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金属玻璃镀膜在铝合金耐疲劳性质提升的应用.pdf

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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201110454052.2

    申请日:

    2011.12.30

    公开号:

    CN103088272A

    公开日:

    2013.05.08

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情:

    授权|||实质审查的生效IPC(主分类):C22C 45/10申请日:20111230|||公开

    IPC分类号:

    C22C45/10; C23C14/34; C23C14/16; B32B15/01

    主分类号:

    C22C45/10

    申请人:

    中央大学

    发明人:

    郑宪清; 蔡佩桦; 李嘉彬; 张益综; 符志强; 朱瑾

    地址:

    中国台湾桃园县

    优先权:

    2011.11.02 TW 100139979

    专利代理机构:

    中科专利商标代理有限责任公司 11021

    代理人:

    周长兴

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    内容摘要

    一种镀有锆基或锆铜基金属玻璃合金镀膜的基板、及其制备方法。本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板包括:铝合金基板;以及锆基金属玻璃镀膜,配置于该基板的表面,且该锆基金属玻璃镀膜的组成如式1所示,[式1]:(ZraCubNicAld)100-xSix,其中,45=<a=<75,25=<b=<35,5=<c=<15,5=<d=<15,0.1=<x=<10。本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板包括:铝合金基板;以及锆铜基金属玻璃镀膜,配置于基板的表面,且该锆铜基金属玻璃镀膜的组成如式2所示,[式2]:(ZreCufAlgAgh)100-ySiy,35=<e=<55,35=<f=<55,5=<g=<15,5=<h=<15,0.1=<y=<10。

    权利要求书

    权利要求书一种镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,包括:
    一基板,该基板为一铝合金基板;以及
    一锆基金属玻璃镀膜,该锆基金属玻璃镀膜配置于该基板的表面,且该锆基金属玻璃镀膜的组成如式1所示,
    [式1]
    (ZraCubNicAld)100‑xSix,
    其中,45=<a=<75,25=<b=<35,5=<c=<15,5=<d=<15,0.1=<x=<10。
    如权利要求1所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的表面粗糙度为3.5nm‑5.5nm。
    如权利要求1所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板经弯曲疲劳度测验,当使用250MPa的应力值时,疲劳寿命为1x106‑1x107次。
    如权利要求1所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的疲劳限为200MPa‑300MPa。
    如权利要求1所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该锆基金属玻璃镀膜的厚度为100nm‑500nm。
    如权利要求1所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的硬度值为3.5GPa‑5.5GPa。
    如权利要求1所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数为80GPa‑100GPa。
    一种镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,包括:
    一基板,该基板为一铝合金基板;以及
    一锆铜基金属玻璃镀膜,该锆铜基金属玻璃镀膜配置于该基板的表面,且该锆铜基金属玻璃镀膜的组成如式2所示,
    [式2]
    (ZreCufAlgAgh)100‑ySiy,
    其中,35=<e=<55,35=<f=<55,5=<g=<15,5=<h=<15,0.1=<y=<10。
    如权利要求8所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的表面粗糙度为3nm‑5nm。
    如权利要求8所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板经弯曲疲劳度测验,当使用250MPa的应力值时,疲劳寿命为1x106‑1x109次。
    如权利要求8所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的疲劳限为200MPa‑300MPa。
    如权利要求8所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该锆铜基金属玻璃镀膜的厚度为100nm‑500nm。
    如权利要求8所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的硬度值为4GPa‑6GPa。
    如权利要求8所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数为85GPa‑105GPa。
    一种溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,包括步骤:
    A)提供一锆基金属玻璃靶材,该锆基金属玻璃靶材的组成如式1所示;以及
    B)以该锆基金属玻璃靶材作为阴极,溅镀一锆基金属玻璃镀膜于一基板表面,该基板为一铝合金基板;其中:
    [式1]
    (ZraCubNicAld)100‑xSix,
    其中,45=<a=<75,25=<b=<35,5=<c=<15,5=<d=<15,0.1=<x=<10。
    如权利要求15所述溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,其中,该锆基金属玻璃靶材是经由以下步骤制得:
    A1)将如式1所示的组成的合金原料经熔炼形成一铸锭;以及
    A2)将该铸锭进行真空吸铸,以形成一锆基金属玻璃靶材。
    如权利要求15所述溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,其中,该步骤B)中该锆基金属玻璃镀膜的厚度为100nm‑500nm。
    如权利要求15所述溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,其中,该步骤B)中该溅镀步骤是于一气体压力为1x10‑4Pa‑1x10‑2Pa的条件下进行。
    如权利要求15所述溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的硬度值为3.5GPa‑5.5GPa。
    如权利要求15所述溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数为80GPa‑100GPa。
    一种溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,包括步骤:
    A)提供一锆铜基金属玻璃靶材,该锆铜基金属玻璃靶材的组成如式2所示;以及
    B)以该锆铜基金属玻璃靶材作为阴极,溅镀一锆铜基金属玻璃镀膜于一基板表面,该基板为一铝合金基板;其中:
    [式2]
    (ZreCufAlgAgh)100‑ySiy,
    其中,35=<e=<55,35=<f=<55,5=<g=<15,5=<h=<15,0.1=<y=<10。
    如权利要求21所述溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,其中,该锆铜基金属玻璃靶材是经由以下步骤制得:
    A1)将如式2所示的组成的合金原料经熔炼形成一铸锭;以及
    A2)将该铸锭进行真空吸铸,以形成一锆铜基金属玻璃靶材。
    如权利要求7所述溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,其中,该步骤B)中该锆铜基金属玻璃镀膜的厚度为100nm‑500nm。
    如权利要求21所述溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,其中,该步骤B)中该溅镀步骤是于一气体压力为1x10‑4Pa‑1x10‑2Pa的条件下进行。
    如权利要求21所述溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的硬度值为4GPa‑6GPa。
    如权利要求21所述溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数为85GPa‑105GPa。

