工件表面改性层及其制备方法与流程

1.本发明涉及采用物理气相沉积法进行表面改性的领域，特别是涉及一种用于航空液压油箱等工件的表面的改性层的制备方法，适用于铝合金材质等工件内壁表面耐腐蚀、耐磨损的改性层的制备。


背景技术：

2.航空液压油箱、齿轮等工件工作过程中，其内壁表面或外部表面做重复运动产生摩擦和磨损，而磨损产生的磨屑会进一步加剧磨损。在包括沙尘、潮湿、海洋环境等恶劣的自然环境下使用时，工件表面存在一定的发霉、腐蚀等现象，从而导致航空液压油箱的油箱内壁与活塞接触面失效、齿轮表面啮合失效等情况发生。液压油箱内壁接触面失效致使液压泵不能正常工作而导致飞机失去操纵，而齿轮表面啮合失效会造成无法正常传动，均具有严重的后果，因此需要对液压油箱内壁、齿轮表面等工件进行耐腐蚀、耐磨损防护处理来降低风险。目前工件表面改性层常用的方法为电镀硬铬涂层的方法，但该方法不仅会对环境造成污染，而且产品合格率低，不能满足要求。因此采用环保无污染的技术制备耐腐蚀、耐磨损的性能优异的改性层显得十分迫切。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种工件表面改性层的制备方法，制备的改性层不仅耐腐蚀以及耐磨损性强，且不易脱落。本发明的另一目的是提供一种通过上述方法制成的工件表面改性层。
4.为了实现上述目的，本发明的工件表面改性层的制备方法包括以下步骤：
5.s100，采用离子注入技术，在待改性工件的表面注入cr金属以形成注入层；
6.s200，于所述步骤s100之后，采用离子注入和磁控溅射相结合的技术，在待改性工件的表面沉积cral膜层以形成复合金属过渡层；
7.s300，于所述步骤s200之后，采用磁过滤阴极真空cral弧源以及cr弧源在待改性工件的表面沉积craln膜层和cr膜层以形成功能防护层。
8.上述的工件表面改性层的制备方法的一实施例中，所述步骤s300包括：
9.s310，采用磁过滤阴极真空cral弧源在待改性工件的表面沉积craln膜层；
10.s320，于所述步骤s310之后，采用磁过滤阴极真空cr弧源和cral弧源在待改性工件的表面沉积cr膜层和craln膜层，其中，cr膜层和craln膜层交替形成多次。
11.上述的工件表面改性层的制备方法的一实施例中，所述步骤s100中，真空度达到1.0
×
10-3
pa，离子源电压为45kv，引出束流为5ma，注入剂量为1～3
×
10
17
个/cm3。
12.上述的工件表面改性层的制备方法的一实施例中，所述步骤s200中，弧流60～70a，沉积负偏压控制在300～500v，占空比维持为70～90％，离子源电压为35～50kv，引出束流为5ma，沉积时间为5～10分钟。
13.上述的工件表面改性层的制备方法的一实施例中，所述步骤s310中，氮气流量控
制为50～70sccm，弧流60～70a，真空室的真空度维持在1.0
×
10-2
～2.0
×
10-2
pa，沉积负偏压控制在300～500v，占空比维持为70～90％，沉积时间为5～10分钟。
14.上述的工件表面改性层的制备方法的一实施例中，所述步骤s320中，形成每一层的craln膜层时，氮气流量控制为50～70sccm，弧流60～70a，真空室的真空度维持在1.0
×
10-2
～2.0
×
10-2
pa，沉积负偏压控制在100～300v，占空比维持为70～90％，沉积时间为10～20分钟。
15.本发明的工件表面改性层包括工件表面和形成于所述工件表面上的改性层，其中，所述改性层由上述的工件表面改性层的制备方法制成，所述改性层包括依次形成在所述工件表面上的注入层、复合金属过渡层以及功能防护层。
16.上述的工件表面改性层的一实施方式中，所述功能防护层包括：
17.第一功能防护层，包括第一craln膜层，形成在所述复合金属过渡层上；
18.第二功能防护层，形成在所述第一功能防护层上，包括层叠交替设置的cr膜层和第二craln膜层，其中，所述第一craln膜层的厚度小于第二craln膜层的厚度。
19.上述的工件表面改性层的一实施方式中，所述注入层的厚度为50～70nm，所述复合金属过渡层的厚度为50～200nm，所述功能防护层的厚度为2100～5300nm。
20.上述的工件表面改性层的一实施方式中，所述功能防护层中，所述第一craln膜层的厚度为100～300nm，每一层的所述cr膜层的厚度为100～300nm，每一层的所述第二craln膜层的厚度为300～500nm。
21.本发明的有益功效在于，采用本发明的工件表面改性层的制备方法制成的改性层与工件表面的结合力强，膜层均匀，不仅能够有效避免改性层脱落，而且提高了工件的使用寿命。
22.以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
23.图1为本发明的工件表面改性层的局部剖面简图；
24.图2为本发明的工件表面改性层的制备方法的流程图；
25.图3为采用本发明的制备方法的航空液压油箱的表面改性后的耐96小时盐雾腐蚀性能照片。
26.其中，附图标记
27.410：内壁
28.420：改性层
