一种智能紧固件用AlScCrN纳米复合压电涂层及其制备方法与流程

一种智能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂层及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及涂层材料的技术领域，具体涉及一种智能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂 层及其制备方法。


背景技术：

2.螺栓是制造业不可缺少的紧固件，它具有拆装方便，维修方便，可被重新紧固防松且可 以避免被连接件的材料发生相变等优点。因此，螺栓常被应用在航空航天，汽车，桥梁，建 筑、铁路，船舶轮机以及石油化工等多个领域的关键设备连接处，是工业现场所涉及的重要 基础设施的关键部件，一旦失效将造成巨大损失。螺栓紧固件主要起到连接，强化以及密封 等作用，而影响其性能，寿命，使用状态，连接质量及装配精度的关键因素为螺栓的预紧力， 故对连接件上的螺栓紧固状态的确定就显得尤为重要，是保证设备能够在服役环境下安全可 靠运行的重要策略，也是重要设备健康监测的最为关键的内容之一。
3.接触式超声检测螺栓预紧力的方法一直以来都是人们研究关注的重点，它可以在不破坏 零件的情况下实现快速原位检测。该技术中应用到的声
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电信号转换方法对检测准确性会有极 大影响。目前主要有三种手段：超声探头 耦合剂，利用探头晶片产生超声波，通过耦合剂 将其导入待测件，该方法应用最广泛，但稳定性差，可能还会造成被检件腐蚀。贴压电陶瓷 片，利用贴压电陶瓷片产生超声，通过粘接剂将其导入待测件，该方法被检测件具有长期原 位可检测性，但粘接剂及陶瓷的性能决定整个传感器精度及使用周期。沉积压电涂层，利用 沉积在螺栓上的涂层产生超声并直接进入待测件，涂层稳定不易脱落，该种方法的检测快速 准确，然而目前对于该种方法的系统研究尚未见报道。
4.超声测量螺栓应力作为一种新兴的无损检测技术，一直因其实时性好，检测精度高且穿 透能力强等特点受到国内外研究人员的广泛关注。随着工业发展的需求，该项技术从理论研 究转到工业应用。目前已经有很多关于压电薄膜材料的研究，但是将压电薄膜材料直接镀在 螺栓上制备出智能螺栓的研究较少。将压电薄膜制备到螺栓表面形成具有传感功能的螺栓就 叫智能螺栓。针对目前对于高温场合应用的超声传感器缺乏研究，急需开发新的耐高温超声 传感器涂层材料。alscn仍是最有希望替代氮化铝(aln)压电涂层的新材料。其具有高的 机电耦合系数和压电系数，能实现更为有效的机械能
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电能转换，从而提高材料的压电常数， 获得更好的声学特性。但目前对于alscn压电材料的改性以及其在高温智能螺栓超声测量中 的应用很少，未见到相关报道。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于提供一种智能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂层，提高了涂层 的结合力，避免高低温时涂层产生剥落。
6.本发明的目的之二在于提供一种智能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂层的制备方法， 制备工艺简便，易于调节，工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的 生产成本。
7.本发明实现目的之一所采用的方案是：一种智能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂层， 所述alsccrn纳米复合压电涂层采用梯度层结构，包括由内至外依次设置的结合层、支撑层、 压电功能层和保护层，其中，结合层为纯金属cr层，支撑层为crn/alsccrn纳米多层膜， 压电功能层为(002)取向的柱状晶alsccrn涂层，保护层为alsccron涂层。
8.优选地，该智能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂层总厚度为2.61
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18.76微米。
9.优选地，所述结合层的厚度为10
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60纳米。
10.优选地，所述支撑层的厚度为600
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1200纳米，其中crn单层厚度为10
