[發明專利]一種納米晶ZrB2超硬涂層及制備方法

有效

• 申請號: 201510010216.0
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN105463391B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 王鐵鋼;劉艷梅;范其香;蔡玉俊;戚厚軍;閻兵;李彤;韓翠紅
• 申請（專利權）人: 天津職業技術師范大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙)12214
• 代理人: 王海濱

技術領域

本發明涉及涂層制備技術，具體地說是一種納米晶ZrB₂超硬涂層的制備方法。

背景技術

ZrB₂具有較高的化學穩定性、高的電導率和熱導率、良好的阻燃性及高的抗氧化和抗腐蝕性能等優點，其薄膜形式更具有高硬度和良好的耐磨性能。制備具有超高硬度的ZrB₂涂層，將其優異的性能與金屬或合金基體的韌性和可加工性結合起來，可以滿足人們在耐磨材料領域的廣泛需求。但由于其熔點高、燒結難以致密化等特點使得塊體材料的制備成本高昂，難度增大，阻礙了這種材料的廣泛應用。ZrB₂的熔點為3245 ℃，其塊體形式很難燒結致密，如何提高ZrB₂陶瓷的致密度一直是研究的重點。而有關ZrB₂涂層的研究報道較少, 其制備方法主要有CVD 法、涂刷法、等離子體噴涂法等，其中CVD 法原材料ZrBH₄合成困難，涂層內缺陷較多，導致硬度下降。等離子體噴涂法存在的主要問題是ZrB₂熔點高, 不易形成鋪展, 因此需要添加SiC輔助。涂刷法制備的涂層與基體的結合力差, 導致熱震性能下降, 燒結溫度高, 因此也需引入SiC作為燒結助劑。雖然引入SiC的涂層能夠在一定溫度范圍內為基底材料提供良好的抗燒蝕保護, 但是涂層在更高溫度下的抗燒蝕性能受到了限制。

為研制結構更加致密、硬度更高的ZrB₂涂層，本專利采用脈沖直流磁控濺射技術沉積納米晶ZrB₂涂層。脈沖直流電源引入磁控濺射鍍膜系統后許多在濺射中出現的問題被克服, 沉積速率接近純金屬靶材的金屬濺射模式。周期性的脈沖電壓變化達到陰極靶表面集聚的電荷周期性的清洗效果, 可以長期穩定地沉積化合物涂層以及絕緣涂層。高功率的脈沖直流放電導致離化率的提高以及高能離子分數的增加, 到達襯底表面的金屬離子高達92 %。脈沖直流磁控濺射可以增加涂層與基體間的結合強度并促進擇優取向結構形成。襯底表面經高能離子轟擊后, 產生清潔的活化界面并促進襯底表面局部的外延生長, 增強涂層的粘附性能。襯底表面離子流的改善促進了離子對襯底的轟擊, 增加了襯底表面吸附原子的能力, 形成了結構更加致密的涂層。

本發明利用高功率脈沖和脈沖直流復合磁控濺射技術在金屬或合金基體上沉積納米晶ZrB₂涂層，同時具有超高的硬度和耐磨性能。本工作實現了用控制離子能量的方法來代替溫度對硬質涂層的微觀結構進行調控，使其兼具超硬和耐磨的特征。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有超高硬度和良好耐磨性能的ZrB₂涂層及其制備方法。

本發明的技術方案為：

采用高功率脈沖和脈沖直流復合磁控濺射技術在金屬或合金基體上沉積納米晶ZrB₂超硬涂層，為提高涂層與基體間的結合強度，在沉積ZrB₂涂層之前，先利用高功率脈沖磁控濺射技術轟擊清洗基體，之后沉積約260 nm厚的金屬Zr過渡層，起緩沖內應力的作用。由于金屬或合金基體與ZrB₂的熱膨脹系數差異較大，當鍍膜結束冷卻到室溫后，會引入較大的熱應力，金屬Zr過渡層可使內應力呈梯度分布，從而改善涂層與基體間的結合，避免局部應力過大導致涂層剝落。最后，再利用脈沖直流技術在氬氣氣氛中濺射高純度的ZrB₂化合物靶，非反應沉積納米晶ZrB₂涂層。

沉積參數：

先將真空室的本底真空抽至3×10^-3 Pa，然后在真空室內通入氬氣對試樣表面進行輝光放電清洗，壓強升至3×10^-1 Pa，加-600 V直流偏壓，放電清洗時間5 min；之后開通高功率脈沖電源，平均輸出功率0.8 kW，控制金屬Zr靶起輝，靶電流約50 A，再轟擊清洗5 min；之后降低偏壓至-100 V，先沉積金屬Zr過渡層5 min，靶基距保持在100 mm，沉積溫度300 ℃；隨后關閉高功率脈沖電源，開通脈沖直流電源，輸出功率0.8 kW，靶電流約3.8 A，靶電壓約350 V，占空比60 %，控制ZrB₂化合物靶材起輝，開始沉積ZrB₂涂層，靶基距保持100 mm不變，工作壓力控制在3×10^-1 Pa，基體偏壓仍為-100 V；沉積時間根據工件具體要求而定。