    说明书

    说明书金属玻璃镀膜在铝合金耐疲劳性质提升的应用
    技术领域
    本发明是关于一种镀有锆基或锆铜基金属玻璃合金镀膜的基板及其制备方法,尤其指一种镀有锆基金属玻璃镀膜的基板与镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板及其制备方法。
    背景技术
    铝合金由于具有重量轻、耐腐蚀等优点,因此可应用于许多地方。例如,7075‑T6为航空用高强度铝合金,广泛应用于飞机结构上,如机翼和机身。由于飞机在起降的过程中受到大气压力的影响,必须要经常性的增压、减压,容易使机体产生疲劳裂隙(Fatigue Crack),而此些裂隙容易集中应力,因此最终造成疲劳破坏。疲劳裂隙的发生主要可分成三个阶段:裂隙起始(Crack Initiation)、裂隙成长(Crack Propagation)、以及快速破裂(Final Fast Fracture)。疲劳裂隙起始机制可分为滑移带起始机制与晶界起始机制。其由于材料受到周期性疲劳负载,使得材料内部原子差排滑移而形成滑移带,滑移带作用形成凹入(intrusion)或凸出(extrusion),因此于材料表面和晶界形成裂隙。
    因此,如何抑制滑移带的凸出,达到延迟疲劳裂隙起始与成长的时间来提升铝合金的疲劳性质,则成为一个重要的课题。故,本领域亟需一种新颖的镀膜材料,使可提升基板的机械性质、疲劳性质,并同时具有优秀的硬度、杨氏系数、疲劳限、疲劳寿命、及粗糙度等特性。
    发明内容
    本发明的目的在于提供一种金属玻璃镀膜在铝合金耐疲劳性质提升的应用,以改进公知技术中的缺陷。
    为实现上述目的,本发明提供的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,包括:
    一基板,该基板为一铝合金基板;以及
    一锆基金属玻璃镀膜,该锆基金属玻璃镀膜配置于该基板的表面,且该锆基金属玻璃镀膜的组成如式1所示,
    [式1]
    (ZraCubNicAld)100‑xSix,
    其中,45=<a=<75,25=<b=<35,5=<c=<15,5=<d=<15,0.1=<x=<10。
    所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的表面粗糙度为3.5nm‑5.5nm。
    所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板经弯曲疲劳度测验,当使用250MPa的应力值时,疲劳寿命为1x106‑1x107次。
    所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的疲劳限为200MPa‑300MPa。
    所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该锆基金属玻璃镀膜的厚度为100nm‑500nm。
    所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的硬度值为3.5GPa‑5.5GPa。
    所述镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数为80GPa‑100GPa。
    本发明还提供一种镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,包括:
    一基板,该基板为一铝合金基板;以及
    一锆铜基金属玻璃镀膜,该锆铜基金属玻璃镀膜配置于该基板的表面,且该锆铜基金属玻璃镀膜的组成如式2所示,
    [式2]
    (ZreCufAlgAgh)100‑ySiy,
    其中,35=<e=<55,35=<f=<55,5=<g=<15,5=<h=<15,0.1=<y=<10。
    所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的表面粗糙度为3nm‑5nm。
    所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板经弯曲疲劳度测验,当使用250MPa的应力值时,疲劳寿命为1x106‑1x109次。
    所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的疲劳限为200MPa‑300MPa。
    所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该锆铜基金属玻璃镀膜的厚度为100nm‑500nm。
    所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的硬度值为4GPa‑6GPa。
    所述镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数为85GPa‑105GPa。
    本发明提供的溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,包括步骤:
    A)提供一锆基金属玻璃靶材,该锆基金属玻璃靶材的组成如式1所示;以及
    B)以该锆基金属玻璃靶材作为阴极,溅镀一锆基金属玻璃镀膜于一基板表面,该基板为一铝合金基板;其中:
    [式1]
    (ZraCubNicAld)100‑xSix,
    其中,45=<a=<75,25=<b=<35,5=<c=<15,5=<d=<15,0.1=<x=<10。
