磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法
2023-06-23 07:03:11
專利名稱：磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法
技術領域：
本發明屬於耐磨耐蝕塗層領域；具體涉及磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法。
背景技術：
船艦的螺旋推進器、軸和潛艇密封件等部件不僅要求有優異的力學性能，以降低運行中產生的磨損；更重要的是能在航海環境中抵禦海水的腐蝕。但是海水中大量存在的氯離子對不鏽鋼具有很強的破壞性，氯離子能優先選擇吸附在不鏽鋼的鈍化膜上，與鈍化膜中的陽離子結合成可溶性物質，從而對不鏽鋼造成破壞性的腐蝕。因此，在不鏽鋼基底上沉積耐磨耐蝕塗層是解決此問題的可行方法。磷化硼薄膜憑藉其高硬度、高模量以及化學穩定性，顯現出優異的耐磨耐蝕性能，能成為艦船上不鏽鋼部件表面保護塗層的優選材料。目前常用的熱分解和PECVD等製備方法，往往出現沉積溫度高、表面缺陷多以及氣路複雜不安全等問題。沉積溫度對薄膜的結晶質量有影響，過高的溫度會產生立方BP至斜六方 B12P2的相變，使薄膜的力學性能下降；表面缺陷的增加會加快其腐蝕速率、影響其磨損壽命；而氣路的複雜不安全性也不利於實際應用。
發明內容
本發明要解決現有磷化硼薄膜製備方法存在壽命短的技術問題；而提供了磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法。能滿足精確控制成分、均勻緻密且缺陷少以及高沉積速率等要求的磷化硼薄膜，以獲得理想的結構與相應的優良性能，從而滿足耐磨耐蝕的實用需求。本發明中磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法是按下述步驟進行的步驟一、將不鏽鋼襯底依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗；步驟二、將步驟一處理後的不鏽鋼襯底置於磁控濺射真空倉內的加熱臺上，然後對真空倉進行抽真空至真空度達到1. OXlO-7 9. 9X 10_7Pa，啟動加熱裝置，加熱至200 600°C後保溫10 30分鐘；步驟三、然後向真空倉內通入氬氣至真空倉內壓強為3 5Pa，對不鏽鋼襯底表面進行反濺清洗3 5分鐘；步驟四、再施加濺射功率啟輝，濺射功率為120 160W，調節氬氣的氣體流量為 50 lOOsccm，PH3的氣體流量為3 50sCCm，高純硼作濺射靶材，移開擋板向不鏽鋼襯底表面鍍膜，鍍膜結束後，關閉所有電源，待真空倉內溫度降至室溫時即製得磷化硼耐磨耐蝕塗層。本發明製備的磷化硼薄膜具有很高的硬度(硬度在^GPa以上)與模量(在 260GPa以上)，與基底良好的附著性以及很低的殘餘應力(僅為SOOGPa)，在摩擦磨損過程中磨損率小，磨損壽命長，能對基底起到很好的保護作用；本發明方法製備的磷化硼薄膜具有均勻緻密(表面粗糙度僅為2nm)的結構，能有效抵禦腐蝕粒子的侵蝕，顯著提高了基底的耐腐蝕性能。適於船艦上螺旋推進器、軸和潛艇密封件等不鏽鋼部件防止被海水腐蝕。
圖1為磷化硼塗層經過附著力測試、中度摩擦和重度摩擦測試後的光學顯微照片；圖2是不鏽鋼基底沉積磷化硼薄膜前後的Tafel曲線圖，圖中1表示不鏽鋼基底的 Tafel曲線，2表示不鏽鋼基底表面上沉積磷化硼薄膜的Tafel曲線。
具體實施例方式本發明技術方案不局限於以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式中磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法是按下述步驟進行的步驟一、將不鏽鋼襯底依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗；步驟二、將步驟一處理後的不鏽鋼襯底置於磁控濺射真空倉內的加熱臺上，然後對真空倉進行抽真空至真空度達到1. OXlO-7 9. 9X 10_7Pa，啟動加熱裝置，加熱至200 600°C後保溫10 30分鐘；步驟三、然後向真空倉內通入氬氣至真空倉內壓強為3 5Pa，對不鏽鋼襯底表面進行反濺清洗3 5分鐘；步驟四、再施加濺射功率啟輝，濺射功率為120 160W，調節氬氣的氣體流量為 50 100sCCm，PH3的氣體流量為3 50sCCm，高純硼(彡99. 99% )作濺射靶材，移開擋板向不鏽鋼襯底表面鍍膜，鍍膜結束後，關閉所有電源，待真空倉內溫度降至室溫時即製得磷化硼耐磨耐蝕塗層。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二所述加熱溫度為550°C。其它步驟和參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟四的濺射功率為 140W。其它步驟和參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟四所述 PH3的氣體流量為10 40sCCm。其它步驟和參數與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟四所述 PH3的氣體流量為20sCCm。其它步驟和參數與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟四所述 PH3的氣體流量為30sCCm。其它步驟和參數與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
