一种耐磨防腐抗污一体化(Cr,Cu)-GLC复合涂层及其制备方法与流程

　　

　　本发明涉及海洋环境中的机械运动表面防护领域，尤其涉及一种耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层及其制备方法。

　　背景技术

　　21世纪，海洋在全球的战略地位日益突出，随着我国海洋探索的不断深入，水下机械运动部件的表面防护问题逐渐受到人们的关注和重视。在海洋环境条件下，机械运动部件不仅要承受摩擦磨损带来的损害，同时还要遭受来自海水和海洋生物等的腐蚀和污染，因而磨损更加严重。

　　目前，海工装备用表面防护涂层往往功能比较单一，主要分为增加表面耐磨性的pvd硬质涂层和提高表面抗污性能的有机锡、氧化亚铜、有机硅和有机氟及改性树脂等防污涂料。pvd涂层往往具有较高的硬度和耐磨性，但其不具备抗生物附着的能力，某些海洋生物会在其表面大量生长、繁殖，增加了水下部件的运动阻力，严重影响了机械部件的运动效率和稳定性。而有机防污涂料虽然抗污防腐性能优异，但其摩擦磨损性能表现一般，容易磨损失效。

　　技术实现要素：

　　本发明所要解决的技术问题是提供一种性能良好的耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层。

　　本发明所要解决的另一个技术问题是提供该耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层的制备方法。

　　为解决上述问题，本发明所述的一种耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层，其特征在于：该复合涂层是指按原子百分数计，在glc涂层基体中包含元素cr3~10at.%、cu5~20at.%、c70~90at.%的碳基复合涂层。

　　该复合涂层在海水环境下的最低摩擦系数为0.08。

　　如上所述的一种耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

　　⑴清洗基材：

　　用无水乙醇和丙酮溶液分别超声清洗钢块样件各10min，再用氮气吹干，然后将所述样件放入真空室中进行抽真空；

　　⑵基材表面预溅射清洗：

　　当真空度优于3×10-3pa时，室温下通入氩气，控制真空室内部压强为0.5~3pa，在所述样件上加脉冲偏压电源，在-400~-800v的条件下用氩气等离子体对所述样件进行预溅射清洗5~60min；

　　⑶涂层沉积：

　　所述氩气等离子体清洗后，调节氩气压强为1~5pa，调整偏压为-30~-150v，在cr靶上加直流电源、调节电流为3~5a的条件下沉积2~10min，即得cr过渡层；

　　所述cr过渡层沉积完成后，调节氩气压强为1~5pa，调整偏压-30~-150v，调节cr靶电流为3~5a，调节cu靶电流为0.5~2a，调节石墨靶电流为2~5a，经1~6h沉积即得(cr,cu)多元掺杂glc涂层。

　　本发明与现有技术相比具有以下优点：

　　1、本发明采用多元掺杂磁控溅射镀膜技术，选取功能性掺杂元素cr和cu，通过调整镀膜工艺参数，优化掺杂含量，从而获得了海洋环境下具有优异摩擦学性能，同时兼具良好的防腐和抗污性能的内部致密、表面光滑、附着力强的多功能碳基复合涂层。

　　2、本发明在glc涂层基体中cr元素的加入能够起到提高涂层硬度，耐蚀性的作用。

　　3、本发明获得的(cr,cu)-glc多元复合涂层在海水环境下的摩擦系数的最低摩擦系数在0.08，实现了较低摩擦，而且持续时间较长。同时在摩擦过程中，涂层的开路电压也较高，表现出较高的耐蚀性。

　　4、本发明获得的(cr,cu)-glc多元复合涂层中，由于cu元素的加入能够在海水环境下杀灭细菌和附着生物，因此，使得其在海水环境下的抗海藻附着性能优良，体现出优良的抗污性能。

　　5、本发明获得的复合涂层沉积速率较快，膜层均匀，结构致密，内应力小，硬度在5~17gpa左右，涂层与海水之间的接触角在86~96°之间，具有一定的疏水性。

　　6、本发明复合涂层的制备在室温下实施，基材无需任何额外的加热过程，所制备的复合涂层在石油化工、海洋工程、船舶机械等领域具有良好的应用前景。

　　附图说明

　　下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

　　图1为本发明制备的(cr,cu)-glc多元涂层的截面sem像。

　　图2为本发明所实施的电化学摩擦磨损测试的原理图。

　　图3为本发明实施例1与对比例1的电化学摩擦磨损测试结果。

　　图4为本发明实施例1所制备的涂层与人工海水的润湿角结果。

　　图5为本发明实施例2与对比例2海藻附着实验测试结果。

　　具体实施方式

　　实施例1一种耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层，该复合涂层是指按原子百分数计，在glc涂层基体中包含元素cr4.3at.%、cu12.5at.%、c83.2at.%的碳基复合涂层。

　　该耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

　　⑴清洗基材：

　　用无水乙醇和丙酮溶液分别超声清洗钢块样件各10min，再用氮气吹干，然后将样件放入真空室中进行抽真空；

　　⑵基材表面预溅射清洗：

　　当真空度优于3×10-3pa时即可开始镀膜工作，室温下通入氩气，控制真空室内部压强为0.5pa，在样件上加脉冲偏压电源，在-400v的条件下用氩气等离子体对样件进行预溅射清洗60min，以去除表面的氧化层和其它杂质；