    所述溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,其中,该锆基金属玻璃靶材是经由以下步骤制得:
    A1)将如式1所示的组成的合金原料经熔炼形成一铸锭(ingot);以及
    A2)将该铸锭进行真空吸铸,以形成一锆基金属玻璃靶材。
    所述溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,其中,该步骤B)中该锆基金属玻璃镀膜的厚度为100nm‑500nm。
    所述溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,其中,该步骤B)中该溅镀步骤是于一气体压力为1x10‑4Pa‑1x10‑2Pa的条件下进行。
    所述溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的硬度值为3.5GPa‑5.5GPa。
    所述溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,其中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数为80GPa‑100GPa。
    本发明还提供一种溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,包括步骤:
    A)提供一锆铜基金属玻璃靶材,该锆铜基金属玻璃靶材的组成如式2所示;以及
    B)以该锆铜基金属玻璃靶材作为阴极,溅镀一锆铜基金属玻璃镀膜于一基板表面,该基板为一铝合金基板;其中:
    [式2]
    (ZreCufAlgAgh)100‑ySiy,
    其中,35=<e=<55,35=<f=<55,5=<g=<15,5=<h=<15,0.1=<y=<10。
    所述溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,其中,该锆铜基金属玻璃靶材是经由以下步骤制得:
    A1)将如式2所示的组成的合金原料经熔炼形成一铸锭(ingot);以及
    A2)将该铸锭进行真空吸铸,以形成一锆铜基金属玻璃靶材。
    所述溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,其中,该步骤B)中该锆铜基金属玻璃镀膜的厚度为100nm‑500nm。
    所述溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,其中,该步骤B)中该溅镀步骤是于一气体压力为1x10‑4Pa‑1x10‑2Pa的条件下进行。
    所述溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的硬度值为4GPa‑6GPa。
    所述溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,其中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数为85GPa‑105GPa。
    以本发明的方法所制备得到的锆铜基金属玻璃镀膜的基板可改善原本无镀合金镀膜的铝合金基板的各种特性,例如改善了铝合金基板的疲劳寿命、表面粗糙度、硬度等,由此可提升铝合金基板的使用寿命。因此,本发明的技术可应用到航空制造、造船业、汽车工业、自行车工业等领域,以提升各种交通工具的耐用性,更可应用到其它需要高疲劳性的装置上,帮助提升装置使用寿命等性质。
    附图说明
    图1为本发明实施例1的锆基金属玻璃镀膜的X光绕射分析结果图;以及
    图2为本发明实施例2的锆铜基金属玻璃镀膜的X光绕射分析结果图。
    具体实施方式
    本发明提供了一种镀有锆基金属玻璃镀膜的基板,包括:一基板,该基板为一铝合金基板;以及一锆基金属玻璃镀膜,该锆基金属玻璃镀膜配置于该基板的表面,且该锆基金属玻璃镀膜的组成系如式1所示,
    [式1]
    (ZraCubNicAld)100‑xSix,
    其中,45=<a=<75,25=<b=<35,5=<c=<15,5=<d=<15,0.1=<x=<10。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板改善了原本无镀合金镀膜的铝合金基板的各种特性,例如改善了铝合金基板的疲劳寿命、表面粗糙度、硬度等,以此可提升铝合金基板的使用寿命。因此,本发明的技术可应用到航空制造、造船业、汽车工业、自行车工业等领域,以提升各种交通工具的耐用性,还可应用到其它需要高疲劳性的装置上,帮助提升装置使用寿命等性质。
