一种还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种还原性气氛中Zr‑Ti‑B‑N纳米复合涂层的制备工艺，属于涂层制备技术领域。采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术在基体上沉积Zr‑Ti‑B‑N纳米复合涂层。为提高涂层与基体的结合力，镀膜前先通入Ar气，利用电弧离子镀Cr靶对基体表面进行离子轰击清洗，然后通入N

【技术实现步骤摘要】
一种还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺
本专利技术涉及涂层制备
，具体涉及一种还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺。
技术介绍
近年来，在机械、锻造和成型器件上使用耐磨硬质涂层变得越来越重要，不仅可以提高刀具表面抗氧化性能，使刀具可以承受更高的切削温度，有利于提高切削速度及加工效率，而且减少或消除了切削液对环境的影响，扩大了干切削的应用范围。Zr-B-N三元纳米复合涂层具有高韧性、优异的耐磨损性能和化学稳定性，有望用于切削刀具、模具及机械零部件表面。向Zr-B-N涂层中掺杂Ti元素，可通过固溶强化或第二相沉淀析出机制进一步强化涂层，在Zr-Ti-B-N涂层中，Ti元素含量的多少决定其存在方式。当涂层中Ti含量改变后，涂层组织结构和元素化学键也将随之变化。另外，涂层中杂质O元素的存在常导致涂层高硬度损失，并引入位错和晶界等晶体缺陷，这些都将严重影响涂层的力学性能和摩擦学行为，限制其在刀具表面的应用。因此，向Zr-B-N涂层中掺杂Ti元素实现涂层强化，如何控制涂层沉积工艺有效去除镀膜室内残余O杂质，从而提高涂层纯度、优化组织结构、改善力学性能和热稳定性，是目前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺，该工艺在还原性气氛下向涂层中掺杂适量Ti元素，并控制各工艺参数，去除镀膜室内残余O杂质，制备高纯度、结构致密、既硬又韧的纳米复合涂层。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺，该工艺是采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合技术在金属或合金基体上沉积Zr-Ti-B-N涂层，具体包括如下步骤：(1)利用电弧离子镀技术蒸发金属Cr靶，对基体表面进行离子轰击清洗；(2)通入高纯Ar、N2和H2的混合气体，沉积CrN过渡层，沉积完成后关闭Cr靶电源；(3)在高纯Ar、N2和H2的混合气氛中，利用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射技术分别溅射TiB2靶和ZrB2靶，反应沉积Zr-Ti-B-N纳米复合涂层。上述步骤(1)离子轰击清洗前，先进行辉光放电清洗，具体过程如下：将真空室的本底真空抽至3.0×10-3Pa或以下，然后通入高纯氩气并加载-800V直流偏压对基体表面进行辉光放电清洗，工作压强保持在1.5Pa，放电清洗时间15min。上述步骤(1)中，所述轰击清洗过程为：向真空室内通入氩气流量100sccm，工作压强保持在6.0×10-1Pa，开启电弧离子镀电源，调节平均输出电流至90A，控制金属Cr靶起弧，输出电压为20～23V，偏压仍保持在-800V，进行离子轰击清洗8min。上述步骤(2)中，沉积CrN过渡层的过程为：将基体偏压调至-150V，真空室内通入高纯N2、H2和Ar的混合气体，保持气体流量比(N2+H2)/(Ar+N2+H2)＝4/5，控制工作压强为9.0×10-1Pa，沉积CrN过渡层10min，之后关闭Cr靶电源。上述步骤(3)中，沉积Zr-Ti-B-N涂层的过程为：真空室内通入高纯N2、H2和Ar的混合气体，保持气体流量比(N2+H2)/(Ar+N2+H2)＝1/11，工作压强调至6.0×10-1Pa；先开启高功率脉冲磁控溅射电源，控制TiB2靶起辉，输出功率0.8kW，靶电流为1.7～1.8A，靶电压为580V；再开启脉冲直流磁控溅射电源，输出功率0.8kW，靶电流为2.5～2.8A，占空比为50％，基体偏压保持为-150V，控制ZrB2靶起辉，开始沉积Zr-Ti-B-N涂层；沉积时间根据涂层厚度要求而定。上述步骤(2)沉积CrN过渡层过程中，靶基距保持在280mm，沉积温度400℃；步骤(3)沉积Zr-Ti-B-N涂层过程中，靶基距为75mm，沉积温度仍保持在400℃。上述步骤(2)和步骤(3)沉积过程中，真空室内N2与H2的气体体积比为9:1。所述基体为金属、合金或陶瓷材料。所制备的Zr-Ti-B-N纳米复合涂层具有较高的硬度和弹性模量，良好的耐磨性能，且组织结构致密、涂层与基体间的结合力强。本专利技术设计机理如下：本专利技术采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合技术在金属或合金基体上沉积Zr-Ti-B-N纳米复合涂层。将TiB2靶与高功率脉冲电源相连接，利用其较高的脉冲峰值功率(超出传统直流磁控溅射2～3个数量级)和较低的脉冲占空比(50％)来提高TiB2靶材的离化率和溅射粒子的动能，也为强化涂层提供了大量的金属Ti离子。基体表面经高能离子轰击后，产生清洁的活化界面并促进局部表面的外延生长，显著增强涂层的附着力。脉冲直流磁控溅射能有效地抑制靶面电弧产生，进而消除由此产生的涂层缺陷，同时可以提高涂层沉积速率、降低沉积温度。在Zr-Ti-B-N涂层中，Ti元素含量的多少决定其存在方式，本专利技术向涂层中加入适量Ti元素，由于Ti-B离子键键能低于Zr-B离子键键能，N离子优先打开Ti-B离子键形成BN，剩余的Ti离子将固溶于晶格引起离子键比例增大和晶格畸变，或偏析于晶界改变涂层的组织结构，从而强化涂层的力学性能。另外，在反应气体N2中混入适量还原性气体H2，镀膜时通过氧化还原反应去除镀膜室内残余O杂质，减少涂层的硬度损失，提高涂层的纯度和性能。再严格控制反应气体流量和各个靶的溅射功率，制备结构致密、既硬又韧的纳米复合涂层。本专利技术的优点如下：1.本专利技术研制的Zr-Ti-B-N涂层化学性能稳定，不与常见的化学腐蚀介质反应，具有良好的耐腐蚀性能。涂层中的非晶BN相可有效阻挡微裂纹的萌生与拓展，极大地提高了涂层韧性。2.本专利技术研制的Zr-Ti-B-N涂层具有较高的硬度和弹性模量，耐磨性能优异。涂层中Ti元素的加入，通过固溶强化或第二相沉淀析出进一步提升了涂层的力学性能，且还原性气氛的引入提高了涂层纯度，减少了氧杂质对涂层硬度的损伤。3.本专利技术研制的Zr-Ti-B-N涂层热稳定性和抗热震能力良好。4.本专利技术研制的Zr-Ti-B-N涂层厚度均匀且结构致密，与基体结合良好。5.本专利技术研制的Zr-Ti-B-N涂层制备工艺重复性好，应用范围广，实用性强，适用于高速切削刀具以及耐磨零部件表面。附图说明图1为高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射的靶材分布图。图2为单晶Si片((100)晶面)上沉积Zr-Ti-B-N涂层的表面形貌。图3为单晶Si片((100)晶面)上沉积Zr-Ti-B-N涂层的断面形貌。图4为单晶Si片((100)晶面)上沉积Zr-Ti-B-N涂层的X射线衍射谱(XRD)。图5为硬质合金基体上沉积Zr-Ti-B-N涂层的硬度。图6为硬质合金基体上沉积Zr-Ti-B-N涂层的划痕形貌。图7为硬质合金基体上沉积Zr-Ti-B-N涂层的摩擦系数曲线。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术作进一步详细说明。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺是采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术在金属或合金基体上沉积Zr-Ti-B-N涂层，具体包括如下步骤：/n(1)利用电弧离子镀技术蒸发金属Cr靶，对基体表面进行离子轰击清洗；/n(2)通入高纯Ar、N

