镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层的方法技术

镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层的方法，涉及镁合金表面处理。包括以下步骤：1)镁合金首先经过机械研磨抛光、化学刻蚀等湿法前处理后放入溅射室进行烘烤，再进行离子轰击干法清洗处理除去表层氧化膜并粗糙化表面；2)采用直流、射频共溅射模式在镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层。通过将微量非晶态Si3N4通过掺杂引入金属Hf涂层，利用Si、N原子部分取代Hf从而细化涂层晶粒尺寸，弱化柱状晶结构，提高涂层致密度，在镁合金样品表面制备结构、成分可控、具有良好导电且耐腐蚀性能，以金属Hf为主、非晶态陶瓷Si3N4为辅的纳米复合结构涂层的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及镁合金表面处理，尤其是涉及一种镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层的方法。
技术介绍
面对能源短缺与环境污染等生态问题，轻量化成为各个行业的追求目标之一。相比较于目前广泛使用的钢材、钛合金、铝合金等传统材料，镁合金具有更低的密度，同等的比强度以及优良的导电导热和电磁屏蔽特性等诸多优点，已经在汽车轻轨、航空航天、电子器件等领域得到初步应用[1]。然而，镁电位较负(-2.73V vs SHE)且表面氧化膜不具备防护作用，易于发生腐蚀且耐磨性能极差，因此对其表面进行改性是拓宽镁合金应用的重要措施。物理气相沉积(PVD)镀膜技术具有涂层材料选择性广、对环境友好的优点，在众多表面改性技术中脱颖而出成为研究的热点[2]。其基本原理利用辉光放电等离子体轰击靶材表面，溅射出原子或原子团簇在较高动能作用下直接沉积至基体表面与基体间无化学或电化学反应，因而成膜结构致密、成分均匀且与基体结合力强。截至目前，各种各样的硬质涂层已经在镁合金上得到了尝试，结果表明镁合金的耐磨性能得到了显著提升，但是此类陶瓷类涂层与镁合金之间存在严重的电偶腐蚀作用，镁合金电位负为溶解阳极，涂层电位较正为阴极[3]。在腐蚀试验中陶瓷涂层非但对基体没有起到保护作用反而加速了镁合金的腐蚀。并且，陶瓷类涂层电阻较高不能满足电子通信领域对于导电性能的严苛要求。Tang等人[4]通过研究发现，把金属作为过渡层能有效降低涂层与基体间的电偶作用并且保证良好的导电性能。而本申请人在前期的研究中发现，相较于其他金属涂层，铪(Hf)对镁合金无论在短期还是长期均具有十分优异的保护性能[5]。但是经过试验之后仍然出现点蚀。进一步研究分析发现,影响腐蚀发生的一个重要因素是PVD涂层中存在结构缺陷包括本征缺陷与随机缺陷。缺陷为腐蚀介质提供快速扩散通道，进而诱发点蚀发生造成涂层失效。根据涂层沉积原理，由于涂层生长过程中阴影效应的存在，PVD涂层中的本征缺陷是不可避免的，因此如何减少贯穿性缺陷成为进一步提升PVD涂层性能的关键。吴制备的Al/Ti复合多层涂层在一定程度上能够减少涂层中贯穿性缺陷，但是涂层内部Al与Ti不同
化学电位之间却引发电偶腐蚀，使涂层自身失效对基体失去保护功能[6]。另一种解决贯穿性缺陷的途径是通过向主体涂层中掺杂第二或第三组元，增强涂层致密度，促进涂层整体非晶化，进而提高涂层性能。Hoche将Mg引入TiN通过增大Mg的含量从而促进涂层致密化、晶粒细化并且降低涂层与基体间的电位差，应用与镁合金上取得了良好的防护效果。参考文献：[1]陈先华，耿玉晓，刘娟，材料科学与工程学报，31(2013):148.[2]吴国松，曾小勤，郭兴伍，姚寿山，材料工程,1(2006):61.[3]H.Hoche,C.Blawert,E.Broszeit,C.Berger,Surface and Coatings Technology,193(2005):223.[4]Y.Xin,C.Liu,K.Huo,G.Tang,X.Tian,P.K.Chu,Surface and Coatings technology,203(2009):2554.[5]D.F.Zhang,B.B.Wei,Z.T.Wu,Z.B.Qi,Z.C.Wang.Surface and Coatings Technology,2016In press.[6]G.Wu,Materials Letters,61(2007)3815.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层的方法。本专利技术包括以下步骤：1)镁合金首先经过机械研磨抛光、化学刻蚀等湿法前处理后放入溅射室进行烘烤，再进行离子轰击干法清洗处理除去表层氧化膜并粗糙化表面；2)采用直流、射频共溅射模式在镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层。