一种CrN涂层、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种CrN涂层、制备方法及应用，其中，CrN涂层为纳米孪晶结构。本发明专利技术采用筒形金属等离子体源结合磁控溅射技术，对金属离子的纯化和能量的精确控制，可实现高密度纳米孪晶结构在CrN陶瓷涂层中的生成。纳米孪晶结构能大幅提高CrN涂层的硬度。

A CrN Coating, Its Preparation Method and Application

The invention discloses a CrN coating, a preparation method and an application thereof, in which the CrN coating has a nano twin structure. The invention adopts cylindrical metal plasma source combined with magnetron sputtering technology to precisely control the purification and energy of metal ions, and can realize the formation of high density nanotwin structure in CrN ceramic coating. Nano-twin structure can greatly improve the hardness of CrN coating.

【技术实现步骤摘要】
一种CrN涂层、制备方法及应用
本专利技术涉及表面工程与硬质涂层领域，尤其涉及一种CrN涂层、制备方法及应用。
技术介绍
CrN涂层由于具有高的硬度、耐蚀性、抗氧化性、热稳定性、结合强度以及低的摩擦系数等优异性能，被广泛用于刀具、模具等领域，作为表面防护材料延长工件的服役寿命。常规的CrN涂层一般为柱状晶和纳米晶结构，其表面硬度为22-25GPa，相对于硬度一般为30-50GPa的多元复合涂层而言，比如TiAlN、CrAlN、TiCrAlN等，具有明显劣势，但其耐腐蚀性能，耐高温性能较好。因此，如果把CrN涂层的硬度提高，将明显延长涂层的使用寿命。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种CrN涂层、制备方法及应用，旨在解决目前的CrN涂层的硬度低的问题。本专利技术的技术方案如下：一种CrN涂层，所述CrN涂层为纳米孪晶结构。所述的CrN涂层，其中，所述CrN涂层的纳米孪晶结构的密度>1015cm-2。一种如上所述的CrN涂层的制备方法，包括如下：步骤A、将基底的表面进行等离子体清洗；步骤B、在惰性气氛下、采用筒形金属等离子体源对Cr靶进行放电，在第一偏压下向所述基底的表面沉积Cr过渡层；步骤C、向系统中通入氮气，在所述Cr过渡层上沉积CrN，得到纳米孪晶结构的CrN涂层。所述的CrN涂层的制备方法，其中，所述步骤A包括：将真空室抽真空至真空度≤10-4Pa，然后通入惰性气体，使真空室的气压保持在0.5-5Pa，采用气体离子源在第二偏压的作用下对基体进行等离子体刻蚀清洗。所述的CrN涂层的制备方法，其中，所述气体离子源为霍尔离子源或考夫曼离子源。所述的CrN涂层的制备方法，其中，所述步骤B中，对Cr靶进行放电的方式为直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射或复合脉冲磁控溅射。所述的CrN涂层的制备方法，其中，所述高功率脉冲磁控溅射的参数为：电压为600-1200V，频率为50-400Hz，脉宽为50-1000μs。所述的CrN涂层的制备方法，其中，所述步骤B中，所述第一偏压为直流偏压，电压大小为20V-400V。所述的CrN涂层的制备方法，其中，所述步骤C中，所述氮气与惰性气体的体积比为1：（2-20）。一种如上所述的CrN涂层的应用，将所述CrN涂层用于金属、合金或陶瓷材料构件的表面，作为强化层、耐磨层和防腐层。有益效果：本专利技术提供了一种如上所述的CrN涂层，该涂层由金属铬（Cr）和氮（N）二元组成，形成组织结构致密的纳米孪晶结构，大幅提高了传统的柱状晶和纳米晶结构的CrN涂层的硬度。附图说明图1是实施例1中制备的CrN涂层表面的SEM图。图2是实施例1中制备的CrN涂层截面的SEM图。图3是实施例1中制备的CrN涂层中选取的A点的孪晶结构图（TEM图）。图4是实施例1中制备的CrN涂层中选取的B点的孪晶结构图（TEM图）。图5是实施例1中制备的CrN涂层中选取的C点的孪晶结构图（TEM图）。图6是实施例1中制备的CrN涂层中选取的D点的孪晶结构图（TEM图）。图7是实施例1中制备的CrN涂层中选取的A-D点的位错结构图（标尺5nm）。图8是实施例1中制备的CrN涂层中选取的A-D点的位错结构图（标尺2nm）。具体实施方式本专利技术提供了一种CrN涂层、制备方法及应用，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供的CrN涂层为纳米孪晶结构。