　　⑶涂层沉积：

　　氩气等离子体清洗后，调节氩气压强为1pa，调整偏压为-30v，在cr靶上加直流电源、调节电流为3a的条件下沉积10min，即得cr过渡层；

　　cr过渡层沉积完成后，调节氩气压强为1pa，调整偏压-150v，调节cr靶电流为3a，调节cu靶电流为0.5a，调节石墨靶电流为3.5a，经6h沉积即得(cr,cu)多元掺杂glc涂层。

　　所制备的(cr,cu)多元掺杂glc涂层的截面sem像如图1所示，涂层的厚度约为2.5μm。

　　实施例2一种耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层，该复合涂层是指按原子百分数计，在glc涂层基体中包含元素cr10at.%、cu20at.%、c70at.%的碳基复合涂层。

　　该耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

　　⑴清洗基材：

　　用无水乙醇和丙酮溶液分别超声清洗钢块样件各10min，再用氮气吹干，然后将样件放入真空室中进行抽真空；

　　⑵基材表面预溅射清洗：

　　当真空度优于3×10-3pa时即可开始镀膜工作，室温下通入氩气，控制真空室内部压强为3pa，在样件上加脉冲偏压电源，在-800v的条件下用氩气等离子体对样件进行预溅射清洗5min，以去除表面的氧化层和其它杂质；

　　⑶涂层沉积：

　　氩气等离子体清洗后，调节氩气压强为5pa，调整偏压为-150v，在cr靶上加直流电源、调节电流为5a的条件下沉积2min，即得cr过渡层；

　　cr过渡层沉积完成后，调节氩气压强为5pa，调整偏压-30v，调节cr靶电流为5a，调节cu靶电流为2a，调节石墨靶电流为5a，经1h沉积即得(cr,cu)多元掺杂glc涂层。

　　实施例3一种耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层，该复合涂层是指按原子百分数计，在glc涂层基体中包含元素cr3at.%、cu7at.%、c90at.%的碳基复合涂层。

　　该耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

　　⑴清洗基材：

　　用无水乙醇和丙酮溶液分别超声清洗钢块样件各10min，再用氮气吹干，然后将样件放入真空室中进行抽真空；

　　⑵基材表面预溅射清洗：

　　当真空度优于3×10-3pa时即可开始镀膜工作，室温下通入氩气，控制真空室内部压强为3pa，在样件上加脉冲偏压电源，在-800v的条件下用氩气等离子体对样件进行预溅射清洗5min，以去除表面的氧化层和其它杂质；

　　⑶涂层沉积：

　　氩气等离子体清洗后，调节氩气压强为5pa，调整偏压为-150v，在cr靶上加直流电源、调节电流为5a的条件下沉积2min，即得cr过渡层；

　　cr过渡层沉积完成后，调节氩气压强为5pa，调整偏压-30v，调节cr靶电流为3a，调节cu靶电流为0.5a，调节石墨靶电流为5a，经5h沉积即得(cr,cu)多元掺杂glc涂层。

　　实施例4一种耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层，该复合涂层是指按原子百分数计，在glc涂层基体中包含元素cr9.8at.%、cu5.0at.%、c85.2at.%的碳基复合涂层。

　　该耐磨防腐抗污一体化(cr,cu)-glc复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

　　⑴清洗基材：

　　用无水乙醇和丙酮溶液分别超声清洗钢块样件各10min，再用氮气吹干，然后将样件放入真空室中进行抽真空；

　　⑵基材表面预溅射清洗：

　　当真空度优于3×10-3pa时即可开始镀膜工作，室温下通入氩气，控制真空室内部压强为1pa，在样件上加脉冲偏压电源，在-600v的条件下用氩气等离子体对样件进行预溅射清洗30min，以去除表面的氧化层和其它杂质；

　　⑶涂层沉积：

　　氩气等离子体清洗后，调节氩气压强为2pa，调整偏压为-60v，在cr靶上加直流电源、调节电流为4a的条件下沉积5min，即得cr过渡层；

　　cr过渡层沉积完成后，调节氩气压强为3pa，调整偏压-90v，调节cr靶电流为4a，调节cu靶电流为1.5a，调节石墨靶电流为2a，经4.5h沉积即得(cr,cu)多元掺杂glc涂层。

　　上述实施例1~4中的复合涂层在海水环境下的最低摩擦系数为0.08。

　　对比例1：

　　国内某厂家生产的标准成分的9cr18钢块，表面未经涂层处理；

　　对比例2：

　　国内某厂家生产的标准成分的9cr18钢块，表面涂覆某涂层公司生产的耐磨型glc涂层。

　　【电化学摩擦磨损实验】

　　采用mft-r4000电化学摩擦磨损试验机，对实施例1所制备的一系列(cr,cu)多元掺杂glc涂层和对比例1中的未涂层9cr18钢的电化学摩擦磨损性能进行测试。测试的机理图如图2所示，样品在人工海水介质中与对偶材料（直径为6.0mm的氧化铝球）接触进行往复摩擦，加载力为10n，频率0.1hz，其电化学-摩擦曲线见图3，可见本发明所制备的涂层样品的平均摩擦系数较低，最低摩擦系数为0.08，比对比例1的钢块样品的摩擦系数降低了约4倍。同时，本发明所制备涂层在摩擦时拥有较高的开路电压，约为+0.00v，这意味着涂层在海水中的耐腐蚀性能良好。

　　【润湿性实验】

　　采用oca20接触角测量仪对实施例1中所制备的(cr,cu)多元掺杂glc涂层与人工海水之间的接触角进行测量，结果如图4所示，可见涂层的接触角约为92°，显示了一定的疏水性。

　　【海藻附着实验】