1.本发明涉及材料表面处理技术领域，特别涉及一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法。
背景技术：2.传统的含金属材料结构或零件的设备在高寒、高海拔地区进行户外工作时，常会存在工作时设备表面、传动机构起霜的问题，对设备的工作参数造成影响，降低了设备运转的安全性。而长期不工作的设备在重新启用时往往遭遇传动机构冻结、外壳冻结等问题，而解冻措施较为麻烦，易发生再次起霜。
3.在现有公开技术方案中，用于提升材料光热性能的薄膜，如中国科学院近代物理研究所在cn202110779304.2中公开的高光热性能薄膜，多为聚合物基的纳米复合材料。其耐磨、耐蚀性较差，抗损伤容限性不足，不能满足一些复杂环境下的工作需要。
4.现有的cr2alc相薄膜溅射沉积技术，如中国科学院金属研究所在cn201510278382.9中提出的“二步法”制备，其需要对沉积后薄膜进行热处理，且热处理所需温度较高，不利于大规模生产应用。
技术实现要素：5.鉴于此，为提高含金属材料结构零件的设备在高寒、高海拔地区的抗霜、抗冻性能及融冰的效率，本发明意在使用直流/脉冲直流磁控溅射方法沉积金属掺杂cr2alc多相薄膜的表面改性方法对零件进行表面处理，沉积具有高力学性能和稳定性的高光热性能的薄膜以期解决现有问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法，包括如下步骤：
8.s1：将金属材料进行超声清洗后置于真空室中，真空室的气压降至1
×
10-3
pa以下后通入氩气，并调控氩气分压至3.0～5.0pa，开启基体偏压源调节基体偏压产生辉光放电形成等离子体对金属基体进行清洗20分钟，关闭偏压电源；调节真空室气压在0.5pa并开启溅射电源，溅射清洗溅射靶材5分钟，关闭溅射电源；
9.s2：在金属材料通过s1的处理后，原位加热金属材料至380℃～450℃，并在金属材料上施加-10～-100v的偏压，调节真空室气压稳定在0.5pa，开启第一溅射电源溅射cr2alc靶材至金属材料表面，其平均功率为1w/cm2～10w/cm2；然后开启第二溅射电源溅射cu靶，其平均功率为1w/cm2～5w/cm2，所得金属材料表面沉积金属cu掺杂的多相cr2alc薄膜。
10.优选的，所述原位加热的实现方法为利用真空室中内置的加热设备，在溅射过程中对金属材料持续加热并维持s2中所需的温度。
11.以及，所述第一溅射靶材为cr2alc靶，所述第二溅射靶材为纯cu、ag、au靶。
12.且，所述第一溅射电源为直流电源或脉冲电源，所述第二溅射电源为直流电源或
脉冲电源。
13.进一步的，金属掺杂的多相cr2alc薄膜，其中金属掺杂量范围介于1％～30％之间，及cr2alc相、cr7c3和(cr,al)2c
x
过渡相共同含量为70％～99％。
14.需要说明的是，本发明技术方案的原理：采用单靶直流磁控溅射(或脉冲溅射)的方法，以cr2alc作为溅射靶材，在金属材料表面原位加热沉积金属掺杂的多相cr2alc薄膜；所制备薄膜材料组织结构包括下层非晶相，上层的cr2alc、cr7c3相及(cr,al)2c
x
过渡相共同构成的柱状晶组织，这种表面形貌具有提升光热转化效率的功能，同时多相cr2alc提供优秀的力学性能和耐蚀性；且金属掺杂扩散均匀，能够增加薄膜对光的波长吸收范围从而进一步提升薄膜的光热转化效率；
15.综上所述，通过本技术方案所制备的薄膜材料具有良好的光热性能和稳定性，能有效降低被表面处理金属材料在户外环境下的结冰速率，加快其融冰速率。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果：
17.1、本发明所涉及的cr2alc沉积工艺相比现有工艺有所简化，具体体现于可在单一设备中完成全部工艺，无须对薄膜进行后续的热处理；沉积所需温度较低，对基体损伤小，能够适用于多种型号的金属材料。
18.2、本发明对金属材料进行表面改性后能有效提升金属材料表面在光照条件下的融冰速率。
19.3、本发明所沉积的用于表面改性的薄膜材料具有良好的力学性能，能良好结合于不同粗糙度的金属材料表面；同时具有良好的耐磨、耐蚀性和较高的抗损伤容限性，并在复杂的工作环境中具有较好的稳定性。