    金属玻璃(metallic glass)是指金属原子的排列方式缺乏连续规则性的长程排列,而仅以间断短程有序方式排列。金属玻璃又称为液态金属(liquid metals)或非结晶金属(non‑crystalline metals),又因为这种缺乏连续规则性长程排列的规则性的特质与玻璃的结构相似,所以又被称为玻璃化金属(glassy metals)或金属玻璃(metallic glass)。当合金液由高温缓慢冷却凝固时,通常会形成具连续规则性长程排列的结晶固体,但若是以极快的冷却速率(约106~1010K/sec)冷却,则可生成无序原子排列的金属玻璃合金。且因为这种特殊的金属玻璃结构,使金属玻璃合金在低角度(2θ=30~50度)的X‑ray绕射图下具有一宽广的绕射峰,故有别于结晶物体的绕射峰图。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板中,该[式1]较佳可为(Zr53Cu30Ni9Al8)99.5Si0.5。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的表面粗糙度较佳可为3.5nm‑5.5nm,例如4.5nm。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板经弯曲疲劳度测验,当使用300MPa的应力值时,疲劳寿命较佳可为1x105‑5x106次,例如5x105次。当使用250MPa的应力值时,疲劳寿命较佳可为1x106‑1x107次,例如5x106。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的疲劳寿命较佳可为该铝合金基板的10‑30倍,例如22倍。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的疲劳限较佳可为200MPa‑300MPa,例如235MPa。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板中,该锆基金属玻璃镀膜的厚度较佳可为100nm‑500nm,例如200nm、300nm、或400nm等。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板中,该锆基金属玻璃镀膜与该基板之间较佳可还包括一缓冲层,该缓冲层的材料较佳可为钛。缓冲层的厚度例如可为50nm,可用于加强基板与锆基金属玻璃镀膜的附着性。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板中,该基板较佳可为7075‑T6铝合金基板。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的硬度值较佳可为3.5GPa‑5.5GPa,例如4.5GPa。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数较佳可为80GPa‑100GPa,例如90GPa。
    本发明的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板中,该锆基金属玻璃镀膜的附着力较佳为60‑70N,例如66N。附着力越高表示附着性质越好,薄膜越不容易剥落。若没更足够的附着性来保证镀膜在疲劳测试过程中仍然能够继续存在,那么镀膜的应用及其机械性质均无法完全展现,因此评估镀膜与基材的附着性成为镀膜评估的重要依据。
    本发明另提供一种镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,包括:一基板,该基板为一铝合金基板;以及一锆铜基金属玻璃镀膜,该锆铜基金属玻璃镀膜配置于该基板的表面,且该锆铜基金属玻璃镀膜的组成如式2所示,
    [式2]
    (ZreCufAlgAgh)100‑ySiy,
    其中,35=<e=<55,35=<f=<55,5=<g=<15,5=<h=<15,0.1=<y=<10。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板改善了原本无镀合金镀膜的铝合金基板的各种特性,例如改善了铝合金基板的疲劳寿命、表面粗糙度、硬度等,以此可提升铝合金基板的使用寿命。因此,本发明的技术可应用到航空制造、造船业、汽车工业、自行车工业等领域,以提升各种交通工具的耐用性,更可应用到其它需要高疲劳性的装置上,帮助提升装置使用寿命等性质。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板中,该[式2]较佳可为(Zr42Cu42Al8Ag8)99.5Si0.5。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的表面粗糙度较佳可为3nm‑5nm,例如4nm。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板经弯曲疲劳度测验,当使用300MPa的应力值时,疲劳寿命较佳可为1.2x105‑1.2x107次,例如1.2x106次。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板经弯曲疲劳度测验,当使用250MPa的应力值时,疲劳寿命较佳可为1x106‑1x109次,更佳可为1x106‑1x108次,例如>107次。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的疲劳寿命较佳可为该铝合金基板的30‑50倍,例如45倍。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的疲劳限较佳可为200MPa‑300MPa,例如250MPa。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板中,该锆铜基金属玻璃镀膜的厚度较佳可为100nm‑500nm,例如200nm、300nm、或400nm等。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板中,该锆铜基金属玻璃镀膜与该基板之间较佳可还包括一缓冲层,该缓冲层的材料较佳可为钛。缓冲层的厚度例如可为50nm,可用于加强基板与锆铜基金属玻璃镀膜的附着性。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板中,该基板较佳可为7075‑T6铝合金基板。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的硬度值较佳可为4GPa‑6GPa,例如5GPa。
