一种TiLaN复合薄膜的制备方法及耐磨制品与流程

一种tilan复合薄膜的制备方法及耐磨制品
技术领域
1.本发明属于磁控溅射制备镀覆层领域，具体涉及一种tilan复合薄膜的制备方法及耐磨制品。


背景技术：

2.tin薄膜具有硬度高、耐磨性好、化学稳定性高等优点，在切削高合金钢、不锈钢、钛合金、镍合金等材料表面有着良好的工程应用。但随着数控技术和加工中心的飞速发展，高精密的工模具和零件对硬质薄膜提出了更高的要求，已广泛应用的tin等硬质薄膜则表现出使用温度达到氧化临界温度时会快速氧化失效的缺点，继而影响其耐磨性。
3.刘大勇等进行了稀土铈对热作模具钢tin系离子镀涂层性能的改进研究(材料保护，2004年第8期，第32-35页)，其是以电弧离子镀的形式在钢基体上制备了添加稀土元素ce的tin系涂层，结果表明ce的加入能够提高涂层的耐磨性，提高膜基结合力，并使高温抗氧化性和抗热震性改善，从而能够提高相关制品的使用寿命和使用效果。
4.采用电弧离子镀技术制备的薄膜必然存在熔滴缺陷，这对膜层的力学及摩擦学性能不利。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种tilan复合薄膜的制备方法，具有良好的力学和摩擦学性能。
6.本发明的第二个目的在于提供上述制备方法得到的一种耐磨制品。
7.为实现上述目的，本发明的tilan复合薄膜的制备方法的技术方案是：
8.一种tilan复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)采用磁控溅射方式在基体上镀覆稀土合金过渡层；所述稀土合金过渡层为la和ti组成的钛合金，la为合金元素；
10.(2)采用磁控溅射方式在稀土合金过渡层上镀覆tilan膜层；tilan膜层由以下质量分数的组分组成：ti 55.3-59.2％，la 4.1％-6.9％，n26.2-30.8％，其余为o。
11.本发明的tilan复合薄膜的制备方法，在磁控溅射tin薄膜时掺杂稀土元素la，实现了复合薄膜的稀土改性，所得复合薄膜具有良好的硬度和摩擦学性能。
12.稀土la表面活性较强，其能够与薄膜中的杂质作用形成稳定的化合物，继而抑制杂质向结合面扩散，有效改善晶界状态并强化晶界，提高膜基结合力。而且由于la元素的掺入，抑制了tin薄膜柱状晶的快速生长，消除了成膜粒子在快速扩散时形成的孔洞，使复合薄膜的力学性能得到了增强，继而表现出优异的耐磨损性能。
13.优选的，步骤(1)中，工作气体为氩气，工作压强为0.2～0.5pa，靶材为la-ti合金，靶材溅射功率为160～240w。更优选的，溅射时间为10～30min。
14.优选的，步骤(2)中，工作气体为氮气，工作压强为0.2～0.6pa，靶材为la-ti合金，靶材溅射功率为160～240w。更优选的，溅射时间为100～150min。
6.9％，n26.2-30.8％，其余为o。优选为：ti 55.7-59.2％，la 5.4％-6.9％，n 26.9-28.3％，其余为o。
39.过渡层为la-ti粘附层，其组成为：la 7.6-10.6％，ti 78.5-87.1％，其余为o。
40.下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。
41.一、本发明的tilan复合薄膜的制备方法的具体实施例
42.实施例1
43.本实施例的tilan复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：
44.(1)在超声波清洗器中用无水乙醇清洗基片20min，然后用丙醇清洗基片15分钟。
45.(2)将基片装入真空室，先对真空室抽真空到5
×
10-4
pa，然后通入工作气体氩气，氩气流量为40sccm，控制真空室压强为0.3pa，对基片进行加热(加热至300℃)。
46.(3)在0.3pa的工作压强下，打开la-ti合金靶挡板，先用160w的脉冲电源激励la-ti合金靶材，形成稳定的辉光后，对基片表面镀制20分钟(不施加基体偏压)，使其表面形成一层厚度为200～300nm的la-ti粘附层。
