一种锆钽硼涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及涂层制备技术领域，具体涉及一种锆钽硼涂层及其制备方法和应用。本发明专利技术提供了一种锆钽硼涂层的制备方法，包括以下步骤：以ZrB

A zirconium tantalum boron coating and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种锆钽硼涂层及其制备方法和应用
本专利技术涉及涂层制备
，具体涉及一种锆钽硼涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
随着航天航空行业的飞速发展，过渡族金属硼化物(TMB2)作为新一代的超高温陶瓷进入人们的视野。由于其金属原子与硼原子之间强烈的共价键作用，导致这种陶瓷具备很高的硬度和熔点。同时，过渡族金属硼化物所具备的六方型晶体结构，也使得该材料具备了更优于立方型过渡族金属碳化物(TMC)和过渡族金属氮化物(TMN)的综合性质，尤其是第IVB、VB、VIB族的过渡族金属硼化物，上述情况更加明显；其结构优势还表现在晶体空间群为P6/mmm的TMB2具有超高的热力学稳定性，在室温环境下升温至熔融状态前不会经历结构转变，这使得该材料具备在高温领域应用的潜力。但遗憾的是，在实验中发现单相TMB2具有和TMC、TMN相似的力学特征，即硬且脆。因此，需要平衡TMB2材料的硬度和韧性。传统的保证材料力学性能的方法是使用SiC等烧结助剂，增加块体材料的致密性；或者是使用MoSi2或ZrSi2等金属间化合物作为添加剂，通过高温下形成扩散界面来保证材料在高温下的力学性能。但传统的利用添加剂的手段会在材料中引入第二相，这会影响到材料的高温力学性能以及抗氧化性，这种作用随着材料尺寸的降低，在涂层中体现的更加明显。因此寻找一种能够获得高硬高韧且高温耐磨的涂层的新方法，是目前工业生产所急需的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锆钽硼涂层及其制备方法和应用。采用本专利技术提供的方法能够得到具有Zr(Ta)B2固溶体结构的锆钽硼涂层，具有更高的硬度、韧性以及高温下更耐磨的优点，应用前景广阔。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种锆钽硼涂层的制备方法，包括以下步骤：以ZrB4靶和TaB2靶为靶材，利用磁控溅射法，在基底表面溅射得到所述锆钽硼涂层。优选地，在磁控溅射过程中，所述ZrB4靶和TaB2靶共溅射。优选地，所述ZrB4靶的功率为50～200W，所述TaB2靶的功率为50～200W。优选地，所述溅射在氩气气氛条件下进行，所述氩气的流量为50～100sccm。优选地，所述溅射的工作压强为0.8～1Pa。优选地，所述基底包括蓝宝石基底、钛片、镍基合金或高温陶瓷。优选地，在磁控溅射过程中，所述基底的温度为600～800℃，对所述基底施加的电压为-60～-130V。本专利技术提供了一种上述技术方案所述制备方法制备得到的锆钽硼涂层，所述锆钽硼涂层为Zr(Ta)B2固溶体结构。优选地，所述锆钽硼涂层中Zr的原子含量为10～20％，Ta的原子含量为14～31％，B的原子含量为59～67％。本专利技术还提供了上述技术方案所述锆钽硼涂层在航天航空材料或高温切削工具中的应用。本专利技术提供了一种锆钽硼涂层的制备方法，包括以下步骤：以ZrB4靶和TaB2靶为靶材，利用磁控溅射法，在基底表面溅射得到所述锆钽硼涂层。本专利技术采取磁控溅射的方法，利用ZrB4靶和TaB2靶制备得到具有Zr(Ta)B2固溶体结构的涂层，由于Ta原子掺杂入ZrB2的晶格中，导致原本的晶格结构产生了较大的晶格畸变以及内部略微的B原子缺陷，从而抑制了材料在受到应力时的变形，从而使硬度得到增加；同时因为Ta原子的掺杂改变了涂层的电子结构，增加了整体的价电子浓度，使得涂层电子结构的费米能级移动到d带顶端，从而使得涂层内部定向共价键向金属键转变，使涂层达到强韧化的性能。而高硬高韧的力学性能是材料具备良好的摩擦学性能的必要条件，且第IVB族和第VB族的过渡金属硼化物是良好的耐火陶瓷材料，因此该涂层在增强了单相过渡族金属硼化物的力学性能的同时，也具有良好的高温耐磨损性。实施例结果表明，本专利技术提供的锆钽硼涂层硬度为28.3～43.2GPa，500℃条件下未磨穿，磨损率为5.6×10-14～9.2×10-13m3/Nm，获得了比单相TMB2涂层更高的硬度、更强的韧性以及高温下更耐磨的性质，提高了锆钽硼涂层在航天航空材料或高温切削工具等领域的应用潜力。