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20纳米，alsccrn 单层厚度为10
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100纳米，调制周期为20
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120纳米。
11.优选地，所述压电功能层的厚度为1500
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15000纳米，柱状晶的直径为20
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500纳米，cr 的含量为0
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10at.％。
12.优选地，所述保护层的厚度为500
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2500纳米，保护层的绝缘电阻大于500mω，表面粗 糙度小于30纳米。
13.本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的智能紧固件用alsccrn纳米复合压电 涂层的制备方法，包括以下步骤：
14.(1)在100
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400℃，氩气和氢气环境中，对紧固件进行等离子刻蚀；
15.(2)刻蚀结束后，在0.4
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0.8pa，50
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150v条件下沉积cr结合层；
16.(3)cr结合层沉积结束后，在0.5
‑
2pa，10
‑
200v条件下沉积crn/alsccrn支撑层；
17.(4)crn/alsccrn支撑层沉积结束后，在0.5
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4pa，0
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150v条件下沉积(002)取向的 alsccrn柱状晶涂层，制备压电功能层；
18.(5)压电功能层沉积结束后，在1
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3pa，0
‑
200v条件下沉积alsccron保护层，得到智 能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂层。
19.优选地，所述步骤(3)中，cr结合层沉积结束后，同时开启cr靶和alsccr靶，通入 氮气，当紧固件转动到cr靶前面时形成crn涂层，当紧固件转动到alsccr靶前面时形成 alsccrn涂层，紧固件不停旋转，则在其表面就会形成crn/alsccrn纳米多层膜的支撑层
20.优选地，所述步骤(4)中，在支撑层沉积结束后，关闭cr靶，形成(002)取向的柱状 晶alsccrn涂层为压电功能层。
21.优选地，所述步骤(5)中，alsccrn压电功能层制备结束后，通入氧气和氮气以及开 启alsccr靶，在表面制备alsccron保护层。
22.本发明的主要目的是为了克服现有压电涂层耐温不足的缺点。常规压电材料在高温时容 易产生结构的变化导致失去压电性能，为此多元合金化的压电材料是目前发展的趋势。主要 是多元合金化的压电材料在高温时其结构稳定性更好，结构更致密，有利于阻挡元素的扩散。 本专利中将cr掺杂到alscn中不但可以提高涂层的耐温耐磨性能，同时有利于提高其压电 常数。此外通过调控不同的cr元素掺杂量来调节压电涂层的压电常数。本发明中采用离子刻 蚀技术对紧固件表面进行清洗提高附着力，此外采用多层结构主要目的是为了降低压电涂层 的应力梯度。
23.在涂层的制备过程中，当离子刻蚀清洗结束后，紧固件表面处于比较清洁的状态。为了 提高表面压电陶瓷材料和金属紧固件基体的结合力，本专利采用电弧放电法将cr从电弧靶上 灼烧出来，利用高偏压在紧固件的表面进行高能离子轰击，可以提高表面的原子活性和形成 缺陷，实现一定的扩散。在离子轰击的基础上，降低偏压，在紧固件表面进行纯
