一种高Cr含量、高弹性模量的CrB2-Cr涂层及其制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种高Cr含量、高弹性模量的CrB2‑

【技术实现步骤摘要】
一种高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层及其制备工艺


[0001]本专利技术涉及涂层制备
，具体涉及一种高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层及其制备工艺。

技术介绍

[0002]随着航空航天、国防军工等行业迅速发展，对难切削材料/件的需求逐渐增多,如钛合金、高温合金和复合材料等，在对它们高效加工时，传统的刀具涂层由于耐热能力差、硬度低等缺点已经难以满足苛刻工况的要求。二硼化铬(CrB2)涂层具有高熔点、高硬度、高耐磨性和耐蚀性，以及良好的化学惰性有望满足上述材料的特殊加工要求。但由于CrB2涂层脆性较高，作为刀具涂层在切削过程中容易发生碎裂，这限制了CrB2涂层在切削刀具表面的推广应用，急需进一步改善其韧性。目前，CrB2涂层的制备方法主要有CVD法、涂刷法、等离子喷涂法等，其中CVD法存在沉积温度过高且污染环境等问题，等离子喷涂法存在的问题是CrB2熔点高，不易形成铺展，因此需要添加SiC辅助。涂刷法制备的涂层与基体结合力差，导致热震性能下降，烧结温度高，因此也需要引入SiC作为烧结助剂。虽然引入SiC的涂层能在一定温度范围内为基体材料提供良好的抗烧蚀保护，但涂层在更高温度下的抗烧蚀性能受到了限制。因此为了获得优良的涂层性能，有必要对涂层成分及结构、涂层制备工艺进行改进，研发具有良好韧性的高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层及其制备工艺。另外，元素Cr具有良好的抗腐蚀性能，故CrB
2-Cr涂层可适用于各种极端环境下的复杂工况。