附图说明图1为靶材与基底的位置关系示意图；图2为实施例1制备的锆钽硼涂层的XRD图及选取电子衍射图；图3为实施例1制备的锆钽硼涂层的XPS图；图4为实施例1～4和对比例1～2制备得到的涂层的纳米压痕裂纹图；图5为500℃下实施例1～4和对比例1～2制备得到的涂层磨痕的EDS表征。具体实施方式本专利技术提供了一种锆钽硼涂层的制备方法，包括以下步骤：以ZrB4靶和TaB2靶为靶材，利用磁控溅射法，在基底表面溅射得到所述锆钽硼涂层。在本专利技术中，所述ZrB4靶的纯度优选为99～99.99％；所述ZrB4靶优选为圆柱体，直径优选为40～80mm，更优选为60mm，厚度优选为5mm。在本专利技术中，所述ZrB4靶优选进行预溅射去除靶材表面的氧化物等杂质。在本专利技术中，所述预溅射优选在氩气气氛条件下进行，所述预溅射时ZrB4靶的功率优选为100W，时间优选为15～20min。本专利技术在所述预溅射过程中，优选遮挡基底表面，防止等离子体辉光照到基底表面。在本专利技术中，所述TaB2靶的纯度优选为99～99.99％；所述TaB2靶优选为圆柱体，直径优选为40～80mm，更优选为60mm，厚度优选为5mm。在本专利技术中，所述TaB2靶优选进行预溅射去除靶材表面的氧化物等杂质。在本专利技术中，所述预溅射优选在氩气气氛条件下进行，所述预溅射时TaB2靶的功率优选为100W，时间优选为15～20min。本专利技术在所述预溅射过程中，优选遮挡基底表面，防止等离子体辉光照到基底表面。本专利技术在所述溅射过程中，优选将所述ZrB4靶和TaB2靶共溅射，具体优选为：所述ZrB4靶和TaB2靶同时溅射，使得两个靶材释放的等离子体均匀镀到基底表面。在本专利技术中，所述ZrB4靶和TaB2靶与基底的位置关系优选如图1所示，所述ZrB4靶和TaB2靶优选均设置于基底下方；所述ZrB4靶和TaB2靶对立面设置，所述ZrB4靶与水平面的夹角优选为45°，所述TaB2靶与水平面的夹角优选为45°；所述ZrB4靶和基底的靶基距优选为6～10cm，更优选为8.0cm；所述TaB2靶和基底的靶基距优选为6～10cm，更优选为8.0cm；所述ZrB4靶和TaB2靶距离基底的距离优选一致；所述ZrB4靶和TaB2靶的靶间距优选为20～40cm，更优选为30cm。本专利技术采用上述位置关系，能够保证ZrB4靶和TaB2靶起辉，释放出的等离子体均匀镀到基底表面。本专利技术在所述溅射过程中，所述ZrB4靶的功率优选为50～200W，更优选为200W；所述TaB2靶的功率优选为50～200W，更优选为100～200W，进一步优选为150～200W。在本专利技术中，优选采用直流电源带动两个靶起辉，本专利技术通过调整靶材的功率，调整锆钽硼涂层中Zr和Ta的原子百分比，并保证了涂层中B原子的含量充足。在本专利技术中，所述溅射优选在氩气气氛条件下进行，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锆钽硼涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以ZrB

【技术特征摘要】
1.一种锆钽硼涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以ZrB4靶和TaB2靶为靶材，利用磁控溅射法，在基底表面溅射得到所述锆钽硼涂层。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在磁控溅射过程中，所述ZrB4靶和TaB2靶共溅射。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述ZrB4靶的功率为50～200W，所述TaB2靶的功率为50～200W。


4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述溅射在氩气气氛条件下进行，所述氩气的流量为50～100sccm。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述溅射的工作压强为0.8～1Pa。
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【专利技术属性】
技术研发人员：张侃，谷鑫磊，文懋，郑伟涛，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22