cr层的制备， 主要是利用电弧放电的高能量形成良好结合力的结合层。在结合层制备结束后，通入氮气， 形成支撑层为crn/alsccrn纳米多层膜。主要是利用紧固件的旋转来实现多层膜的制备。将 两种材料进行复合主要是考虑利用电弧的方法制备的crn涂层和纯cr层具有很好的结合力， 同时crn/alsccrn多层涂层后可以降低alsccrn压电功能层和紧固件热膨胀系数的差别。在 支撑层制备结束后，关闭cr靶，形成alsccrn压电功能层，由于crn/alsccrn多层涂层形 成了很好的硬度梯度，所以alsccrn压电功能层和crn/alsccrn多层涂层之间形成了很好的 应力匹配，高低温冲击时不会形成剥落。当alsccrn压电功能层制备结束后，为了提高其表 面的稳定性和抗氧化能力，通入氧气和氮气以及开启alsccr靶，在表面制备alsccron保护 层。制备结束后得到alsccrn涂层智能紧固件。
24.本发明具有以下有益效果：
25.第一，本发明首次将cr掺杂到alscn压电涂层中形成alsccrn涂层，使涂层具有比常 规alscn压电涂层更好的硬度、耐磨和韧性；二，本发明充分利用梯度结构和纳米多层结构， 形成结构和成分渐变，涂层和基体应力较低，具有良好的附着力；第三，与常规单层的压电 涂层材料相比，本发明采用多层结构技术降低了涂层的内应力，避免其在高低温冲击时发生 破裂；第四，本发明将alsccron涂层制备在压电复合涂层的表面，可以在高温时很好的保 护压电复合涂层不被氧化，提高其高温稳定性。第五，本发明将大功率电弧离子镀和射频溅 射技术结合应用到alsccrn压电复合涂层材料的制备中，不但沉积速率快，同时其结晶和结 合性能更好，将会大幅度提高压电涂层材料在各种不同材料上的适应性，扩展了其应用领域。
26.本发明所制备高硬度耐磨智能紧固件用alsccrn复合压电涂层具有高硬度、高耐磨和高 结合力特性，可以保证压电涂层在高温条件下长期存在于紧固件表面，减少其失效的可能性。 同时其工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的生产成本。
27.本发明具有以下优点和有益效果：
28.第一，本发明首次将cr掺杂到alscn压电涂层中形成alsccrn涂层，使涂层具有比常 规alscn压电涂层更好的硬度、耐磨和韧性；二，本发明充分利用梯度结构和纳米多层结构， 形成结构和成分渐变，涂层和基体应力较低，具有良好的附着力；第三，与常规单层的压电 涂层材料相比，本发明采用多层结构技术降低了涂层的内应力，避免其在高低温冲击时发生 破裂；第四，本发明将alsccron涂层制备在压电复合涂层的表面，可以在高温时很好的保 护压电复合涂层不被氧化，提高其高温稳定性。第五，本发明将大功率电弧离子镀和射频溅 射技术结合应用到alsccrn压电复合涂层材料的制备中，不但沉积速率快，同时其结晶和结 合性能更好，将会大幅度提高压电涂层材料在各种不同材料上的适应性，扩展了其应用领域。
29.本发明所制备高硬度耐磨智能紧固件用alsccrn复合压电涂层具有高硬度、高耐磨和高 结合力特性，可以保证压电涂层在高温条件下长期存在于紧固件表面，减少其失效的可能性。 同时其工业生产批量容易实现，加工效率较高，可以大幅度降低厂家的生产成本。
附图说明
30.图1为本发明中所采用的涂层装置示意图；
31.图2为本发明设计的涂层结构示意图。
32.图中，1.刻蚀cr靶；2.加热器；3.alsccr靶；4.抽气口；5.cr靶；6.工件架；7.辅助阳 极；8.挡板；11.基体；12.cr结合层；13.crn/alsccrn支撑层；14.alsccrn压电功能层；15. alsccrn保护层。
具体实施方式
33.为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅 局限于下面的实施例。
34.实施例1
35.一种智能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂层的制备方法，包括以下步骤：在100℃， 氩气和氢气环境中，对基片进行等离子刻蚀；刻蚀结束后，在0.4pa，50v沉积10纳米cr 结合层；在0.5pa，10v条件沉积600纳米的crn/alsccrn支撑层，crn单层厚为10纳米， alsccrn单层厚度为10纳米，调制周期为20纳米；在0.5pa，0v条件下沉积1500纳米的(002) 取向的alsccrn柱状晶涂层，柱状晶的直径为20纳米，cr的含量为0；在1pa，0v条件下 沉积500纳米的alsccron保护层，涂层绝缘电阻大于500mω，表面粗糙度小于30纳米； 涂层总厚度在控制在2.61微米，制备结束后自然冷却，得到alsccrn纳米复合压电涂层耐高 温智能紧固件。
36.实施例2
