基于Al3Ti纳米针垂直排列的Al基合金薄膜及其制备方法

基于al3ti纳米针垂直排列的al基合金薄膜及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及的是一种金属材料薄膜领域的材料和技术，具体是一种基于al3ti纳米针垂直排列的al基合金薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.气相沉积的al基薄膜具有耐腐蚀和能够与基材同时变形的诸多优点，采用在al的合金薄膜中通过自生长的方式获得高硬度的金属间化合物增强体与al基体相匹配的两相结构，可以提高薄膜的硬度，而al基体中的合金元素含量很低，则能够使其保持较高的形变能力和韧性，提高薄膜的耐磨性。但是，这种通过自生长形成的金属间化合物增强体在薄膜中的尺寸、形状、含量及在al基体中分布方式等结构参数非常重要，当化合物以颗粒形式随机分布于al基体中时，虽然薄膜的硬度能够提高，但耐磨性的提高仍然有限，因为磨损过程中脱落的化合物颗粒将成为磨损薄膜的磨粒。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术缺乏获得纳米尺度的金属间化合物针状增强体的方法以及将这些针状增强体垂直排列于薄膜中的材料和制备方法，难以获得高耐磨性al合金薄膜的不足，提出一种基于al3ti纳米针垂直排列的al基合金薄膜及其制备方法，通过垂直排列的高硬度al3ti纳米针对外载的承受能力使薄膜获得高硬度，而连续al基体的形变能力则使薄膜能够保持较高的韧性和耐磨性。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种基于al3ti纳米针垂直排列的al基合金薄膜的制备方法，采用物理气相沉积镀膜技术的共沉积方法，通过选择al-ti合金体系并控制al、ti两种组分的特定比例，特别是接近al熔点的基材温度，利用所形成的al和al3ti两相在高温下的不互溶分离生长和al对高熔点al3ti柱状晶的润湿效应制备得到针状al3ti纳米柱状晶垂直排列于al基体中结构的合金薄膜。
6.所述的物理气相沉积镀膜技术包括：真空蒸发镀膜和溅射镀膜等通过物理方法使金属气化后沉积于固体表面形成薄膜。
7.所述的共沉积方法包括：采用多个单金属的蒸发源或者溅射靶或者由多种金属组成的合金蒸发源或者合金溅射靶或者镶嵌靶，使金属气化后同时沉积于基材表面形成薄膜。
8.所述的两种组分的特定比例具体指：ti在al-ti合金中的原子百分含量在6-12at.％ti。
9.所述的基材，即支撑薄膜的金属材料，其采用钢铁、ni、ti等。
10.所述的基材的温度是指：在反应沉积的整个过程中保持为接近al熔点的600-650℃。
11.本发明涉及上述方法制备得到的合金薄膜，由al基体和垂直排列于其中的针状的
al3ti金属间化合物组成且al3ti纳米针之间被al基体分隔和充满。
12.所述的针状的al3ti金属间化合物平均直径为10-30nm。
13.本发明涉及合金薄膜的应用，将其用于材料表面涂覆层以提高耐腐蚀和/或耐磨损性。技术效果
14.本发明解决了现有al基合金薄膜在合金元素含量低时硬度低，而合金元素含量高时韧性低所造成耐磨性难以提高的不足，以及颗粒增强al基复合薄膜在磨损过程中易于产生磨粒而导致耐磨性降低的不足，利用高硬度al3ti增强体1360℃和高韧性al 660℃巨大的熔点温度差，特别是采用了现有技术对al基薄膜在接近al熔点温度下进行沉积的空白，通过al3ti和al两相互不固溶且分别生长和al对al3ti良好润湿性的特性，获得al3ti纳米柱状晶垂直排列生长且被al分隔的复合薄膜。
15.与现有技术相比，本发明提供的al3ti纳米针垂直排列于al基体中的合金薄膜及其制备方法，显著提高了薄膜的硬度和承载能力，而填充于其间并保持连续的al基体则使薄膜能够保持足够的形变能力和韧性，薄膜获得很高的耐磨性，作为表面涂层材料在现代工业上有广泛的应用价值。本发明通过对薄膜特定合金体系和成分的选择与控制，特别是采用了沉积时基材温度接近al熔点等技术措施，实现了获得纳米针状al3ti化合物并使其垂直排列于al基体中结构的合金薄膜，显著提高了al基薄膜的耐磨性。
附图说明
16.图1为al3ti纳米针垂直排列于al基体中合金薄膜的结构示意图；
17.图中：1al3ti纳米针、2al基体、3基材；
18.图2为透射电子显微镜从薄膜表面方向对复合薄膜结构的观察结果；
19.图中：深色的粒状区域为al3ti纳米柱状晶的截面，浅色区域为al基体。
具体实施方式
实施例1
20.本实施例采用多靶磁控溅射设备，其中纯al靶和纯ti靶分别由两个独立的阴极控制。通过设置真空室的气压至低于10-3
pa后充入ar气，ar气的压强保持为6
×
10-1
pa，置于真空室内的基材被加热并保持在600℃，通过控制al靶和ti靶的溅射功率，使al-ti合金薄膜的ti含量为6.0at.％，获得如图1和图2所示的平均直径为10nm的al3ti纳米针垂直排列于al基体中的合金薄膜，薄膜厚度5μm。实施例2
21.本实施例采用多靶磁控溅射设备，其中纯al靶和纯ti靶分别由两个独立的阴极控制。通过设置真空室的气压至低于10-3
pa后充入ar气，ar气的压强保持为6
×
10-1
pa，置于真空室内的基材被加热并保持在625℃，通过控制al靶和ti靶的溅射功率，使al-ti合金薄膜的ti含量为9.0at.％，获得平均直径为20nm的al3ti纳米针垂直排列于al基体中的合金薄膜，薄膜厚度5μm。实施例3
22.本实施例采用多靶磁控溅射设备，其中纯al靶和纯ti靶分别由两个独立的阴极控
制。通过设置真空室的气压至低于10-3
pa后充入ar气，ar气的压强保持为6
×
10-1
pa，置于真空室内的基材被加热并保持在650℃，通过控制al靶和ti靶的溅射功率，使al-ti合金薄膜的ti含量为12.0at.％，获得平均直径为30nm的al3ti纳米针垂直排列于al基体中的合金薄膜，薄膜厚度5μm。
23.综上，本发明通过具有巨大熔点温度差且相互不固溶al3ti和al特定比例的两相材料组合，特别是利用了基材温度在接近al熔点温度下沉积的现有技术空白，从而实现两相分离生长的方法。
24.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。