29.421：注入层
30.422：复合金属过渡层
31.423：功能防护层
32.4231：第一功能防护层
33.4232：第二功能防护层
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解
本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
35.本发明的工件表面改性层的制备方法适用于有耐腐蚀、耐磨损需求的各种工件，例如航空液压油箱、齿轮等等。本发明的制备方法采用离子注入和磁过滤阴极真空弧放电技术相结合的离子束辅助沉积技术于工件表面沉积金属过渡层，采用磁过滤阴极真空弧放电技术沉积金属/陶瓷多层复合膜层。采用本发明的制备方法在工件内壁或外表面制备的耐腐蚀、耐磨损的改性层与工件的结合力强，膜层均匀，可有效解决耐腐蚀、耐磨损改性层脱落的问题，增加了改性层与基体间的结合力，提高了其使用寿命。以下以工件例如为2a70铝合金材质的航空液压油箱为例进行说明。
36.详细来说，结合图1和图2，本发明的工件表面改性层的制备方法包括以下步骤：
37.s100，采用离子注入技术，在待改性工件的表面注入cr金属以形成注入层；
38.s200，于所述步骤s100之后，采用离子注入和磁控溅射相结合的技术，在待改性工件的表面沉积cral膜层以形成复合金属过渡层；
39.s300，于所述步骤s200之后，采用磁过滤阴极真空cral弧源以及cr弧源在待改性工件的表面沉积craln膜层和cr膜层以形成功能防护层。
40.也就是说，上述步骤s100、s200、s300依次进行，以在待改性工件的表面依次形成注入层、复合金属过渡层以及功能防护层。
41.进一步地，步骤s300包括：
42.s310，采用磁过滤阴极真空cral弧源在待改性工件的表面沉积craln膜层；
43.s320，于所述步骤s310之后，采用磁过滤阴极真空cr弧源和cral弧源在待改性工件的表面沉积cr膜层和craln膜层，其中，cr膜层和craln膜层交替形成多次。
44.其中，步骤s310中沉积craln膜层时的沉积负偏压高于步骤s320中沉积craln膜层时的沉积负偏压，并且，步骤s310中沉积craln膜层时的沉积时间低于步骤s320中沉积craln膜层的沉积时间，使得步骤s310形成的craln膜层厚度较薄。步骤s310所沉积的craln膜层能够提高膜层的结合力。
45.根据上述方法，结合图1，本发明的航空液压油箱包括内壁410和形成于内壁上的改性层420，改性层420包括依次形成在内壁410上的注入层421、复合金属过渡层422以及功能防护层423，即注入层421首先形成在内壁410上，复合金属过渡层422形成在注入层421上，功能防护层423形成在复合金属过渡层422上。
46.制备的航空液压油箱的防护涂层是硬质涂层，一般来说，航空液压油箱的材料是铝，硬度较低。本发明制备的改性层420的注入层421的用途是提高基体表面的硬度，即提高航空液压油箱的内壁410的表面的硬度，从而降低基体表层硬度和沉积涂层硬度差，减小涂层和基体之间的内应力。并，注入cr后，材料表面的成分形成了cral合金，与后面沉积的复合金属过渡层422的元素组成一致，可进一步提高涂层和基体的结合力。复合金属过渡层422的主要作用是提高涂层的结合力。功能防护层423的作用是提高工件的耐磨性以及耐腐蚀性能。
47.其中，功能防护层423包括第一功能防护层4231和第二功能防护层4232，第一功能防护层4231包括第一craln膜层，第一craln膜层形成在复合金属过渡层422上，第二功能防护层4232形成在第一功能防护层4231上，第二功能防护层4232包括层叠交替设置的cr膜层和第二craln膜层，其中，第一功能防护层4231的第一craln膜层的厚度小于第二功能防护
层4232的第二craln膜层的厚度。
48.上述的注入层421的厚度为50～70nm，复合金属过渡层422的厚度为50～200nm，功能防护层423的厚度为2100～5300nm。
49.其中，功能防护层423中，第一功能防护层4231的第一craln膜层的厚度为100～300nm，第二功能防护层4232的每一层的cr膜层的厚度为100～300nm，每一层的第二craln膜层的厚度为300～500nm。
50.上述的航空液压油箱内壁的改性层420的接合力在80n以上，同等工况条件下，改性后工件的耐腐蚀性能提高2倍以上，耐磨损性能提高2倍以上。
51.上述的工件表面改性层的制备方法的步骤s100中，真空度达到1.0
×
10-3
pa，离子源电压为45kv，引出束流为5ma，注入剂量为1～3
×
10
17
个/cm3；步骤s200中，弧流60～70a，沉积负偏压控制在300～500v，占空比维持为70～90％，离子源电压为35～50kv，引出束流为5ma，沉积时间为5～10分钟。
52.上述的工件表面改性层的制备方法的步骤s310中，氮气流量控制为50～70sccm，弧流60～70a，真空室的真空度维持在1.0
×
10-2
～2.0
×
10-2