【技术特征摘要】
1.一种还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺是采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术在金属或合金基体上沉积Zr-Ti-B-N涂层，具体包括如下步骤：
(1)利用电弧离子镀技术蒸发金属Cr靶，对基体表面进行离子轰击清洗；
(2)通入高纯Ar、N2和H2的混合气体，沉积CrN过渡层，沉积完成后关闭Cr靶电源；
(3)在高纯Ar、N2和H2的混合气氛中，利用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射技术分别溅射TiB2靶和ZrB2靶，反应沉积Zr-Ti-B-N纳米复合涂层。


2.根据权利要求1所述的还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：步骤(1)离子轰击清洗前，先进行辉光放电清洗，具体过程如下：将真空室的本底真空抽至3.0×10-3Pa或以下，然后通入高纯氩气并加载-800V直流偏压对基体表面进行辉光放电清洗，工作压强保持在1.5Pa，放电清洗时间15min。


3.根据权利要求1所述的还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：步骤(1)中，所述轰击清洗过程为：向真空室内通入氩气流量100sccm，工作压强保持在6.0×10-1Pa，开启电弧离子镀电源，调节平均输出电流至90A，控制金属Cr靶起弧，输出电压为20～23V，偏压仍保持在-800V，进行离子轰击清洗8min。


4.根据权利要求1所述的还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：步骤(2)中，沉积CrN过渡层的过程为：将基体偏压调至-150V，真空室内通入高纯Ar、N2和H2的混合气体，保持气体流量比(N2+H2)/(Ar+N2+H2)＝4/5，控制工作压强为9.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：王铁钢，许人仁，郭玉垚，阎兵，尹照星，刘艳梅，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：天津;12