    本发明的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数较佳可为85GPa‑105GPa,例如97GPa。
    本发明还提供一种溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法,包括步骤:(A)提供一锆基金属玻璃靶材,该锆基金属玻璃靶材的组成如式1所示;以及(B)以该锆基金属玻璃靶材作为阴极,溅镀一锆基金属玻璃镀膜于一基板表面,该基板为一铝合金基板;其中,
    [式1]
    (ZraCubNicAld)100‑xSix,
    其中,45=<a=<75,25=<b=<35,5=<c=<15,5=<d=<15,0.1=<x=<10。
    以本发明的方法所制备得到的锆基金属玻璃镀膜的基板可改善原本无镀合金镀膜的铝合金基板的各种特性,例如改善了铝合金基板的疲劳寿命、表面粗糙度、硬度等,以此可提升铝合金基板的使用寿命。因此,本发明的技术可应用到航空制造、造船业、汽车工业、自行车工业等领域,以提升各种交通工具的耐用性,更可应用到其它需要高疲劳性的装置上,帮助提升装置使用寿命等性质。
    本发明的溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法中,该[式1]较佳可为(Zr53Cu30Ni9Al8)99.5Si0.5。
    本发明的溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法中,该锆基金属玻璃靶材较佳可经由以下步骤制得:
    (A1)将如式1(或式2)所示的组成的合金原料经熔炼形成一铸锭(ingot);以及
    (A2)将该铸锭进行真空吸铸,以形成一锆基金属玻璃靶材。
    本发明的溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法中,该步骤(B)中,该基板较佳可为7075‑T6铝合金基板。
    本发明的溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法中,该步骤(B)中,该锆基金属玻璃镀膜的厚度较佳可为100nm‑500nm,例如200nm、300nm、或400nm等。
    本发明的溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法中,该基板是预先经由表面处理,该表面处理较佳可包括选自由:研磨、电解抛光、及其组合所组成的群组。
    本发明的溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法中,该步骤(B)中,该溅镀步骤是于一气体压力较佳可为1x10‑4Pa‑1x10‑2Pa的条件下进行,例如10‑3Pa。
    本发明的溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法中,该步骤(B)中,该溅镀步骤较佳可于一惰性气体或氮气环境中进行,惰性气体例如可为氦气、氖气、或氩气等。
    本发明的溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的硬度值较佳可为3.5GPa‑5.5GPa,例如4.5GPa。
    本发明的溅镀锆基金属玻璃镀膜的方法中,该镀有锆基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数较佳可为80GPa‑100GPa,例如90GPa。
    本发明再提供一种溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,包括步骤:(A)提供一锆铜基金属玻璃靶材,该锆铜基金属玻璃靶材的组成系如式2(或式1)所示;以及(B)以该锆铜基金属玻璃靶材作为阴极,溅镀一锆铜基金属玻璃镀膜于一基板表面,该基板系一铝合金基板;其中,
    [式2]
    (ZreCufAlgAgh)100‑ySiy,
    其中,35=<e=<55,35=<f=<55,5=<g=<15,5=<h=<15,0.1=<y=<10。
    本发明的溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法中,该[式2]较佳可为(Zr42Cu42Al8Ag8)99.5Si0.5。
    本发明的溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法,其中,该锆铜基金属玻璃靶材较佳可经由以下步骤制得:
    (A1)将如式2(或式1)所示的组成的合金原料经熔炼形成一铸锭(ingot);以及
    (A2)将该铸锭进行真空吸铸,以形成一锆铜基金属玻璃靶材。
    本发明的溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法中,该步骤(A1)中,该熔炼较佳可为电弧熔炼。
    本发明的溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法中,该步骤(B)中,该基板较佳可为7075‑T6铝合金基板。