47.la-ti合金靶由la和ti按质量比10:90组成，纯度为99.99％。
48.(4)通入氮气，氮气流量为40sccm，在工作压强为0.3pa、溅射功率为160w下溅射120分钟(不施加基体偏压)，使得在过渡层表面制备含稀土掺杂的tilan薄膜(厚度1～2μm)，然后自然冷却即可。
49.在本实施例中，在硅基片上进行磁控溅射，得到硅基制品；在钢基片上进行磁控溅射，得到钢基制品。
50.实施例2
51.本实施例的tilan复合薄膜的制备方法，将与实施例1的主要区别之处说明如下，其他未介绍之处与实施例1相同。
52.步骤(3)中，调节la-ti靶溅射功率至200w，时间为20分钟。
53.步骤(4)中，la-ti靶溅射功率为200w，时间为120分钟。
54.实施例3
55.本实施例的tilan复合薄膜的制备方法，将与实施例1的主要区别之处说明如下，其他未介绍之处与实施例1相同。
56.步骤(3)中，调节la-ti靶溅射功率至240w，时间为20分钟。
57.步骤(4)中，la-ti靶溅射功率为240w，时间为120分钟。
58.二、耐磨制品的实施例
59.实施例4
60.本实施例的耐磨制品，对应实施例1的方法所得产品，包括基体，通过磁控溅射方式镀覆在基体上的稀土合金过渡层，以及通过磁控溅射方式镀覆在稀土合金过渡层上的tilan膜层。稀土合金过渡层的成分组成为：la 10.6％，ti 78.5％，其余为o。厚度为200～300nm。
61.tilan膜层的成分组成为：la 6.8％，ti 55.7％，n 27.4％，其余为o。厚度为1～2μm。
62.基体为304不锈钢或者单晶硅。
63.实施例5
64.本实施例的耐磨制品，对应实施例2的方法所得产品，与实施例4的主要区别说明如下，其他未介绍之处与实施例4相同。
65.稀土合金过渡层的成分组成为：la 8.9％，ti 83.7％，其余为o。
66.tilan膜层的成分组成为：la5.4％，ti58.1％，n 28.3％，其余为o。
67.实施例6
68.本实施例的耐磨制品，对应实施例3的方法所得产品，与实施例4的主要区别说明如下，其他未介绍之处与实施例4相同。
69.稀土合金过渡层的成分组成为：la 7.6％，ti 87.1％，其余为o。
70.tilan膜层的成分组成为：la 6.2％，ti 59.2％，n26.9％，其余为o。
71.三、对比例
72.对比例制备tin薄膜，与实施例2相比，过渡层相同，tin薄膜的制备过程为：氩气流量为40sccm，氮气流量40sccm，在工作压强为0.3pa，ti靶(直流电源)溅射功率为200w。
73.四、实验例
74.实验例1
75.本实验例测试各实施例的tilan膜层的外观形貌，结果如图1～3所示。
76.由图1～3可知，实施例所制备的tilan膜层的外观致密、均匀，并无电弧离子镀膜存在的熔滴、针孔缺陷，这对提高膜层的力学及其摩擦学性能有利。
77.实验例2
78.本实验例测试各实施例的膜基结合力(外部膜层与基体的结合力)，硬度及摩擦系数。膜基结合力和摩擦系数为钢基体，其他测试项目为单晶硅基体。膜基结合力、硬度、摩擦系数的测试按照(硬度按照压入深度100nm、载荷50mn进行，膜基结合力测试时划痕速度6mm/min，最大加载力200n；摩擦系数测试时摩擦半径3mm，对磨球直径6mm，转速336r/min，载荷1n的)方法进行，结果如表1所示。
79.表1个实施例的力学性能测试结果
80.实例编号膜基结合力硬度平均摩擦系数实施例151n13.1gpa0.816实施例256n15.2gpa0.31实施例348n10.9gpa0.792对比例1:tin50n14.3gpa0.342
81.由表1的结果可知，实施例制备的tilan膜层的结合力、硬度性能良好，且平均摩擦系数较低。其中实施例2的方法的综合性能最佳。
82.图4～6分别为实施例1～3的方法所得制品的磨损形貌，可以看出，实施例2的制品表现出最佳的耐磨特性。