[發明專利]一種Zr-B-O-N納米復合涂層制備工藝

有效

• 申請號: 201710106499.8
• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN106893991B
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 王鐵鋼;楊祖兵;閻兵;郭玉垚;劉艷梅;范其香;李彤
• 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

本發明涉及硬質涂層及其制備技術，具體地說是一種Zr?B?O?N納米復合涂層及其制備工藝，采用高功率脈沖和脈沖直流磁控共濺射技術在金屬或合金基體上沉積Zr?B?O?N涂層。為提高涂層中Zr元素含量，靶材分別選用金屬Zr和化合物ZrB₂（純度均為wt. 99.9%），鍍膜前先通入Ar氣，利用高功率脈沖磁控濺射Zr靶對基體表面進行轟擊清洗，然后沉積金屬Zr過渡層，最后再通入反應氣體N₂和O₂，將Zr和ZrB₂靶同時起輝，開始沉積Zr?B?O?N涂層。本發明涉及的Zr?B?O?N涂層制備重復性好，并且容易工業化生產；制備出的Zr?B?O?N涂層具有較高的硬度和彈性模量，良好的耐磨性能和抗氧化性能，而且組織結構致密、涂層與基體間的結合力強。

技術領域

本發明涉及涂層制備技術，具體地說是一種納米復合Zr-B-O-N涂層的制備工藝。

背景技術

近年來, 在機械、鍛造和成型器件上使用耐磨硬質涂層變得越來越重要, 不僅可以節約成本, 而且還能提高材料的使用壽命。Zr-B-N納米復合涂層具有硬度高，韌性好的優點，還有比其他涂層更好的耐磨性能，向Zr-B-N涂層中添加氧元素制備出的Zr-B-O-N納米復合涂層，可進一步提高涂層的耐熱能力和抗氧化性能。經研究發現，添加氧元素后涂層硬度略有下降，但耐磨性能和抗氧化能力均得到了提升。對于刀具涂層而言，硬度不是影響其使用性能的唯一因素，而涂層組織結構的高溫穩定性、與被加工材料之間的摩擦系數和化學反應、以及抗磨損性能對涂層刀具的使用壽命影響更大。

在Zr-B-O-N涂層中，氧含量的多少決定它的存在方式，氧元素若固溶于晶格會引起離子鍵比例增大和晶格畸變，若偏析于晶界或析出氧化物會造成涂層中微結構缺陷的改變，這些都將影響涂層的各種性能，因此在Zr-B-N 涂層中添加氧元素后，涂層組織結構發生轉變、化學鍵的變化、以及位錯和晶界等晶體缺陷的引入將嚴重影響涂層的力學性能、摩擦學行為和涂層刀具的切削性能；涂層中氧元素的含量和分布將影響高溫下涂層元素擴散和表面化學反應，從而改變涂層的熱穩定性和抗氧化能力。

為研制結構致密、高硬度、高韌性、高耐熱性能的涂層，本專利采用高功率脈沖和脈沖直流共濺射技術沉積納米復合Zr-B-O-N涂層。高功率脈沖磁控濺射技術利用較高的脈沖峰值功率（超出傳統磁控濺射2 ~ 3個數量級）和較低的脈沖占空比（0.5 % ~ 10 %）來實現高金屬離化率，這樣在偏壓電場的作用下，帶電粒子會加速轟擊基體表面起到清洗作用；在涂層沉積過程中，也為保障涂層硬度提供了大量的金屬Zr離子。基體表面經高能離子轟擊后, 產生清潔的活化界面并促進局部表面的外延生長, 增強涂層的粘附性能。脈沖直流磁控濺射能有效地抑制電弧產生進而消除由此產生的涂層缺陷，同時可以提高涂層沉積速率、降低沉積溫度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有良好的熱穩定性和抗氧化能力的Zr-B-O-N涂層制備工藝。

本發明的技術方案為：

采用高功率脈沖和脈沖直流共濺射技術在金屬或合金基體上沉積Zr-B-O-N納米復合涂層，為提高涂層與基體間的結合強度，在沉積Zr-B-O-N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300 nm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Zr-B-O-N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。為保持高硬度，需增加涂層中Zr元素的含量，高功率脈沖磁控濺射靶選用金屬Zr，脈沖直流磁控濺射靶選用化合物ZrB₂，通過適量添加N和O元素形成納米復合結構來提升涂層的耐高溫能力和抗氧化性能。鍍膜時嚴格控制反應氣體O₂和N₂的流量以及各個靶的電源功率，反應沉積結構致密、高硬度、高韌性、高耐熱性能的納米復合涂層。

沉積參數：