    本发明的溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法中,该步骤(B)中,该锆铜基金属玻璃镀膜的厚度较佳可为100nm‑500nm,例如200nm、300nm、或400nm等。
    本发明的溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法中,该基板是预先经由表面处理,该表面处理较佳可为包括选自由:研磨、电解抛光、及其组合所组成的群组。
    本发明的溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法中,该步骤(B)中,该溅镀步骤较佳可于一气体压力为1x10‑4Pa‑1x10‑2Pa的条件下进行,例如10‑3Pa。
    本发明的溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法中,该步骤(B)中,该溅镀步骤较佳可于一惰性气体或氮气环境中进行,惰性气体例如可为氦气、氖气、或氩气等。
    本发明的溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的硬度值较佳可为4GPa‑6GPa,例如5GPa。
    本发明的溅镀锆铜基金属玻璃镀膜的方法中,该镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板的杨氏系数较佳可为85GPa‑105GPa,例如97GPa。
    以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。下列特定具体实施例仅解释为说明性,无论以任何方式皆不限制本发明。对本发明中配方的形式与细节的省略、修饰、减损、与改变,在不背离本发明的精神与范畴下,均可由本领域技术人员加以进行。
    实施例1
    锆基金属玻璃((Zr53Cu30Ni9Al8)99.5Si0.5)镀膜基板的制备
    1)靶材的制备
    将合金原料按照组成比例((Zr53Cu30Ni9Al8)99.5Si0.5)配制后,将合金原料在氩气保护气氛下(分压约为200torrs)以电弧熔炼的方式(氩焊机厂牌型号:Lincoln electric INVERTEC V450‑PRO),进行合金熔炼形成圆形铸锭(ingot)。
    将熔炼完成的铸锭表面进行清洁(例如,以喷砂机将氧化层去除,并将铸锭放入装有酒精的烧杯内,以超音波震荡清洁表面残留物),并将完成清洁后的铸锭放入真空吸铸熔炼炉中,在高纯度氩气的保护下进行真空吸铸,并搭配恒温控制系统控制铜模温度,快速冷却后得到一金属玻璃合金板。接着,利用线切割(Wire‑Cut EDM)将合金板切割成直径约为2时的大小的靶材,即完成本实施例的金属玻璃合金靶材的制备。
    2)溅镀锆基金属玻璃镀膜
    2‑1.铝合金基板的前处理
    取7075‑T6铝合金基板,以砂纸进行研磨表面处理。须注意的是,所使用的砂纸的顺序,必须为号数由小至大,例如从1000号研磨到4000号砂纸。在此,铝合金基板可为公知任何种类的铝合金基板,不限于7075‑T6铝合金基板。接着,再将试片施以电解抛光(electrolytic polishing)处理。电解抛光液的配方为:CH3COOH 78ml+HClO4 22ml+Al(powder)0.4g。电解抛光时,将基板放置于正极(+),以一不锈钢板作为负极(‑)。由于电解液温度需小于45℃,因此在此是以恒温控制系统控制电解液温度。电解抛光是使用直流电解抛光机进行,电流密度为5A/dm2,工作电压为50V,工作时间为30秒。
    2‑2.缓冲层的形成
    为了增加薄膜与铝合金基板的附着力,必须先在基板表面镀上一层厚度约为50nm的缓冲层,缓冲层的材料主要为金属钛。
    2‑3.溅镀
    以金属玻璃靶材为阴极,被镀物基板作为阳极,以直流磁控溅镀机(DCMagnetron Sputter)来制备本实施例的金属玻璃薄膜。将溅镀机腔体抽至真空度为10‑3Pa,充入氩气气体并施加直流高电压进行溅镀,在基板的缓冲层表面镀上一层锆基金属玻璃镀膜((Zr53Cu30Ni9Al8)99.5Si0.5),其厚度为200nm,则完成本实施例的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板。
    实施例2
    锆铜基金属玻璃((Zr42Cu42Al8Ag8)99.5Si0.5)镀膜基板的制备
    首先,除了需将组成比例改为((Zr42Cu42Al8Ag8)99.5Si0.5)以外,以如同实施例1中步骤1.靶材的制备中所描述的相同方法制备锆铜基金属玻璃靶材。
    接着,取7075‑T6铝合金基板,以如同实施例1中步骤2.所描述的相同方法,使用本实施例的锆铜基金属玻璃靶材进行溅镀,而得到本实施例的镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板。
    测试例1
    能量分散质谱仪(Energy dispersive spectrometry,EDS)分析
    取实施例1、2的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板、镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板分别进行能量分散质谱仪分析,分析其表面金属玻璃合金镀膜的成份,所得到的结果如下表1所示。
    其中,由于硅含量只有0.5at.%,因为含量过少使EDS侦测不到硅元素,但其它元素如锆元素、铝元素、铜元素、镍元素、银元素所测得的结果皆在合理范围之内。
    表1

