本發明涉及海洋環境中的機械運動表面防護領域，尤其涉及一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層及其制備方法。

　　背景技術

　　21世紀，海洋在全球的戰略地位日益突出，隨著我國海洋探索的不斷深入，水下機械運動部件的表面防護問題逐漸受到人們的關注和重視。在海洋環境條件下，機械運動部件不僅要承受摩擦磨損帶來的損害，同時還要遭受來自海水和海洋生物等的腐蝕和污染，因而磨損更加嚴重。

　　目前，海工裝備用表面防護涂層往往功能比較單一，主要分為增加表面耐磨性的pvd硬質涂層和提高表面抗污性能的有機錫、氧化亞銅、有機硅和有機氟及改性樹脂等防污涂料。pvd涂層往往具有較高的硬度和耐磨性，但其不具備抗生物附著的能力，某些海洋生物會在其表面大量生長、繁殖，增加了水下部件的運動阻力，嚴重影響了機械部件的運動效率和穩定性。而有機防污涂料雖然抗污防腐性能優異，但其摩擦磨損性能表現一般，容易磨損失效。

　　技術實現要素：

　　本發明所要解決的技術問題是提供一種性能良好的耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層。

　　本發明所要解決的另一個技術問題是提供該耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層的制備方法。

　　為解決上述問題，本發明所述的一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層，其特征在于：該復合涂層是指按原子百分數計，在glc涂層基體中包含元素cr3~10at.%、cu5~20at.%、c70~90at.%的碳基復合涂層。

　　該復合涂層在海水環境下的最低摩擦系數為0.08。

　　如上所述的一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層的制備方法，包括以下步驟：

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　　用無水乙醇和丙酮溶液分別超聲清洗鋼塊樣件各10min，再用氮氣吹干，然后將所述樣件放入真空室中進行抽真空；

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　　當真空度優于3×10-3pa時，室溫下通入氬氣，控制真空室內部壓強為0.5~3pa，在所述樣件上加脈沖偏壓電源，在-400~-800v的條件下用氬氣等離子體對所述樣件進行預濺射清洗5~60min；

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　　所述氬氣等離子體清洗后，調節氬氣壓強為1~5pa，調整偏壓為-30~-150v，在cr靶上加直流電源、調節電流為3~5a的條件下沉積2~10min，即得cr過渡層；

　　所述cr過渡層沉積完成后，調節氬氣壓強為1~5pa，調整偏壓-30~-150v，調節cr靶電流為3~5a，調節cu靶電流為0.5~2a，調節石墨靶電流為2~5a，經1~6h沉積即得(cr,cu)多元摻雜glc涂層。

　　本發明與現有技術相比具有以下優點：

　　1、本發明采用多元摻雜磁控濺射鍍膜技術，選取功能性摻雜元素cr和cu，通過調整鍍膜工藝參數，優化摻雜含量，從而獲得了海洋環境下具有優異摩擦學性能，同時兼具良好的防腐和抗污性能的內部致密、表面光滑、附著力強的多功能碳基復合涂層。

　　2、本發明在glc涂層基體中cr元素的加入能夠起到提高涂層硬度，耐蝕性的作用。

　　3、本發明獲得的(cr,cu)-glc多元復合涂層在海水環境下的摩擦系數的最低摩擦系數在0.08，實現了較低摩擦，而且持續時間較長。同時在摩擦過程中，涂層的開路電壓也較高，表現出較高的耐蝕性。

　　4、本發明獲得的(cr,cu)-glc多元復合涂層中，由于cu元素的加入能夠在海水環境下殺滅細菌和附著生物，因此，使得其在海水環境下的抗海藻附著性能優良，體現出優良的抗污性能。

　　5、本發明獲得的復合涂層沉積速率較快，膜層均勻，結構致密，內應力小，硬度在5~17gpa左右，涂層與海水之間的接觸角在86~96°之間，具有一定的疏水性。

　　6、本發明復合涂層的制備在室溫下實施，基材無需任何額外的加熱過程，所制備的復合涂層在石油化工、海洋工程、船舶機械等領域具有良好的應用前景。

　　附圖說明

　　下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

　　圖1為本發明制備的(cr,cu)-glc多元涂層的截面sem像。

　　圖2為本發明所實施的電化學摩擦磨損測試的原理圖。

　　圖3為本發明實施例1與對比例1的電化學摩擦磨損測試結果。

　　圖4為本發明實施例1所制備的涂層與人工海水的潤濕角結果。

　　圖5為本發明實施例2與對比例2海藻附著實驗測試結果。

　　具體實施方式

　　實施例1一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層，該復合涂層是指按原子百分數計，在glc涂層基體中包含元素cr4.3at.%、cu12.5at.%、c83.2at.%的碳基復合涂層。

　　該耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層的制備方法，包括以下步驟：

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　　用無水乙醇和丙酮溶液分別超聲清洗鋼塊樣件各10min，再用氮氣吹干，然后將樣件放入真空室中進行抽真空；

　?、苹谋砻骖A濺射清洗：

　　當真空度優于3×10-3pa時即可開始鍍膜工作，室溫下通入氬氣，控制真空室內部壓強為0.5pa，在樣件上加脈沖偏壓電源，在-400v的條件下用氬氣等離子體對樣件進行預濺射清洗60min，以去除表面的氧化層和其它雜質；

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　　氬氣等離子體清洗后，調節氬氣壓強為1pa，調整偏壓為-30v，在cr靶上加直流電源、調節電流為3a的條件下沉積10min，即得cr過渡層；

　　cr過渡層沉積完成后，調節氬氣壓強為1pa，調整偏壓-150v，調節cr靶電流為3a，調節cu靶電流為0.5a，調節石墨靶電流為3.5a，經6h沉積即得(cr,cu)多元摻雜glc涂層。