在步骤2)中，所述在镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层可在镁合金经过机械研磨抛光、化学刻蚀等湿法前处理后，确认腔体环境温度为80℃，镁合金基体温度为250℃后进行如下操作：(1)调节Ar流量至40.0sccm，调节腔室压力至0.5Pa；转动样品台，使镁合金基体处于金属Hf靶及Si3N4靶中间位置，且与两靶材的距离为15.0cm；(2)同时打开金属Hf靶直流溅射电源及Si3N4靶射频溅射电源，为了能够保持涂层的导电性能，设置其溅射功率参数如下：金属Hf靶直流溅射功率设定为200W；调节Si3N4靶射频溅射功率为50、100、150、200W，控制沉积时间为90min，沉积过程中对基体施加偏压-75
V，最后在镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层。本专利技术综合利用Hf涂层自身优良的导电耐腐蚀性能与Si3N4涂层无定型非晶态良好的离子阻隔性能，在一定沉积压强、温度、气体流量等条件下，在镁合金基体上制备了多功能Hf/Si3N4纳米复合结构涂层。由于镁合金与复合涂层之间存在热膨胀系数的差异，再加上涂层本身具有较大内应力暴露大气之后易于剥落。实验发现，由于其剥落程度与溅射时间及基体偏压具有重大关系，因此本专利技术优选最佳溅射时间与基体偏压保证该工艺在增强涂层致密度的同时而不会引起涂层剥落等负面影响。采用直流、射频共溅射在镁合金表面制备出兼具良好导电性与耐腐蚀性能的Hf/Si3N4纳米复合结构涂层。(1)XRD峰位置左偏，相对峰强度发生转变，证明非晶态Si3N4的掺杂显著促进Hf涂层的晶粒细化，有效提高了涂层的致密度。(2)随Si3N4溅射功率增加，涂层晶粒尺寸得到细化，涂层表面粗糙度降低。(3)Hf/Si3N4纳米复合结构涂层显著降低了镁合金基体的腐蚀速度，与空白样比较，腐蚀电流密度下降2～3个数量级；随Si、N含量增加，腐蚀电流密度下降。(4)Hf/Si3N4纳米复合结构涂层显著提升了镁合金的耐蚀能力，随Si3N4溅射功率增加，极化阻值由188.7Ω上升至7574.7，8360.7，8644.5，10033.0Ω。(5)涂层孔隙率随Si3N4溅射功率增加而逐渐降低：2.49％，2.26％，2.18％，1.88％。(6)涂覆Hf/Si3N4纳米复合结构涂层的镁合金，不但在短时间电化学腐蚀测试中表现出优异的耐蚀能力，在长期析氢试验与中性盐雾试验中也表现出较好的保护效果，10天析氢试验后涂覆涂层的样品析氢量明显降低，48h盐雾试验后镁合金空白样表面完全发生腐蚀，涂覆多层复合涂层的样品则仅仅出现极小的点蚀。腐蚀评级8～9。(7)掺杂Si3N4随掺杂量的增加会在一定程度上降低涂层的导电能力，电导率由6.95MS/m下降至6.9，6.7，6.31MS/m。本专利技术通过将微量非晶态Si3N4通过掺杂引入金属Hf涂层，利用Si、N原子部分取代Hf从而细化涂层晶粒尺寸，弱化柱状晶结构，提高涂层致密度，在镁合金样品表面制备结构、成分可控、具有良好导电且耐腐蚀性能的以金属Hf为主、非晶态陶瓷Si3N4为辅的纳米复合结构涂层的方法。本专利技术采用磁控溅射技术在镁合金样品表面制备结构、成分可控，具有良好导电且耐腐蚀性能的以金属Hf为主、非晶态陶瓷Si3N4为辅复合结构涂层的方法。本专利技术将无定型结构Si3N4引入Hf，主要考虑Si3N4的引入本文档来自技高网...

【技术保护点】
镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：1)镁合金首先经过机械研磨抛光、化学刻蚀等湿法前处理后放入溅射室进行烘烤，再进行离子轰击干法清洗处理除去表层氧化膜并粗糙化表面；2)采用直流、射频共溅射模式在镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层。

【技术特征摘要】
1.镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：1)镁合金首先经过机械研磨抛光、化学刻蚀等湿法前处理后放入溅射室进行烘烤，再进行离子轰击干法清洗处理除去表层氧化膜并粗糙化表面；2)采用直流、射频共溅射模式在镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层。2.如权利要求1所述镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层的方法，其特征在于在步骤2)中，所述在镁合金上制备铪/氮化硅导电且耐蚀纳米复合涂层是在镁合金经过机械研磨抛光、化学刻蚀等湿法前处理后，确认腔体环境温度为80℃，镁合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：王周成，张东方，魏斌斌，吴正涛，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35