37.一种智能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂层的制备方法，包括以下步骤：在400℃， 氩气和氢气环境中，对基片进行等离子刻蚀；刻蚀结束后，在0.8pa，150v沉积60纳米cr 结合层；在2pa，200v条件沉积1200纳米的crn/alsccrn支撑层，crn单层厚为20纳米， alsccrn单层厚度为100纳米，调制周期为120纳米；在4pa，150v条件下沉积15000纳米 的(002)取向的alsccrn柱状晶涂层，柱状晶的直径为500纳米，cr的含量为10at.％；在 3pa，200v条件下沉积2500纳米的alsccron保护层，涂层绝缘电阻大于500mω，表面粗 糙度小于30纳米；涂层总厚度在控制在18.76微米，制备结束后自然冷却，得到alsccrn纳 米复合压电涂层耐高温智能紧固件。
38.实施例3
39.一种智能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂层的制备方法，包括以下步骤：在300℃， 氩气和氢气环境中，对基片进行等离子刻蚀；刻蚀结束后，在0.6pa，100v沉积50纳米cr 结合层；在1pa，100v条件沉积1000纳米的crn/alsccrn支撑层，crn单层厚为15纳米， alsccrn单层厚度为50纳米，调制周期为100纳米；在1pa，100v条件下沉积10000纳米 的(002)取向的alsccrn柱状晶涂层，柱状晶的直径为100纳米，cr的含量为5at.％；在 2pa，100v条件下沉积1000纳米的alsccron保护层，涂层绝缘电阻大于500mω，表面粗 糙度小于30纳米；涂层总厚度在控制在12.05微米，制备结束后自然冷却，得到alsccrn纳 米复合压电涂层耐高温智能紧固件。
40.实施例4
41.一种智能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂层的制备方法，包括以下步骤：在300
℃， 氩气和氢气环境中，对基片进行等离子刻蚀；刻蚀结束后，在0.5pa，120v沉积40纳米cr 结合层；在0.5pa，100v条件沉积900纳米的crn/alsccrn支撑层，crn单层厚为15纳米， alsccrn单层厚度为15纳米，调制周期为30纳米；在1pa，100v条件下沉积12000纳米的 (002)取向的alsccrn柱状晶涂层，柱状晶的直径为300纳米，cr的含量为6at.％；在2.5pa， 100v条件下沉积2000纳米的alsccron保护层，涂层绝缘电阻大于500mω，表面粗糙度小 于30纳米；涂层总厚度在控制在14.94微米，制备结束后自然冷却，得到alsccrn纳米复合 压电涂层耐高温智能紧固件。
42.实施例5
43.一种智能紧固件用alsccrn纳米复合压电涂层的制备方法，包括以下步骤：在250℃， 氩气和氢气环境中，对基片进行等离子刻蚀；刻蚀结束后，在0.6pa，110v沉积30纳米cr 结合层；在1pa，130v条件沉积1000纳米的crn/alsccrn支撑层，crn单层厚为10纳米， alsccrn单层厚度为40纳米，调制周期为50纳米；在3pa，120v条件下沉积10000纳米的 (002)取向的alsccrn柱状晶涂层，柱状晶的直径为300纳米，cr的含量为8at.％；在2pa， 100v条件下沉积1500纳米的alsccron保护层，涂层绝缘电阻大于500mω，表面粗糙度小 于30纳米；涂层总厚度在控制在12.53微米，制备结束后自然冷却，得到alsccrn纳米复合 压电涂层耐高温智能紧固件。
44.图1所示为本发明所用的装置，装置的真空室由炉壁围成，真空室尺寸为600x600x600 mm。真空室设有抽气口4，抽真空机组通过抽气口4对真空室进行抽真空。真空室的四个角 是加热器2，加热功率25千瓦，提高加热效率。3个靶分3列安装在炉壁上，分别安装一个 刻蚀cr靶1、辅助阳极7和挡板8，一个镀膜alsccr靶3和一个cr靶5，样品装在工件架6 上。该布局使真空室中等离子体密度大幅度增加，工件完全浸没在等离子体中。使涂层沉积 速率、硬度、附着力得到较大的提高。由于对靶结构进行了优化，磁场分布更均匀，使磁控 溅射靶面刻蚀均匀，提高了涂层的均匀性。
45.图2为本发明设计的涂层结构示意图，从图中可以看出，涂层结构上存在成分和硬度梯 度，降低了涂层的应力，可沉积较厚的压电涂层。包括基体11，及依次沉积与基体11表面 的cr结合层12、crn/alsccrn支撑层13、alsccrn压电功能层14、alsccrn保护层15。
46.以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当 指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若 干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。