　　所制備的(cr,cu)多元摻雜glc涂層的截面sem像如圖1所示，涂層的厚度約為2.5μm。

　　實施例2一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層，該復合涂層是指按原子百分數計，在glc涂層基體中包含元素cr10at.%、cu20at.%、c70at.%的碳基復合涂層。

　　該耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層的制備方法，包括以下步驟：

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　　用無水乙醇和丙酮溶液分別超聲清洗鋼塊樣件各10min，再用氮氣吹干，然后將樣件放入真空室中進行抽真空；

　?、苹谋砻骖A濺射清洗：

　　當真空度優于3×10-3pa時即可開始鍍膜工作，室溫下通入氬氣，控制真空室內部壓強為3pa，在樣件上加脈沖偏壓電源，在-800v的條件下用氬氣等離子體對樣件進行預濺射清洗5min，以去除表面的氧化層和其它雜質；

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　　氬氣等離子體清洗后，調節氬氣壓強為5pa，調整偏壓為-150v，在cr靶上加直流電源、調節電流為5a的條件下沉積2min，即得cr過渡層；

　　cr過渡層沉積完成后，調節氬氣壓強為5pa，調整偏壓-30v，調節cr靶電流為5a，調節cu靶電流為2a，調節石墨靶電流為5a，經1h沉積即得(cr,cu)多元摻雜glc涂層。

　　實施例3一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層，該復合涂層是指按原子百分數計，在glc涂層基體中包含元素cr3at.%、cu7at.%、c90at.%的碳基復合涂層。

　　該耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層的制備方法，包括以下步驟：

　?、徘逑椿模?/p>

　　用無水乙醇和丙酮溶液分別超聲清洗鋼塊樣件各10min，再用氮氣吹干，然后將樣件放入真空室中進行抽真空；

　?、苹谋砻骖A濺射清洗：

　　當真空度優于3×10-3pa時即可開始鍍膜工作，室溫下通入氬氣，控制真空室內部壓強為3pa，在樣件上加脈沖偏壓電源，在-800v的條件下用氬氣等離子體對樣件進行預濺射清洗5min，以去除表面的氧化層和其它雜質；

　?、峭繉映练e：

　　氬氣等離子體清洗后，調節氬氣壓強為5pa，調整偏壓為-150v，在cr靶上加直流電源、調節電流為5a的條件下沉積2min，即得cr過渡層；

　　cr過渡層沉積完成后，調節氬氣壓強為5pa，調整偏壓-30v，調節cr靶電流為3a，調節cu靶電流為0.5a，調節石墨靶電流為5a，經5h沉積即得(cr,cu)多元摻雜glc涂層。

　　實施例4一種耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層，該復合涂層是指按原子百分數計，在glc涂層基體中包含元素cr9.8at.%、cu5.0at.%、c85.2at.%的碳基復合涂層。

　　該耐磨防腐抗污一體化(cr,cu)-glc復合涂層的制備方法，包括以下步驟：

　?、徘逑椿模?/p>

　　用無水乙醇和丙酮溶液分別超聲清洗鋼塊樣件各10min，再用氮氣吹干，然后將樣件放入真空室中進行抽真空；

　?、苹谋砻骖A濺射清洗：

　　當真空度優于3×10-3pa時即可開始鍍膜工作，室溫下通入氬氣，控制真空室內部壓強為1pa，在樣件上加脈沖偏壓電源，在-600v的條件下用氬氣等離子體對樣件進行預濺射清洗30min，以去除表面的氧化層和其它雜質；

　?、峭繉映练e：

　　氬氣等離子體清洗后，調節氬氣壓強為2pa，調整偏壓為-60v，在cr靶上加直流電源、調節電流為4a的條件下沉積5min，即得cr過渡層；

　　cr過渡層沉積完成后，調節氬氣壓強為3pa，調整偏壓-90v，調節cr靶電流為4a，調節cu靶電流為1.5a，調節石墨靶電流為2a，經4.5h沉積即得(cr,cu)多元摻雜glc涂層。

　　上述實施例1~4中的復合涂層在海水環境下的最低摩擦系數為0.08。

　　對比例1：

　　國內某廠家生產的標準成分的9cr18鋼塊，表面未經涂層處理；

　　對比例2：

　　國內某廠家生產的標準成分的9cr18鋼塊，表面涂覆某涂層公司生產的耐磨型glc涂層。

　　【電化學摩擦磨損實驗】

　　采用mft-r4000電化學摩擦磨損試驗機，對實施例1所制備的一系列(cr,cu)多元摻雜glc涂層和對比例1中的未涂層9cr18鋼的電化學摩擦磨損性能進行測試。測試的機理圖如圖2所示，樣品在人工海水介質中與對偶材料（直徑為6.0mm的氧化鋁球）接觸進行往復摩擦，加載力為10n，頻率0.1hz，其電化學-摩擦曲線見圖3，可見本發明所制備的涂層樣品的平均摩擦系數較低，最低摩擦系數為0.08，比對比例1的鋼塊樣品的摩擦系數降低了約4倍。同時，本發明所制備涂層在摩擦時擁有較高的開路電壓，約為+0.00v，這意味著涂層在海水中的耐腐蝕性能良好。

　　【潤濕性實驗】

　　采用oca20接觸角測量儀對實施例1中所制備的(cr,cu)多元摻雜glc涂層與人工海水之間的接觸角進行測量，結果如圖4所示，可見涂層的接觸角約為92°，顯示了一定的疏水性。

　　【海藻附著實驗】