一种氮化钼基梯度多元纳米多层涂层及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化钼基梯度多元纳米多层涂层及其制备方法，该涂层设于各种不同成分的基体上，其结构为A‑Mo/Mox1Ay1N1‑x1‑y1/(Mox3Aly3N(1‑x3‑y3)/Mox4Aly4Siz4N(1‑x4‑y4‑z4))n，其中，A为基体所含的主要元素，0

Molybdenum nitride based gradient multi-component nano multilayer coating and preparation method thereof

The invention discloses a molybdenum nitride based gradient multivariate nano multilayer coating and its preparation method. The coating is on a matrix of various components, and its structure is A Mo/Mox1Ay1N1 x1 y1/ (1 /Mox4Aly4Siz4N X3 Y3) /Mox4Aly4Siz4N (1 X4 X4 Y4 Z4)) n, which is the main element contained in the matrix, 0

【技术实现步骤摘要】
一种氮化钼基梯度多元纳米多层涂层及制备方法
本专利技术涉及的是薄膜材料和表面科学
，尤其涉及的是一种氮化钼基梯度多元纳米多层涂层及制备方法。
技术介绍
现代工业的快速发展对材料的性能提出了越来越高的要求，利用硬质薄膜进行材料防护是提高材料性能的一种经济适用的途径。例如，在高速钢或者硬质合金制造的切削刀具和模具等部件上沉积单层、多层或者复合的硬质薄膜，对于改善其耐磨性和提高耐用度效果十分显著。常见的涂层材料大致可以分为三种，一、钛基硬质薄膜涂层材料，包括TiN,TiC,TiCN,TiAlN等，它们已经在工具、模具、装饰等行业得到日益广泛的应用，但仍然不能满足许多难加工材料，如高铝硅合金，各种有色金属及其合金，工程塑料，非金属材料，陶瓷复合材料等。二、金刚石膜，因为其极高的硬度、弹性模量和极佳的化学稳定性，从20世纪80年代开始，它一直受到世界各国的广泛重视。但是该薄膜在制备时对设备的要求非常苛刻，成本昂贵，而且存在与硬质合金的结合力很差这一技术难题。三、类金刚石薄膜，它有很多类似与金刚石的性质，像较高的硬度，低的摩擦系数等。但是该薄膜在沉积过程由于有很大的内应力而使膜厚受到限制，而且在应用过程中热稳定性差、容易石墨化。多晶MoNx薄膜是近年来发展起来的一种新型薄膜,由于具有良好的性质(高熔点，高电导率，高的比表面积，好的化学稳定性),尤其是极好的耐磨性(耐磨率约是氮化钛的14倍)而倍受青睐，它们已被广泛应用于微电子，半导体，机械加工以及催化等领域。但是MoNx涂层还存在以下问题：1)抗氧化温度低(低于350℃)；2)与基体结合力差；3)在一种基体上优化的工艺很难复制到其他集体上，即普适性差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种氮化钼基梯度多元纳米多层涂层及制备方法，以解决现有氮化钼基涂层抗氧化温度低、与基体结合力差、以及普适性差等技术问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种氮化钼基梯度多元纳米多层涂层，该涂层设于基体表面，由内向外依次由A-Mo膜、Mox1Ay1N1-x1-y1膜、若干层Mox3Aly3N(1-x3-y3)/Mox4Aly4Siz4N(1-x4-y4-z4)复合膜组成的结构为A-Mo/Mox1Ay1N1-x1-y1/(Mox3Aly3N(1-x3-y3)/Mox4Aly4Siz4N(1-x4-y4-z4))n纳米多层涂层，其中，A为基体所含的主要元素，0<x,y,z<1，n为大于2的整数。进一步地，所述A-Mo膜厚度为5-15nm，Mox1Ay1N1-x1-y1膜厚度为5-15nm，涂层总厚度为2-5μm。本专利技术还提供了一种上述氮化钼基梯度多元纳米多层涂层的制备方法，具体采用磁控溅射镀膜仪进行制备，包括以下步骤：(1)表面预处理：对基体表面进行抛光处理，获得衬底作为样品装入样品台上；(2)A-Mo层制备：将A-Mo靶安装在直流阴极上，真空氩气状态下进行溅射处理，制备A-Mo层；(3)A-Mo-N层制备：通入氮气，继续溅射处理，制备A-Mo-N层；(4)(Mox3Aly3N(1-x3-y3)/Mox4Aly4Siz4N(1-x4-y4-z4))n纳米多层膜制备：关闭A-Mo靶溅射电源，将样品置于Mo-Al-Si和Mo-Al靶下，交替溅射，制备所述纳米多层膜；(5)溅射完成，样品在真空条件下冷却，取出样品，获得所述氮化钼基梯度多元纳米多层涂层。进一步地，制备过程中，靶材-样品表面的距离为40-80mm，沉积温度为300-500℃，混合气中氩气氮气体积比为4/1-1/4，工作气压为0.5-3Pa。进一步地，制备过程中的溅射处理条件满足：制备A-Mo层时，溅射功率为40-60W，溅射时间为5-10min；制备Mo-A-N层时，溅射功率为90-120W，溅射时间为15-30min。进一步地，所述步骤(4)中，交替溅射的条件为：溅射功率为90-120W，每次的溅射时间控制在3-5min，总溅射时间为1-2h。本专利技术相比现有技术具有以下优点：本专利技术提供了一种氮化钼基梯度多元纳米多层涂层及制备方法，通过采用多元化、多层化的手段来提高涂层的综合性能，同时采用梯度结构来减少涂层对基体的依赖程度、增加涂层的普适性。附图说明图1为氮化钼基梯度多元纳米多层涂层的截面SEM图片；图2为W6Mo5Cr4V2的高速钢基体上沉积不同涂层后的纳米压痕硬度；图3为W6Mo5Cr4V2的高速钢基体上沉积不同涂层后的涂层与基体的结合强度。具体实施方式实施例1本实施例提供了一种以成分为W6Mo5Cr4V2的高速钢片为基体，利用磁控溅射镀膜仪制备氮化钼基梯度多元纳米多层涂层的方法，包括以下步骤：(1)表面预处理：将高速钢(W6Mo5Cr4V2)片经抛光、清洗得到衬底后，装入样品台上；(2)W-Mo层制备：将W-Mo靶安装在直流阴极上，调整靶材和样品的距离为40-80mm，开机，抽真空至8×10-4Pa，加热基体至300-500℃(沉积温度)，通入氩气，调整工作气压至0.5-3Pa；打开溅射电源，调整溅射功率为40-60W，控制溅射时间5-10min，制备W-Mo层；(3)W-Mo-N层制备：通入氮气，保持氩气氮气通入的体积比为4：1-1：4，工作气压为0.5-3Pa，调整溅射功率为90-120W，控制溅射时间15-30min，制备W-Mo-N层；(4)(Mox3Aly3N(1-x3-y3)/Mox4Aly4Siz4N(1-x4-y4-z4))n纳米多层膜制备：关闭W-Mo靶溅射电源，把样品旋转到Mo-Al-Si和Mo-Al靶下，交替溅射，其中，交替溅射的功率为90-120W，每次的溅射时间控制在3-5min，总溅射时间为1-2h，制备获得(Mox3Aly3N(1-x3-y3)/Mox4Aly4Siz4N(1-x4-y4-z4))n纳米多层膜；(5)溅射完成，关闭溅射、加热电源，停止通气，样品在分子泵抽真空的条件下降温至100℃以下，关分子泵，关电源，自然真空下冷却到室温后，取出样品。利用金刚石刀直接切割样品，进行SEM观察，获得如图1所示的SEM截面图片。利用上述方法在W6Mo5Cr4V2的高速钢片上沉积Mo-W，Mo-W-N，Mo-Al-N、Mo-Al-Si-N及本专利技术所述的氮化钼基梯度多元纳米多层涂层，比较不同涂层的纳米压痕硬度(纳米压痕仪检测)和涂层与基体的结合强度，结果如下图2、3所示。图1为n＝20时，该涂层的截面SEM图，可以看出涂层为多层结构，在多层涂层和基体之间有厚度为几个nm的两个过渡层A-Mo和Mox1Ay1N1-x1-y1。图2和图3为Mo-W，Mo-W-N，Mo-Al-N，Mo-Al-Si-N及Mo-W/Mox1Ay1N1-x1-y1/(Mox3Aly3N(1-x3-y3)/Mox4Aly4Siz4N(1-x4-y4-z4))n(n＝1，10，20)时的纳米压痕硬度及涂层与衬底的结合强度测试结果，可以看出利用本专利技术方法制备的氮化钼基梯度多元纳米多层涂层，硬度和膜-基结合强度都明显高于单层膜Mo-W，Mo-W-N，Mo-Al-N，Mo-Al-Si-N。而且，随着多层膜层数的增加，性能改善明显。以上为本专利技术一种详细的实施方式和具体的操本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化钼基梯度多元纳米多层涂层，该涂层设于基体表面，其特征在于，为由内向外依次由A‑Mo膜、梯度变化的Mox1Ay1N1‑x1‑y1膜、若干层Mox3Aly3N(1‑x3‑y3)/Mox4Aly4Siz4N(1‑x4‑y4‑z4)复合膜组成的结构为A‑Mo/Mox1Ay1N1‑x1‑y1/(Mox3Aly3N(1‑x3‑y3)/Mox4Aly4Siz4N(1‑x4‑y4‑z4))n的纳米多层涂层，其中，A为基体所含的主要元素，0