纳米孪晶组织结构致密，能大幅提高CrN涂层的硬度。优选的纳米孪晶结构的密度>1015cm-2，可使得CrN涂层的硬度>35GPa。本专利技术的还提供了一种如上所述的CrN涂层的制备方法，包括如下：步骤A、将基底的表面进行等离子体清洗。具体的，先将真空室抽真空至真空度≤10-4Pa，然后通入惰性气体（例如Ar气或两种以上惰性气体的混合气体），使真空室的气压保持在0.5-5Pa，采用气体离子源在第二偏压的作用下对基体进行等离子体刻蚀清洗，消除基体表面吸附的有机物，放电功率优选为0.5-5kW，第二偏压为直流偏压，偏压大小优选为400V-1200V，刻蚀时间可以为5-30min。其中，气体离子源优选为阳极层离子源，由气体等离子体发生装置产生，可以是霍尔离子源或考夫曼离子源等。步骤B、在惰性气氛下、采用筒形金属等离子体源对Cr靶进行放电，在第一偏压下向所述基底的表面沉积Cr过渡层。具体的，优选纯度≥99.9%的Cr靶材，筒形金属等离子体源为基于磁控溅射原理的筒形溅射阴极，其结构可参考现有技术（专利申请号为201410268732.9），本专利技术不再赘述。对Cr靶进行放电的方式可以是直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）或复合脉冲磁控溅射。本专利技术优选高功率脉冲磁控溅射，优选的参数为：电压600-1200V，频率50-400Hz，脉宽50-1000μs。所述第一偏压为直流偏压，电压大小优选为20V-400V。由于Cr过渡层的存在，本专利技术的CrN涂层与基底的结合强度>40N，涂层附着力好。步骤C、向系统中通入氮气，在所述Cr过渡层上沉积CrN，得到纳米孪晶结构的CrN涂层。具体的，在基底上形成Cr过渡层后，向真空室中通入氮气，优选的，氮气与惰性气体的体积比为1：（2-20）。沉积10min-120min左右，可获得1-10μm左右厚度的纳米孪晶结构的CrN涂层。纳米孪晶结构是卢柯院士首次发现，并能够对材料在不改变成分的前提下大幅度进行强化的一种结构，但该结构目前只能在Cu、Ni及其合金中高密度存在，并不能在陶瓷涂层中产生。本专利技术采用筒形金属等离子体源结合磁控溅射技术，对金属离子的纯化和能量的精确控制，可实现高密度纳米孪晶结构在CrN陶瓷涂层中的生成。更优的，在上述技术方案的基础上，本专利技术可采用现有的改进设备(专利号为201510899888.1)获得高离化率的沉积离子束流，同时通过该设备的等离子体引出系统，保证高能量离子在沉积过程中的稳定性，提高涂层沉积速率。可进一步提高纳米孪晶CrN涂层的组织致密性和位错密度，提高涂层的硬度，减小涂层表面的粗糙度。本专利技术的还提供了一种如上所述的CrN涂层的应用，将纳米孪晶结构的CrN涂层用于金属、合金或陶瓷材料构件的表面，作为强化层、耐磨层和防腐层，相比合金涂层，本专利技术提供的纳米孪晶结构的CrN涂层不仅硬度高、附着力好，而且有优良的耐腐蚀性，可显著延长工件的服役寿命。下面通过实施例对本专利技术进行详细说明。实施例11）抽真空将磁控溅射设备的真空室通过抽气系统抽真空，使其背底真空度达到10-4Pa。2）气体等离子体清洗向真空室中通入Ar气，使真空室气压保持在1Pa左右，使用阳极层离子源在偏压的作用下对基体进行等离子体刻蚀清洗，消除基体表面吸附的有机物，阳极层离子源功率为1kW，偏压选择直流偏压，大小为600V，刻蚀时间为20min。3）Cr过渡层制备采用筒形金属等离子体源对Cr靶进行HiPIMS放电，Cr靶纯度为99.9%-99.99%，HiPIMS放电电压为900V，频率为100本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CrN涂层，其特征在于，所述CrN涂层为纳米孪晶结构。

【技术特征摘要】
1.一种CrN涂层，其特征在于，所述CrN涂层为纳米孪晶结构。2.根据权利要求1所述的CrN涂层，其特征在于，所述CrN涂层的纳米孪晶结构的密度>1015cm-2。3.一种如权利要求1或2所述的CrN涂层的制备方法，其特征在于，包括如下：步骤A、将基底的表面进行等离子体清洗；步骤B、在惰性气氛下、采用筒形金属等离子体源对Cr靶进行放电，在第一偏压下向所述基底的表面沉积Cr过渡层；步骤C、向系统中通入氮气，在所述Cr过渡层上沉积CrN，得到纳米孪晶结构的CrN涂层。4.根据权利要求3所述的CrN涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤A包括：将真空室抽真空至真空度≤10-4Pa，然后通入惰性气体，使真空室的气压保持在0.5-5Pa，采用气体离子源在第二偏压的作用下对基体进行等离子体刻蚀清洗。5.根据权利要求4所述的CrN涂层的制备方法，其特征在于，所述气体离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴忠振，李体军，肖舒，刘亮亮，林海，潘锋，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44