20.4、掺杂比率的提升将进一步提升所制备薄膜材料的光热性能，在光照条件下具有更好的融冰效率；而对金属材料表面耐磨性能的提升效果有所减弱，应视金属材料具体工作环境需求决定掺杂的比率。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
22.图1为本发明沉积薄膜所使用的双靶平衡磁控溅射设备示意图。
23.图2为304不锈钢基底、及沉积不同含cu量的多相cr2alc样品在1w近红外光照射下的温度-时间曲线图。
24.图3为304不锈钢基底、多相cr2alc、含cu 6％多相cr2alc的摩擦系数。
25.图4为厚度2.5μm的多相cr2alc涂层经1小时摩擦试验后的磨痕图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例对本发明公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发
明保护的范围。
27.本发明实施例公开了一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法。
28.为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
29.下面将结合具体实施例对本发明公开的技术方案作进一步的说明。
30.实施例1
31.一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法，包括如下步骤：
32.s1：将304l不锈钢金属材料进行超声清洗后置于真空室中，真空室的气压降至1
×
10-3
pa以下后通入氩气，并调控氩气分压至3.0pa，开启基体偏压源调节基体偏压产生辉光放电形成等离子体对金属基体进行清洗20分钟，关闭偏压电源。调节真空室气压在0.5pa并开启溅射电源，溅射清洗溅射靶材5分钟，关闭溅射电源。
33.s2：在304l材料通过s1的处理后，原位加热金属材料至400℃，并在金属材料上施加-50v的偏压，调节真空室气压稳定在0.5pa，开启第一溅射电源溅射cr2alc靶材至金属材料表面，其平均功率为5w/cm2；然后开启第二溅射电源溅射cu靶，其平均功率为1w/cm2，所得金属材料表面沉积金属cu掺杂的有多相cr2alc薄膜，其中cu元素的掺杂量为5％。
34.实施例2
35.一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法，包括如下步骤：
36.s1：将304l不锈钢金属材料进行超声清洗后置于真空室中，真空室的气压降至1
×
10-3
pa以下后通入氩气，并调控氩气分压至3.0pa，开启基体偏压源调节基体偏压产生辉光放电形成等离子体对金属基体进行清洗20分钟，关闭偏压电源。调节真空室气压在0.5pa并开启溅射电源，溅射清洗溅射靶材5分钟，关闭溅射电源。
37.s2：在304l材料通过s1的处理后，原位加热金属材料至400℃，并在金属材料上施加-50v的偏压，调节真空室气压稳定在0.5pa，开启第一溅射电源溅射cr2alc靶材至金属材料表面，其平均功率为5w/cm2；然后开启第二溅射电源溅射cu靶，其平均功率为3w/cm2，所得金属材料表面沉积金属cu掺杂的有多相cr2alc薄膜，其中cu元素的掺杂量为9％。
38.实施例3
39.s1：将304l不锈钢金属材料进行超声清洗后置于真空室中，真空室的气压降至1
×
10-3
pa以下后通入氩气，并调控氩气分压至3.0pa，开启基体偏压源调节基体偏压产生辉光放电形成等离子体对金属基体进行清洗20分钟，关闭偏压电源。调节真空室气压在0.5pa并开启溅射电源，溅射清洗溅射靶材5分钟，关闭溅射电源。
40.s2：在304l材料通过s1的处理后，原位加热金属材料至400℃，并在金属材料上施加-100v的偏压，调节真空室气压稳定在0.5pa，开启第一溅射电源溅射cr2alc靶材至金属材料表面，其平均功率为8w/cm2；然后开启第二溅射电源溅射cu靶，其平均功率为5w/cm2，所得金属材料表面沉积金属cu掺杂的有多相cr2alc薄膜，其中cu元素的掺杂量为12％。