【技术特征摘要】
1.一种氮化钼基梯度多元纳米多层涂层，该涂层设于基体表面，其特征在于，为由内向外依次由A-Mo膜、梯度变化的Mox1Ay1N1-x1-y1膜、若干层Mox3Aly3N(1-x3-y3)/Mox4Aly4Siz4N(1-x4-y4-z4)复合膜组成的结构为A-Mo/Mox1Ay1N1-x1-y1/(Mox3Aly3N(1-x3-y3)/Mox4Aly4Siz4N(1-x4-y4-z4))n的纳米多层涂层，其中，A为基体所含的主要元素，0<x,y,z<1，n为大于2的整数。2.根据权利要求1所述的一种氮化钼基梯度多元纳米多层涂层，其特征在于，所述A-Mo膜厚度为5-15nm，Mox1Ay1N1-x1-y1膜厚度为5-15nm，涂层总厚度为2-5μm。3.一种如权利要求1-2所述的氮化钼基梯度多元纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)表面预处理：对基体表面进行抛光处理，获得衬底作为样品装入磁控溅射镀膜仪的样品台上；(2)A-Mo层制备：将A-Mo靶安装在直流阴极上，真空氩气状态下进行溅射处理，制备A-Mo层；(3)A-Mo-N层制备：通入氮气，继续溅...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨俊峰，方前锋，杨瑞芳，王先平，张涛，庄瑞斌，宰广平，程帜军，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34