    测试例2
    X光绕射分析(XRD)
    利用X光绕射仪(Shimadzu XRD‑6000)低角度绕射,鉴定薄膜的晶体结构与特性。其中,X光绕射的散射角2θ范围从20度至80度,扫描速率为4°/min。
    图1为实施例1的锆基金属玻璃镀膜的X光绕射分析结果图;以及图2为实施例2的锆铜基金属玻璃镀膜的X光绕射分析结果图。由图中可看到,实施例1、2的金属玻璃合金镀膜皆呈现金属玻璃状态,没有特别尖锐(sharp)的绕射峰。
    金属玻璃(metallic glass)是指金属原子的排列方式缺乏连续规则性的长程排列,而仅以间断短程有序方式排列。金属玻璃又称为液态金属(liquid metals)或非结晶金属(non‑crystalline metals),又因为这种缺乏连续规则性长程排列的规则性的特质与玻璃的结构相似,所以又被称为玻璃化金属(glassy metals)或金属玻璃(metallic glass)。当合金液由高温缓慢冷却凝固时,通常会形成具连续规则性长程排列的结晶固体,但若是以极快的冷却速率(约106~1010K/sec)冷却,则可生成无序原子排列的金属玻璃合金。且因为这种特殊的金属玻璃结构,使金属玻璃合金在低角度(2θ=30~50度)的X‑ray绕射图下具有一宽广的绕射峰,故有别于结晶物体的绕射峰图。
    本测试例通过X光绕射分析证实出实施例1、2的金属玻璃合金镀膜皆呈现金属玻璃状态。
    测试例3
    薄膜刮痕附着力试验
    刮痕附着力试验是很重要的测试,对于任何镀膜的应用而言,最重要的性质即为其与基材之间的附着性(adhesion),因为若没更足够的附着性来保证镀膜在疲劳测试过程中仍然能够继续存在,那么镀膜的应用及其机械性质均无法完全展现,因此评估镀膜与基材的附着性成为镀膜评估的重要依据。
    于本测试例中,取用实施例1、2的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板、镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板,测试合金镀膜与基板之间的附着力。附着力的取得方法是经由:通过薄膜刮痕测试得到曲线图,将摩擦力数据平滑化(smoothing)后,取一次微分(differentiate),其最大值所对应的负载值就是破坏薄膜所需的力(即,临界荷重:Lc)。
    本测试例中,测试结果经由计算后,所得到实施例1、2的锆基金属玻璃镀膜、以及锆铜基金属玻璃镀膜的附着力分别为66N与90N。由此可看出,本发明的锆铜基薄膜附着力高于锆基薄膜,而附着力越高表示附着性质越好,薄膜越不容易剥落。
    测试例4
    原子力显微镜表面分析(AFM)
    取实施例1、2的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板、镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板;以及经电解抛光但未镀有金属玻璃合金镀膜的基板(对照组)进行测量。