41.此外，为了进一步验证说明本发明技术方案相较现有技术存在的优异效果，发明人还进行了性能测试，具体内容如下：
42.试验一：
43.发明人针对薄膜光热性能进行了实验，具体实验内容如下：
44.利用磁控溅射在金属样品表面沉积薄膜后，利用808nm波长的红色激光器对薄膜进行光照，功率设定为0.5w/cm2，照射距离为10cm，照射时间持续8分钟。光热实验结果如图2所示，沉积了多相cr2alc涂层的具有明显的光热转换性能。随着所制备涂层含cu量的提升，温升速率和极限温度都显著提升。
45.试验二：
46.发明人针对薄膜的耐磨损特性进行了实验，具体实验内容如下：
47.利用al2o3和沉积薄膜的金属样品为对磨副，载荷设定为0.3n，采用旋转摩擦磨损的方式，频率为1转/秒，其摩擦系数采集结果如图3所示，通过本发明技术方案所制备涂层具有良好的自润滑性能，磨损过程中摩擦系数稳定，能有效抑制涂层的磨损。
48.试验三：
49.发明人利用表面轮廓仪对磨痕深度进行表征，结果如图4所示，可以看出涂层磨损最深处未达到基底，涂层摩擦系数稳定，表明涂层未失效，具有良好的抗磨损性能。
50.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
技术特征：1.一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：将金属材料进行超声清洗后置于真空室中，真空室的气压降至1
×
10-3
pa以下后通入氩气，并调控氩气分压至3.0～5.0pa，开启基体偏压源调节基体偏压产生辉光放电形成等离子体对金属基体进行清洗20分钟，关闭偏压电源；调节真空室气压在0.5pa并开启溅射电源，溅射清洗溅射靶材5分钟，关闭溅射电源；s2：在金属材料通过s1的处理后，原位加热金属材料至380℃～450℃，并在金属材料上施加-10～-100v的偏压，调节真空室气压稳定在0.5pa，开启第一溅射电源溅射cr2alc靶材至金属材料表面，其平均功率为1w/cm2～10w/cm2；然后开启第二溅射电源溅射cu靶，其平均功率为1w/cm2～5w/cm2，所得金属材料表面沉积金属cu掺杂的多相cr2alc薄膜。2.根据权利要求1所述的一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法，其特征在于，所述原位加热的实现方法为利用真空室中内置的加热设备，在溅射过程中对金属材料持续加热并维持s2中所需的温度。3.根据权利要求1所述的一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法，其特征在于，所述第一溅射靶材为cr2alc靶，所述第二溅射靶材为纯cu、ag、au靶。4.根据权利要求1或3所述的一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法，其特征在于，所述第一溅射电源为直流电源或脉冲电源，所述第二溅射电源为直流电源或脉冲电源。5.根据权利要求1所述的一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法，其特征在于，金属掺杂的多相cr2alc薄膜，其中金属掺杂量范围介于1％～30％之间。
技术总结本发明涉及材料表面处理技术领域，具体公开了一种用于改善金属材料表面耐磨耐蚀性及抗结冰性的处理方法。将金属零件进行超声清洗后置于真空室中，通入氩气并调节氩气分压，开启基体偏压源调节基体偏压以产生辉光放电形成等离子体对金属基体进行清洗，关闭偏压电源；调节真空室气压并开启溅射电源，溅射清洗溅射靶材，关闭溅射电源；原位加热金属材料，并在金属材料上施加偏压，调节真空室气压，开启第一溅射电源溅射第一靶材至金属材料表面，然后开启第二溅射电源溅射第二靶材，所得金属材料表面沉积金属元素掺杂的多相Cr-Al-C薄膜。本发明解决了现有金属材料在寒冷地区室外环境下工作易结冰且不易除冰的问题，不仅对基体的损伤小，稳定性高，还适用于多种工业常用金属基底，沉积速度快，工艺可重复性好，易于实现工业化。工业化。工业化。
技术研发人员：邓乔元 李世洋 林新凯 文峰
受保护的技术使用者：海南大学
技术研发日：2022.07.25
技术公布日：2022/11/1
