涂层总厚度为～2μm。
4、涂层结构观察
同实施例1。
5、耐腐蚀性能测试
同实施例1。
实施例5
1、基体预处理
同实施例1。
2、首先在镁合金表面先使用高功率脉冲磁控溅射沉积Hf过渡层，沉积参数及过程同实施例1。
3、使用直流磁控溅射沉积TiBx***层，沉积参数及过程同实施例1。 TiBx***层层数为3，TiBx***层厚度为～50nm。Hf/TiBx多层涂层总厚度为～5μm。
4、涂层结构观察
同实施例1。
5、耐腐蚀性能测试
同实施例1。
实施例6
1、基体预处理
同实施例1。
2、首先在镁合金表面先使用高功率脉冲磁控溅射沉积Hf过渡层，沉积参数及过程同实施例1。
3、使用直流磁控溅射沉积TiBx***层，沉积参数及过程同实施例1。 TiBx***层层数为10，TiBx***层厚度为～50nm。Hf/TiBx多层涂层总厚度为～5μm。
4、涂层结构观察
同实施例1。
5、耐腐蚀性能测试
同实施例1。
实施例7
1、基体预处理
同实施例1。
2、首先在镁合金表面先使用高功率脉冲磁控溅射沉积Hf过渡层，沉积参数及过程同实施例1。
3、使用直流磁控溅射沉积TiBx***层，沉积参数及过程同实施例1。 TiBx***层层数为20，TiBx***层厚度为～50nm。Hf/TiBx多层涂层总厚度为～5μm。
4、涂层结构观察
同实施例1。
5、耐腐蚀性能测试
同实施例1。
实施例8
1、基体预处理
同实施例1。
2、首先在镁合金表面先使用高功率脉冲磁控溅射沉积Hf过渡层，沉积参数及过程同实施例1。
3、使用直流磁控溅射沉积TiBx***层，沉积参数及过程同实施例1。 TiBx***层层数为5，TiBx***层厚度为～50nm。Hf/TiBx多层涂层总厚度为～10μm。
4、涂层结构观察
同实施例1。
5、耐腐蚀性能测试
同实施例1。
实施例9
1、基体预处理
同实施例1。
2、首先在镁合金表面先使用高功率脉冲磁控溅射沉积Hf过渡层，沉积参数及过程同实施例1。
3、使用直流磁控溅射沉积TiBx***层，沉积参数及过程同实施例1。 TiBx***层层数为10，TiBx***层厚度为～50nm。Hf/TiBx多层涂层总厚度为～10μm。
4、涂层结构观察
同实施例1。
5、耐腐蚀性能测试
同实施例1。
实施例10
1、基体预处理
同实施例1。
2、首先在镁合金表面先使用高功率脉冲磁控溅射沉积Hf过渡层，沉积参数及过程同实施例1。
3、使用直流磁控溅射沉积TiBx***层，沉积参数及过程同实施例1。 TiBx***层层数为20，TiBx***层厚度为～50nm。Hf/TiBx多层涂层总厚度为～10μm。
4、涂层结构观察
同实施例1。
5、耐腐蚀性能测试
同实施例1。

Claims (9)

1.一种镀有Hf/TiBx多层涂层的镁合金，其特征在于：所述镁合金包括镁合金基体和涂层，所述涂层由一层Hf过渡层、多层TiBx***层和多层Hf***层构成，所述Hf过渡层沉积于所述镁合金基体的表面，所述TiBx***层和Hf***层依次交替沉积于所述Hf过渡层的表面，所述TiBx***层层数与Hf***层数相同，所述TiBx***层层数≥1，所述Hf过渡层和Hf***层采用高功率脉冲磁控溅射沉积法制成。
2.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于：所述Hf/TiBx耐蚀多层涂层总厚度为2～10μm，其中所述TiBx***层的层数为1～20，各层厚度为20～50nm，x为2.2～2.5。
3.根据权利要求1所述的镁合金，其特征在于：所述Hf过渡层的厚度为50～200nm。
4.一种权利要求1-3中任一项所述的镁合金的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
(i)在镁合金基体的表面溅射沉积Hf过渡层；
(ii)在经过步骤(i)处理过的镁合金基体的表面依次交替溅射沉积TiBx***层和Hf***层，得到所述Hf/TiBx耐蚀多层涂层；
其中，Hf过渡层、TiBx***层和Hf***层均在纯Ar气环境中沉积而成。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述Hf过渡层和Hf***层采用高功率脉冲磁控溅射沉积法制成，所述TiBx***层采用直流磁控溅射沉积法制成。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：所述Hf过渡层、TiBx***层和Hf***层均在0.1～0.6Pa的纯Ar气环境中沉积而成。
7.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(i)的方法为：将所述镁合金基体加热至200～300℃，并抽取沉积腔室内气体至真空度低于1.0mPa，之后通入纯Ar气，Ar气流量设定为350-450sccm，调节沉积腔室内压力至0.1～0.6Pa，然后使用高功率脉冲磁控溅射沉积金属Hf过渡层，设定靶电源的峰值电流密度为0.8～1.2A/cm2，频率为200～300Hz，脉冲长度为50～90μm；偏压电源的脉冲偏压为-50～-100V，频率为200～300Hz，脉冲长度为100～150μs，所得Hf过渡层的厚度为50～200nm。
8.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(ii)中的TiBx***层和Hf***层均在0.1～0.6Pa的纯Ar气环境中依次交替沉积而成，沉积过程中维持镁合金基体的温度为200～300℃，使用直流磁控溅射沉积TiBx***层，设定TiBx靶电源的功率密度为5～10W/cm2，偏压电源的直流偏压为-50～-100V，所得TiBx***层的层数为1～20，各层厚度为20～50nm；使用高功率脉冲磁控溅射沉积金属Hf***层，设定靶电源的峰值电流密度为0.8～1.2A/cm2，频率为200～300Hz，脉冲长度为50～90μm，以及偏压电源的脉冲偏压为-50～-100V，频率为200～300Hz，脉冲长度为100～150μs，所得Hf/TiBx耐蚀多层涂层总厚度为2～10μm。
9.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：所述镁合金基体为AZ41或AZ91镁合金。
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