技术实现思路
r/>[0003]本专利技术的目的在于提供一种高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层及其制备工艺，所制备涂层Cr元素含量增加，提高了涂层增韧，同时涂层具有良好的耐磨和耐热性能。
[0004]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0005]一种高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层，该涂层沉积于金属或陶瓷材料基体表面，基体与涂层之间制备有Cr过渡层；所述CrB
2-Cr涂层为纳米复合结构。
[0006]所述CrB
2-Cr涂层主要由不同取向的CrB2、Cr2B纳米晶和非晶相组成，形成非晶层包裹CrB2和Cr2B纳米晶的复合结构，其中CrB2晶粒沿(101)晶面生长，Cr2B晶粒沿(022)晶面生长。
[0007]所述CrB
2-Cr涂层硬度为15-35GPa可调。
[0008]所述CrB
2-Cr涂层中Cr含量为30-50at.％。
[0009]所述高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层的制备工艺，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陶瓷材料基体上沉积CrB
2-Cr纳米复合涂层；首先利用高功率脉冲技术溅射Cr靶Ⅰ，对基体表面进行离子轰击清洗后沉积金属Cr过渡层；再采用脉冲直流技术溅射Cr靶Ⅱ，同时使用高功率脉冲技术溅射CrB2靶材，在氩气气氛内沉积CrB
2-Cr涂层。该工艺包括如下步骤：
[0010](1)将基体固定于真空室内旋转架上，Cr靶Ⅰ连接高功率脉冲磁控溅射电源，Cr靶
Ⅱ
连接脉冲直流磁控溅射电源，CrB2靶连接高功率脉冲磁控溅射电源；
[0011](2)先对基体进行辉光放电清洗，去除表面杂质；然后再进行离子轰击清洗，以提高膜/基结合力；
[0012](3)沉积Cr过渡层：离子轰击清洗后，保持连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲电源开通，降低偏压至-50～-100V，沉积金属Cr过渡层5～20min，靶基距保持80～120mm，沉积温度300～500℃；沉积完Cr过渡层后，关闭连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲磁控溅射电源；
[0013](4)沉积CrB
2-Cr涂层：开通连接Cr靶Ⅱ的脉冲直流电源，输出功率为0.05～0.3kW，靶电流约0.2～0.8A，占空比60～80％，控制金属Cr靶Ⅱ起辉；同时开通连接CrB2靶的高功率脉冲电源，平均输出功率0.8～1.5kW，控制CrB2靶起辉，靶电流为20-30A，开始沉积CrB
2-Cr涂层，靶基距保持80～120mm不变，工作压力为3.0～6.0
×
10-1
Pa，基体偏压为-50～-100V；沉积时间根据涂层厚度要求确定。
[0014]上述步骤(2)中，所述辉光放电清洗过程为：将真空室的本底真空抽至1.0～3.0
×
10-3
Pa，然后向真空室内通入氩气对基体表面进行辉光放电清洗，压强升至1.0～2.0Pa，加-600～-1000V直流偏压，放电清洗时间为5～20min。
[0015]上述步骤(2)中，所述离子轰击清洗的过程为：辉光放电清洗后，开通连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲电源，平均输出功率0.8～1.5kW，工作压强为3.0～6.0
×
10-1
Pa，控制金属Cr靶Ⅰ起辉，靶电流20～30A，进行离子轰击清洗5～10min。
[0016]本专利技术的设计机理如下：
[0017]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陶瓷基体上沉积CrB
2-Cr纳米复合涂层，为提高涂层与基体间的结合强度，在沉积涂层之前，先利用高功率脉冲磁控溅射技术离子轰击清洗基体，再沉积约100-300nm厚金属Cr过渡层，起缓冲内应力作用。由于金属或合金基体与CrB2涂层的热膨胀系数差异较大，当镀膜结束冷却到室温后，常引入较大的热应力，金属Cr过渡层可使内应力呈梯度分布，从而改善涂层与基体间的结合，避免局部应力过大导致涂层剥落。最后，在氩气气氛中，利用脉冲直流磁控溅射技术和高功率脉冲磁控溅射技术分别溅射Cr单质靶和CrB2化合物靶，沉积CrB
2-Cr纳米复合涂层，即非晶层包裹CrB2和Cr2B纳米晶的复合结构，从而改善涂层韧性，实现“既硬又韧”。
[0018]本专利技术采用高功率脉冲磁控溅射与脉冲直流磁控溅射复合技术进行镀膜，脉冲直流电源引入磁控溅射镀膜系统后许多溅射中经常出现的问题被克服，硼化物薄膜沉积速率接近纯金属靶材的金属溅射模式。周期性的脉冲电压变化实现了阴极靶表面集聚电荷的周期性清洗，可以长期稳定地沉积化合物涂层以及绝缘涂层。高功率脉冲放电导致靶材离化率的提高以及高能粒子数量的增加，到达基体表面的金属离子比例高达92％，基体表面经高能离子轰击后，产生清洁的活化界面并促进基体表面局部的外延生长，增强涂层与基体的结合强度；也增加了基体表面吸附原子的能力，形成结构更加致密的涂层。另外，通过控制涂层内Cr元素含量，形成纳米复合结构，实现涂层增韧与强化。
[0019]本专利技术优点如下：
[0020]1.本专利技术研制的CrB
2-Cr涂层化学性能稳定，不易与常见的化学物质发生腐蚀反应，尤其是涂层内Cr元素含量的增加，极大提高了涂层的耐腐蚀性能；同时，由于Cr原子数量增多，形成的非晶相可抑制微裂纹的扩展与传播，消耗裂纹尖端能量，达到增韧的效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层，其特征在于：该CrB
2-Cr涂层制备于金属或陶瓷材料基体上，基体与涂层之间制备有Cr过渡层；所述CrB
2-Cr涂层为纳米复合结构。2.根据权利要求1所述的高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层，其特征在于：所述CrB
2-Cr涂层主要由不同取向的CrB2与Cr2B纳米晶和非晶相组成，形成非晶层包裹CrB2和Cr2B纳米晶的复合结构，其中CrB2晶粒沿(101)晶面生长，Cr2B晶粒沿(022)晶面生长。3.根据权利要求1所述的高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层，其特征在于：所述CrB
2-Cr涂层硬度为15-35GPa。4.根据权利要求1所述的高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层，其特征在于：所述涂层中Cr含量为30-50at.％。5.根据权利要求1-4任一所述的高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层的制备工艺，其特征在于：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陶瓷材料基体上沉积CrB
2-Cr涂层；首先利用高功率脉冲技术溅射Cr靶Ⅰ，对基体表面进行离子轰击清洗后沉积Cr过渡层；再采用脉冲直流技术溅射Cr靶Ⅱ，同时使用高功率脉冲技术溅射CrB2靶材，在氩气气氛内沉积CrB
2-Cr涂层。6.根据权利要求5所述的高Cr含量、高弹性模量的CrB
2-Cr涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺包括如下步骤：(1)将基体固定于真空室内旋转架上，Cr靶Ⅰ连接高功率脉冲磁控溅射电源，Cr靶Ⅱ连接脉冲直流磁控溅射电源，CrB2靶连接高功率脉冲磁控溅射电源；(2)先对基体进行辉光放电清洗，去除表面杂质；然后开启连接Cr靶Ⅰ的高...

【专利技术属性】
技术研发人员：王铁钢，张雅倩，刘艳梅，阎兵，范其香，
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：