[发明专利]一种具有纳米多级结构的金属Cr涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有纳米多级结构的金属Cr涂层及其制备方法，通过磁控溅射在洁净的硅基体上沉积制备具有纳米多级结构的金属Cr涂层，其原理是Ar气经辉光放电后产生高密度Ar⁺，Ar⁺在电场的作用下被强烈吸引到负电极并以高速率轰击两个金属Cr直流靶，形成碰撞级联过程溅射出靶原子和二次电子，Cr原子最终反向运动至阳极的硅基体上沉积，而二次电子在正交电磁场的运动方向与电场、磁场垂直，以旋轮线的形式循环运动，提高了Ar的电离率，增加了离子密度和能量，从而实现高速率溅射。最终本发明在不同的沉积气压下制备出具有纳米多级结构的金属Cr涂层。

技术领域

本发明属于材料表面改性领域，具体涉及一种具有纳米多级结构的金属Cr涂层及其制备方法。

背景技术

金属Cr涂层具有良好的耐腐蚀性、较高的熔点以及优异的力学强度和耐磨性，同时具有良好的化学惰性、高温氧化性能以及衬底附着力。目前已有多种制备方法用于沉积金属Cr涂层，其中磁控溅射法因其能量低、沉积速率可控、工艺重复性好，是一种比较成熟的涂层制备技术。磁控溅射所制备的金属Cr涂层通常表现为柱状晶的生长形貌，柱状晶的连续性晶界是一种缺陷，其在外力作用下容易造成涂层的开裂和剥落，因而柱状晶的持续生长不利于金属Cr涂层性能的改善。

涂层制备技术和工艺参数的改变会显著影响金属Cr涂层沉积生长过程中的表面扩散能力和体扩散能力，进而决定金属Cr涂层的微观组织结构，从而改善和提高涂层的质量和性能。为了能够在高温氧化等极端环境中提供有效的防护，金属Cr涂层必须具备均匀致密的微观组织以及优异的性能，这就依赖于金属Cr涂层所采用的制备技术和工艺参数。如何选择适当的磁控溅射工艺参数，通过调控涂层的微观组织结构，制备出性能优异的金属Cr涂层是当前研究的重点。

发明内容

针对现有技术中金属Cr涂层在外力作用下容易造成涂层的开裂和剥落的问题，本发明提供一种具有纳米多级结构的金属Cr涂层及其制备方法，实现金属Cr涂层微观组织的调控，增强高涂层的附着力。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种具有纳米多级结构的金属Cr涂层，所述金属Cr涂层的晶粒形貌为柱状晶，且柱状晶表面为具有多级微纳尺度的杨桃状结构，厚度为3.92μm-4.80μm。

优选的，所述金属Cr涂层的晶粒尺寸为180～315nm。

一种具有纳米多级结构的金属Cr涂层的制备方法，在真空环境下，对洁净的基体进行刻蚀，然后采用两个金属Cr靶对刻蚀后的硅基体进行直流磁控溅射，溅射沉积后随炉冷却至室温，得到具有纳米多级结构的金属Cr涂层；

沉积功率均为200W，沉积气压为0.5-1.5Pa，沉积过程中氩气流速设定为40-90sccm。

优选的，所述真空度在1.0×10^-4Pa以下。

优选的，所述刻蚀的功率为200W，刻蚀气压为1.0Pa，刻蚀时间为5min。

优选的，对基体刻蚀后进行预溅射，先通入氩气，通气时间至少为30s，预溅射时间至少为10s。

优选的，所述磁控溅射沉积过程中硅基体转速为10r/min。

优选的，所述磁控溅射沉积时间均为15000s。

优选的，将抛光后的硅基体在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗10min后并烘干，以去除基体表面的杂质，得到结晶的基体。

优选的，所述基体为硅基体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：