    经原子力显微镜扫描分析的结果,可得到经电解抛光但未镀金属玻璃合金镀膜的基板表面粗糙度为6.3nm,而实施例1的锆基合金镀膜的基板与锆铜基合金镀膜的基板的表面粗糙度分别为4.5nm与4.1nm。通过本发明的金属玻璃合金镀膜处理,可使基板表面粗糙度降低、刮痕减少,同时也减少了裂隙在试片表面起始的位置,因此镀有锆基与锆铜基镀膜的基板的疲劳性质可有效地获得改善。
    测试例5
    纳米压痕技术量测(Nano‑indentation test)
    取实施例1、2的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板、镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板;以及经电解抛光但未镀有金属玻璃合金镀膜的基板(对照组)进行测量。
    本测试例采用纳米压痕测试仪(Nanoindenter,TriboLab,Hysitron,USA)做测试,压痕深度不超过膜厚的1/10,于镀膜上均匀施打十点,所得数据经取平均值后得到薄膜的硬度值。
    由上数方式量测,可以得到实施例1、2的锆基、锆铜基金属玻璃合金镀膜的硬度值分别为4.5GPa与5GPa,且杨氏系数分别为90GPa与97GPa。然而未镀金属玻璃合金镀膜的基板的硬度值约1.7GPa、杨氏系数为72GPa。由此可得知,通过本发明的金属玻璃合金镀膜处理,可使基板的杨氏系数、及硬度提升。
    测试例6
    四点弯曲疲劳试验
    本测试例利用材料试验机(Material Test System,MTS‑858 Mini BionixII),根据ASTM C1161‑02c标准对实施例1、2的镀有锆基金属玻璃镀膜的基板、镀有锆铜基金属玻璃镀膜的基板、以及经电解抛光但未镀有金属玻璃合金镀膜的基板(对照组)进行四点弯曲疲劳测试,以得到其在不同应力值下的疲劳寿命。
    所得到的结果如下。当应力值为300MPa时,未镀膜的基板的疲劳寿命为7.5x104次,实施例1的镀有锆基合金镀膜的基板为5x105次,实施例2的镀有锆铜基合金镀膜的基板为1.2x106次。如此可看出经由本发明的金属玻璃合金镀膜处理,可使基板的疲劳寿命增加。此外,随着测试使用应力值条件降低,所观察到的疲劳寿命增加的幅度更为明显。例如,在250MPa的应力下,未镀膜的基板的疲劳寿命为2.2x105次,实施例1的镀有锆基合金镀膜的基板为5.0x106次,实施例2的镀有锆铜基合金镀膜的基板为>107次。因此,镀了锆基合金镀膜以及锆铜基合金镀膜可使疲劳寿命分别提升22倍与45倍。
    综上所述,以本发明的方法所制备得到的金属玻璃锆基及/或锆铜基合金镀膜的基板可改善原本无镀合金镀膜的铝合金基板的各种特性,例如改善了铝合金基板的疲劳寿命、表面粗糙度、硬度等,由此可提升铝合金基板的使用寿命。因此,本发明的技术可应用到航空制造、造船业、汽车工业、自行车工业等领域,以提升各种交通工具的耐用性,还可应用到其它需要高疲劳性的装置上,帮助提升装置使用寿命等性质。
    上述实施例仅为了方便说明而举例而已,本发明所主张的权利范围自应以申请的权利要求范围所述为准,而非仅限于上述实施例。

    关 键  词:
    金属 玻璃 镀膜 铝合金 疲劳 性质 提升 应用
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