七本實施方式中磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法是按下述步驟進行的步驟一、將不鏽鋼襯底依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗，每次清洗15分鐘；步驟二、將步驟一處理後的不鏽鋼襯底置於磁控濺射真空倉內的加熱臺上，然後對真空倉進行抽真空至真空度達到7. OX 10_4Pa，啟動加熱裝置，加熱至600°C後保溫10分鐘；步驟三、然後向真空倉內通入氬氣至真空倉內壓強為3Pa，對不鏽鋼襯底表面進行反濺清洗5分鐘；步驟四、再施加濺射功率啟輝，濺射功率為140W，調節氬氣的氣體流量為50sCCm，PH3的氣體流量為6sCCm，高純硼(質量純度為99. 99% )作濺射靶材，移開擋板向不鏽鋼襯底表面鍍膜30min，鍍膜結束後，關閉所有電源，待真空倉內溫度降至室溫時即製得磷化硼耐磨耐蝕塗層。本方法製備塗層的厚度為30nm，表面粗糙度僅為2nm，硬度為^GPa，楊氏模量為 260GPa，殘餘應力僅為SOOGPa。摩擦磨損過程中以載荷為200g的碳化矽陶瓷球作摩擦副， 在此條件下的磨損率為8. 95X 10-1(1讓7_。本實施方式按照國家標準GJB-2485-95和美軍標MIL-48616的光學薄膜測試通用規範與要求(見表1)，採用膠帶剝離法和摩擦法對磷化硼薄膜的附著性能進行定性的評價，分別對薄膜採取附著力測試、中度摩擦和重度摩擦測試。待測試結束後，利用雷射共聚焦顯微鏡對薄膜表面的損壞情況進行觀察(見圖1)。結果發現所有薄膜均未破壞，膜層表面光滑，無脫落現象。表明薄膜滿足標準要求，與基底具有較好的附著性。表1光學薄膜耐環境評測實驗標準
實驗項目實驗描述附著力用2cm寬剝離強度不小於2.74N/cm的膠帶牢牢粘在薄膜表面上，垂直迅速拉起中度摩擦用壓力為4.9N的外裹脫脂棉的橡皮摩擦頭摩擦25個來回重度摩擦用壓力為9.8N的外裹脫脂棉的橡皮摩擦頭摩擦20個來回 由圖2可知，沉積了磷化硼薄膜後具有更高的腐蝕電位和更小的腐蝕電流密度， 降低了腐蝕發生的可能性以及腐蝕的速率，因此磷化硼薄膜可以顯著提高不鏽鋼抵抗鹽溶液腐蝕的能力。
權利要求
1.磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法，其特徵在於磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法是按下述步驟進行的步驟一、將不鏽鋼襯底依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗；步驟二、將步驟一處理後的不鏽鋼襯底置於磁控濺射真空倉內的加熱臺上，然後對真空倉進行抽真空至真空度達到1. OX 10_7 9. 9X 10_7Pa，啟動加熱裝置，加熱至200 600°C後保溫10 30分鐘；步驟三、然後向真空倉內通入氬氣至真空倉內壓強為3 5Pa，對不鏽鋼襯底表面進行反濺清洗3 5分鐘；步驟四、再施加濺射功率啟輝，濺射功率為120 160W，調節氬氣的氣體流量為50 100sccm,PH3的氣體流量為3 50sCCm，高純硼作濺射靶材，移開擋板向不鏽鋼襯底表面鍍膜，鍍膜結束後，關閉所有電源，待真空倉內溫度降至室溫時即製得磷化硼耐磨耐蝕塗層。
2.根據權利要求1所述的磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法，其特徵在於步驟二所述加熱溫度為550°C。
3.根據權利要求1所述的磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法，其特徵在於步驟四的濺射功率為140W。
4.根據權利要求1、2或3所述的磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法，其特徵在於步驟四所述PH3的氣體流量為10 40sccm。
5.根據權利要求1、2或3所述的磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法，其特徵在於步驟四所述PH3的氣體流量為20sCCm。
6.根據權利要求1、2或3所述的磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法，其特徵在於步驟四所述PH3的氣體流量為30sCCm。
全文摘要
磷化硼耐磨耐蝕塗層的製備方法，它屬於耐磨耐蝕塗層領域。本發明要解決現有磷化硼薄膜製備方法存在壽命短的技術問題。本發明方法一、超聲清洗；二、將步驟一處理後的不鏽鋼襯底置於磁控濺射真空倉內的加熱臺上，然後對真空倉進行抽真空至真空度達到1.0×10-7～9.9×10-7Pa，啟動加熱裝置，加熱至200～600℃後保溫10～30分鐘；步驟三、反濺清洗；步驟四、以高純硼靶和PH3做反應物鍍膜，製得磷化硼耐磨耐蝕塗層。本發明製備的磷化硼薄膜具有很高的硬度與模量，與基底良好的附著性以及很低的殘餘應力，在摩擦磨損過程中磨損率小，磨損壽命長。
文檔編號C23C14/35GK102251214SQ20111018513
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月4日 優先權日2011年7月4日
發明者朱嘉琦, 沈偉霞, 王家智, 賈澤純, 韓傑才 申請人:哈爾濱工業大學