技术特征：
1.一种基于al3ti纳米针垂直排列的al基合金薄膜的制备方法，其特征在于，采用物理气相沉积镀膜技术的共沉积方法，通过选择al-ti合金体系并控制al、ti两种组分的特定比例，特别是接近al熔点的基材温度，利用所形成的al和al3ti两相在高温下的不互溶分离生长和al对高熔点al3ti柱状晶的润湿效应制备得到针状al3ti纳米柱状晶垂直排列于al基体中结构的合金薄膜。2.根据权利要求1所述的基于al3ti纳米针垂直排列的al基合金薄膜的制备方法，其特征是，所述的物理气相沉积镀膜技术包括：真空蒸发镀膜和溅射镀膜等通过物理方法使金属气化后沉积于固体表面形成薄膜的技术。3.根据权利要求1所述的基于al3ti纳米针垂直排列的al基合金薄膜的制备方法，其特征是，所述的共沉积方法包括：采用多个单金属的蒸发源或者溅射靶或者由多种金属组成的合金蒸发源或者合金溅射靶或者镶嵌靶，使金属气化后同时沉积于基材表面形成薄膜。4.根据权利要求1所述的基于al3ti纳米针垂直排列的al基合金薄膜的制备方法，其特征是，所述的al、ti两种组分的特定比例具体指：ti在al-ti合金中的原子百分含量在6-12at.％ti。5.根据权利要求1所述的基于al3ti纳米针垂直排列的al基合金薄膜的制备方法，其特征是，所述的基材，即支撑薄膜的金属材料，其采用钢铁、ni或ti。6.根据权利要求1所述的基于al3ti纳米针垂直排列的al基合金薄膜的制备方法，其特征是，所述的基材的温度是指：在反应沉积的整个过程中保持为接近al熔点的600-650℃。7.一种基于上述任一权利要求所述方法制备得到的合金薄膜，其特征在于，由al基体和垂直排列于其中的针状的al3ti金属间化合物组成且al3ti纳米针之间被al基体分隔和充满。8.根据权利要求7所述的合金薄膜，其特征是，所述的针状的al3ti金属间化合物平均直径为10-30nm。9.一种根据上述任一权利要求所述合金薄膜的应用，其特征在于，将其用于材料表面涂覆层以提高耐腐蚀和/或耐磨损性。

技术总结
一种基于Al3Ti纳米针垂直排列的Al基合金薄膜及其制备方法，采用基于物理气相沉积镀膜技术的反应沉积方法，通过选择Al-Ti合金体系并控制Al、Ti两种组分的特定比例，特别是接近Al熔点的基材温度，利用所形成的Al和Al3Ti两相在高温下的不互溶分离生长和Al对高熔点Al3Ti柱状晶的润湿效应制备得到针状Al3Ti纳米柱状晶垂直排列于Al基体中结构的合金薄膜。作为金属的表面涂覆层材料，本发明通过垂直排列的高硬度Al3Ti纳米针对外载的承受能力使薄膜获得高硬度，而连续Al基体的形变能力则使薄膜能够保持较高的韧性和耐磨性。膜能够保持较高的韧性和耐磨性。膜能够保持较高的韧性和耐磨性。


技术研发人员：尚海龙 马冰洋 杜浩明 丁子俊 李戈扬
受保护的技术使用者：上海电机学院 马鞍山经济技术开发区建设投资有限公司
技术研发日：2020.09.28
技术公布日：2022/4/5