一种耐腐蚀非晶合金多层薄膜及其制备方法
文献发布时间:2023-06-19 19:20:08
技术领域
本发明属于材料表面防护技术领域,具体涉及一种耐腐蚀非晶合金多层薄膜及其制备方法。
背景技术
腐蚀是自然界普遍存在的现象,也是金属服役过程中主要失效形式之一。特别在海上装备设施中,海水等含Cl
传统的晶态金属保护层通常具有良好的力学性能和价格低廉等优势,应用广泛,但随着机械零部件服役工况愈发严苛和复杂,在某些特殊环境中,传统晶态金属保护层的耐蚀性往往达不到要求。相比而言,非晶合金由于具有稳定的化学和结构均匀性,无晶态合金中晶界、位错和第二相等容易引起微观腐蚀的结构缺陷,可以形成连续、均匀、致密、低缺陷的钝化膜。因此,将非晶合金涂层覆盖于金属部件表明,能够有效缓解材料的腐蚀问题,具有很高的应用价值。此外,研究发现非晶/非晶异质界面有利于阻碍物质的渗入和微缺陷的扩展,极有可能进一步提升非晶合金的抗腐蚀性。CoFe基非晶合金作为一种重要的过渡金属合金,其具有优异的软磁性能和良好的热稳定性,在传感器、武器、涂料、通信设备和印刷电路板等方面具有巨大的应用前景。本发明采用磁控溅射技术在CoFe基非晶合金中引入Mg基非晶薄层形成非晶/非晶纳米多层薄膜,使其在海洋等含Cl
相比于热喷涂、激光熔覆以及电沉积等制备非晶合金的方法(易产生晶化相、孔隙、或裂纹等),磁控溅射法可提供极快的冷却速度(~10
发明内容
本发明的目的是提供一种通过构造非晶/非晶多层结构,进一步提高非晶合金耐腐蚀性的方法。薄膜采用磁控溅射技术制备,制得的非晶多层薄膜成分均匀、结构致密、防腐性能优异,可应用于海洋装备设施的某些壳体、阀门等重要部件的防腐,提高使用寿命。该方法成本低廉、制备工艺简单、参数易控、适合大规模推广。
本发明的技术方案如下:
一种耐腐蚀非晶合金多层薄膜,由MgCuY和CoFeTaB两种非晶合金薄膜交替叠加组成,其中MgCuY层各成分的原子百分含量为Mg:70%-85%,Cu:3%-10%,Y:5%-15%;CoFeTaB层中各成分的原子百分含量为Co:36%-50%,Fe:17%-30%,Ta:3%-8%,B:25%-37%,所述多层膜中MgCuY层与CoFeTaB层的单层厚度比为1:18-1:22。
一种耐腐蚀非晶合金多层薄膜及其制备方法,采用磁控溅射交替沉积MgCuY非晶层和CoFeTaB非晶层,制得非晶多层薄膜。
具体包括以下步骤:
1)基体清洗:将单面抛光的圆形单晶硅基片超声清洗,吹干,放入基体托盘中,准备镀膜;
2)靶材安装:将CoFeTaB合金靶安装在A号靶材座上作为A靶,将MgCuY合金靶安装在B号靶材座上作为B靶;
3)溅射镀膜:腔体抽真空,达到所需真空度后,通入离化气体,调整工作气压,然后开始交替沉积MgCuY层和CoFeTaB层,通过调节溅射时间来控制每一层的厚度和非晶/非晶薄膜的总厚度;另外在相同的条件下制备相同厚度的CoFeTaB非晶薄膜作为对照。
进一步的,步骤1)中,单面抛光单晶硅基片的取向为(100),直径为50mm,分别用酒精和蒸馏水超声清洗10-15分钟至洁净。
进一步的,步骤2)中,靶材A成分为Co
进一步的,步骤3)中,腔体真空度6.8×10
进一步的,步骤3)中,A号靶选用直流电源,功率50±2W,沉积速率8±0.8nm/分钟。
进一步的,步骤3)中,B号靶选用射频电源,功率25±2W,沉积速率4±0.5nm/分钟。
进一步的,步骤3)中,所制备的非晶多层薄膜中MgCuY非晶层厚度为3.0-4.8nm,CoFeTaB非晶层厚度为75.4-82.1nm,非晶多层膜的总厚度为0.82-1.02μm;制备的CoFeTaB非晶薄膜厚度为0.84-1.02μm。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1)本发明通过在CoFeTaB非晶合金中嵌入极薄的轻合金MgCuY非晶层,得到CoFeTaB/MgCuY非晶/非晶多层薄膜,其中MgCuY层的体积分数约为1/20(MgCuY层、CoFeTaB层单层厚度分别为~4nm和~80nm)。该非晶多层膜结构致密、膜基结合力好,在3.5%(质量分数)的NaCl水溶液中进行电化学测试,多层膜表现出明显提升的耐蚀性能,而且电化学测试后膜层没有出现开裂、脱落现象。
2)本发明结合了两种单层非晶薄膜的优势,同时引入的异质界面可以作为腐蚀物质和腐蚀微裂纹的扩散屏障,进而减缓腐蚀速率,有效保护基材。
3)采用磁控溅射技术,可以抑制非晶薄膜的微缺陷或结构异质性,易于获得高质量的薄膜,并且通过调整参数、沉积时间,可以精确控制薄膜厚度,得到所需的多层结构,易于大规模推广。
附图说明