pa，沉积负偏压控制在300～500v，占空比维持为70～90％，沉积时间为5～10分钟；步骤s320中，形成每一层的craln膜层时，氮气流量控制为50～70sccm，弧流60～70a，真空室的真空度维持在1.0
×
10-2
～2.0
×
10-2
pa，沉积负偏压控制在100～300v，占空比维持为70～90％，沉积时间为10～20分钟。其中，步骤s320中，例如重复5～10次，以使cr膜层和craln膜层交替5～10次层叠。
53.如图1所示的实施例中，改性层420的cr膜层和craln膜层交替6次层叠。结合图3，本实施例制备的改性层420具体参数如下：
54.1、耐腐蚀性能：经过96小时盐雾试验后，试样表面制备有薄膜的部分未出现腐蚀坑或形成腐蚀产物。
55.2、耐磨性能：较未镀膜前，耐磨损性能提高至少3倍。
56.当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种工件表面改性层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s100，采用离子注入技术，在待改性工件的表面注入cr金属以形成注入层；s200，于所述步骤s100之后，采用离子注入和磁控溅射相结合的技术，在待改性工件的表面沉积cral膜层以形成复合金属过渡层；s300，于所述步骤s200之后，采用磁过滤阴极真空cral弧源以及cr弧源在待改性工件的表面沉积craln膜层和cr膜层以形成功能防护层。2.根据权利要求1所述的工件表面改性层的制备方法，其特征在于，所述步骤s300包括：s310，采用磁过滤阴极真空cral弧源在待改性工件的表面沉积craln膜层；s320，于所述步骤s310之后，采用磁过滤阴极真空cr弧源和cral弧源在待改性工件的表面沉积cr膜层和craln膜层，其中，cr膜层和craln膜层交替形成多次。3.根据权利要求1所述的工件表面改性层的制备方法，其特征在于，所述步骤s100中，真空度达到1.0
×
10-3
pa，离子源电压为45kv，引出束流为5ma，注入剂量为1～3
×
10
17
个/cm3。4.根据权利要求1所述的工件表面改性层的制备方法，其特征在于，所述步骤s200中，弧流60～70a，沉积负偏压控制在300～500v，占空比维持为70～90％，离子源电压为35～50kv，引出束流为5ma，沉积时间为5～10分钟。5.根据权利要求2所述的工件表面改性层的制备方法，其特征在于，所述步骤s310中，氮气流量控制为50～70sccm，弧流60～70a，真空室的真空度维持在1.0
×
10-2
～2.0
×
10-2
pa，沉积负偏压控制在300～500v，占空比维持为70～90％，沉积时间为5～10分钟。6.根据权利要求2所述的工件表面改性层的制备方法，其特征在于，所述步骤s320中，形成每一层的craln膜层时，氮气流量控制为50～70sccm，弧流60～70a，真空室的真空度维持在1.0
×
10-2
～2.0
×
10-2
pa，沉积负偏压控制在100～300v，占空比维持为70～90％，沉积时间为10～20分钟。7.一种工件表面改性层，包括工件表面和形成于所述工件表面上的改性层，其特征在于，所述改性层由权利要求1至6任一项所述的工件表面改性层的制备方法制成，所述改性层包括依次形成在所述工件表面上的注入层、复合金属过渡层以及功能防护层。8.根据权利要求7所述的工件表面改性层，其特征在于，所述功能防护层包括：第一功能防护层，包括第一craln膜层，形成在所述复合金属过渡层上；第二功能防护层，形成在所述第一功能防护层上，包括层叠交替设置的cr膜层和第二craln膜层，其中，所述第一craln膜层的厚度小于第二craln膜层的厚度。9.根据权利要求8所述的工件表面改性层，其特征在于，所述注入层的厚度为50～70nm，所述复合金属过渡层的厚度为50～200nm，所述功能防护层的厚度为2100～5300nm。10.根据权利要求9所述的工件表面改性层，其特征在于，所述功能防护层中，所述第一craln膜层的厚度为100～300nm，每一层的所述cr膜层的厚度为100～300nm，每一层的所述第二craln膜层的厚度为300～500nm。

技术总结
本发明公开一种工件表面改性层及该工件表面改性层的制备方法，该方法包括以下步骤：S100，采用离子注入技术，在待改性工件的表面注入Cr金属以形成注入层；S200，于所述步骤S100之后，采用离子注入和磁控溅射相结合的技术，在待改性工件的表面沉积CrAl膜层以形成复合金属过渡层；S300，于所述步骤S200之后，采用磁过滤阴极真空CrAl弧源以及Cr弧源在待改性工件的表面沉积CrAlN膜层和Cr膜层以形成功能防护层。采用本发明的工件表面改性层的制备方法制成的改性层与工件表面的结合力强，膜层均匀，不仅能够有效避免耐腐蚀、耐磨损的改性层脱落，而且提高了工件的使用寿命。而且提高了工件的使用寿命。而且提高了工件的使用寿命。


技术研发人员：邱维维 张昕 赵硕
受保护的技术使用者：北京机械工业自动化研究所有限公司
技术研发日：2022.01.07
技术公布日：2023/7/21