图1为本发明制备的CoFeTaB非晶薄膜和CoFeTaB/MgCuY多层膜的透射电子显微镜照片,插图为选区电子衍射图;
图2为本发明制备的CoFeTaB非晶薄膜和CoFeTaB/MgCuY非晶多层膜的代表性电化学腐蚀测试结果,包括动电位极化曲线和电化学交流阻抗谱。
图3为本发明制备的CoFeTaB非晶薄膜和CoFeTaB/MgCuY非晶多层膜在电化学测试后的表面形貌。
具体实施方法
本发明提供了一种耐腐蚀非晶多层膜的制备方法,该多层膜采用磁控溅射技术制备,通过控制亚层的沉积时间,在CoFeTaB非晶合金中交替嵌入很薄的MgCuY非晶层,得到总膜厚约为1微米的CoFe基非晶多层薄膜,其结构致密、膜基结合力好。在电化学测试中,CoFeTaB/MgCuY多层膜的腐蚀电位升高、腐蚀电流密度降低,容抗弧半径几乎是CoFeTaB非晶薄膜的5倍,电化学测试后膜层没有出现开裂、脱落现象,耐腐蚀性相比于CoFeTaB单质非晶薄膜得到大幅提升。
其制备方法具体包括以下步骤:
1)将单面抛的圆形光单晶硅基片分别用酒精和蒸馏水超声清洗10-15分钟,以确保洁净,吹干后,放入磁控溅射设备基片台上,准备镀膜。
2)将溅射所用到的靶材(CoFeTaB和MgCuY)分别安装在相应的靶材座上,通过调整电源的功率控制靶材溅射速率。在本发明的实施例中,电源的功率和对应的沉积速率分别为:直流电源50±2W,沉积速率为8±0.8nm/分钟;射频电源25±2W,沉积速率为4±0.5nm/分钟。
3)制备多层膜时,采用直流靶和射频靶交替溅射,并控制两靶的工作时间,先在硅基体上溅射沉积一层MgCuY,然后在这层MgCuY层作上溅射沉积CoFeTaB层,如此交替沉积以形成非晶/非晶多层薄膜,并最终达到所需的单层厚度和多层膜总厚度。制备CoFeTaB单质非晶合金薄膜时,仅使用对应的靶材单靶溅射,并最终沉积得到所需厚度。所述多层膜中MgCuY单层厚度3.0-4.8nm,CoFeTaB单层厚度75.4-82.1nm,多层膜的总厚度为0.82-1.02μm。所述的纯CoFeTaB非晶薄膜厚度为0.84-1.02μm。
需要说明的是,在本发明中,为便于考察薄膜的本征耐蚀性能,基体为单面抛光的单晶硅基片,硅片的半导体性质不会影响电化学实验。此外,靶材沉积速率需在镀膜前精确获得,且溅射在室温下进行。在溅射沉积薄膜的过程中,基片台以2.5-3转/分钟的速度匀速旋转,以保证薄膜均匀。薄膜沉积完成后炉冷1-1.5小时后从腔体中取出。
下面结合具体实施例和说明书附图进一步描述本发明。
实施例1,CoFeTaB/MgCuY多层膜的制备:
1)将直径50mm的圆形单面抛光单晶硅(100)基片分别用酒精和蒸馏水超声清洗15分钟,以确保洁净,吹干后,放入磁控溅射设备基片台上,准备镀膜;
2)将CoFeTaB安装在A号直流靶作为A靶,MgCuY安装在B号射频靶作为B靶,靶材成分为Co
3)工作时,先关闭溅射舱门,开冷水机,用机械泵预抽真空,当真空度低于10Pa时打开分子泵继续抽真空,将真空室的气压抽至6.8×10
对比例1,CoFeTaB非晶薄膜的制备:
本实施例所用原料和方法均与实施例一相同,区别在于:
3)中分子泵抽真空至8.0×10
图1为本发明制备的CoFeTaB非晶薄膜和CoFeTaB/MgCuY多层膜的高分辨透射电子显微镜照片和选区电子衍射图,可以看到明显清晰的层状结构和设计的层厚差异,以及各层均匀的非晶无序结构,选区电子衍射图样的弥散环形光晕进一步证实了其非晶结构。
图2为本发明制备的CoFeTaB非晶薄膜和CoFeTaB/MgCuY多层膜在3.5%(质量分数)的NaCl水溶液中进行电化学测试,得到的代表性电位极化曲线和电化学交流阻抗谱。加入MgCuY薄层的多层膜试样的自腐蚀电位变化至-0.508V,自腐蚀电流密度为2.51×10
图3为本发明制备的CoFeTaB非晶薄膜和CoFeTaB/MgCuY多层膜在电化学腐蚀测试后的表面形貌。CoFeTaB非晶薄膜的腐蚀形式以均匀开裂为主,这些裂纹有利于腐蚀物质的侵入;而CoFeTaB/MgCuY多层膜表面仅有极少的片状脱落现象,整体多层结构未被破坏,可见引入一定的非晶-非晶界面,可以有效阻碍腐蚀介质的侵入和微裂纹的扩展,使防腐性能得到极大提升。
综上所述,本发明的方法可以制备出结构致密、防腐性能优异的非晶多层薄膜。本发明的多层膜可作防腐涂层材料应用于海水、生物体液和氯碱化工等含Cl
有必要说明,前述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
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