一种Al改性WB2涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及硬质耐磨涂层领域，具体涉及一种Al改性WB2涂层及其制备方法。采用直流磁控溅射的工艺，在通过调控Al靶电流、基底偏压和沉积温度等参数，在YG8硬质合金上制备了Al改性WB2涂层。Al改性WB2涂层为Al元素掺杂的AlB2型WB2涂层，涂层厚度为1～4μm，Al掺杂量为0～23.5at.％且大于0，涂层硬度在30GPa以上，涂层的平均摩擦系数为0.45～0.5，磨损率为2.2

【技术实现步骤摘要】
一种Al改性WB2涂层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及硬质耐磨涂层领域，具体涉及一种Al改性WB2涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]超硬材料被广泛应用于切削加工业、模具工业、地质钻探以及航空航天等领域。但是随着现代工业的高速发展，使得某些传统刀具材料无法满足日趋复杂的切削性能要求。因此，通过在工件表面涂镀合适厚度的硬质涂层，可以得到具有高硬度、高韧性、高耐磨性、高红硬性以及高化学稳定性等诸多优良性能的系统，进而拓展材料的使役范围，有效提高服役寿命。
[0003]近年来，AlB2型WB2被认为是一种极具潜力的超硬涂层，成为了新的研究热点。理论计算表明，AlB2型WB2是一种高压相，因此研究人员使用粉末冶金法制备该相的尝试均以失败告终。2013年，Jiang等通过直流磁控溅射的方法，首次成功制备了光滑致密、高硬度的AlB2型WB2涂层，并对其相关物理性能进行了研究。为了改善AlB2型WB2涂层的性能，研究人员曾尝试在AlB2型WB2涂层的基础上掺杂C、N等小分子非金属元素来改善涂层性能，但是目前缺乏金属元素掺杂的研究。
[0004]Al元素经常被用作传统氮化物硬质耐磨涂层的掺杂元素，来提升涂层的力学性能和抗氧化性能，例如：TiN涂层中掺杂Al元素制备的TiAlN涂层较简单的TiN涂层，综合性能有明显提升，并已广泛应用于工业生产中。因此，通过Al元素的掺杂制备Al改性AlB2型WB2涂层，可提升该涂层的综合性能，这对于硬质硼化物涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。

技术实现思路
r/>[0005]本专利技术的目的是提供一种Al改性WB2涂层及其制备方法，该涂层可以显著提高刀具或者工件表面硬度和耐磨性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]一种Al改性WB2涂层，该Al改性WB2涂层为Al元素掺杂的AlB2型WB2涂层，涂层厚度为1～4μm，Al掺杂量为0～23.5at.％且大于0，涂层硬度在30GPa以上，涂层的平均摩擦系数为0.45～0.5，磨损率低至2.2
×
10
‑7mm3/Nm。
[0008]所述的Al改性WB2涂层的制备方法，该Al改性WB2涂层使用WB2型WB2靶材和Al靶材，采用直流磁控溅射技术，并通过控制Al靶电流、基底偏压和沉积温度，在YG8硬质合金基底上制备而成。
[0009]所述的Al改性WB2涂层的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)预处理过程：涂层沉积之前需对基底进行预处理，具体为：先将基底打磨至Ra＝0.4μm，然后对试样基底进行超声清洗，在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗10～20分钟，清洗后使用丙酮和无水乙醇淋洗，并使用高压普通氮气吹扫净残留酒精至基底表面洁净；将基底放入直流磁控溅射设备的真空腔体内，待腔体内真空度达到4
×
10
‑3～1
×
10
‑2Pa时，
通入氩气，氩气气压控制在1～3Pa，再开启基底偏压至
‑
1000V，使氩气发生辉光放电，对基底进行辉光清洗30～40分钟；
[0011](2)采用直流磁控溅射技术沉积Al改性WB2涂层，工艺参数为：氩气气压为0.3～0.7Pa，WB2靶材功率设定为200～300W，Al靶电流为0～500mA，基底偏压为
‑
50～
‑
200V，靶基距为50～100mm，沉积温度为300～500℃；
[0012](3)沉积结束后，停止通入氩气，关闭基底偏压电源，关闭磁控溅射电源，继续抽真空，样品随炉冷却至50℃以下，将样品从腔体内取出。
[0013]所述的Al改性WB2涂层的制备方法，步骤(2)中，根据所需涂层厚度设置沉积时间。
[0014]本专利技术的设计思想是：
[0015]本专利技术在AlB2型WB2硬质涂层的基础上，通过Al元素的掺杂改性，形成了纳米晶/非晶复合结构，提高了涂层的硬度。同时，涂层内的非晶Al2O3相的存在，可以显著降低涂层的摩擦系数，提升涂层的耐磨性。
[0016]本专利技术具有以下优点及有益效果：
[0017]1、本专利技术是在硬质合金表面合成的Al改性WB2涂层，涂层硬度可达30GPa以上，具有良好的摩擦学性能(摩擦系数～0.45，磨损率低至2.2
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‑7mm3/Nm)。
[0018]2、本专利技术证明了WB2高压相及其掺杂在低温低压条件下合成的可能性。
[0019]3、本专利技术所涉及的Al改性WB2涂层可应用与刀具或工件表面的防护，并能有效延长其使用寿命。
[0020]4、本专利技术采用直流磁控溅射的工艺，在通过调控Al靶电流、基底偏压和沉积温度等参数，在YG8硬质合金上制备了Al改性WB2涂层。该涂层有较高的硬度，较好的减磨、耐磨性能。本专利技术所涉及的涂层，可显著提高工件或刀具表面的硬度及耐磨性，对于硼化物硬质涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。
附图说明
[0021]图1为不同Al靶电流下制备的Al改性WB2涂层的元素含量图。
[0022]图2为不同Al靶电流下制备的Al改性WB2涂层的X射线衍射谱。
[0023]图3为不同Al靶电流下制备的Al改性WB2涂层Al2p轨道的X射线光电子能谱。
[0024]图4为不同Al靶电流(0、50mA、100mA、200mA、300mA、400mA)下制备的Al改性WB2涂层的截面扫描电子显微镜形貌图。
[0025]图5为不同Al靶电流下制备的Al改性WB2涂层的硬度H和杨氏模量E图。
[0026]图6为不同Al靶电流下制备的Al改性WB2涂层的磨损率和平均摩擦系数图。
具体实施方式
[0027]在具体实施过程中，本专利技术提供一种Al改性AlB2型WB2涂层的制备方法，Al改性AlB2型WB2涂层为具有AlB2结构的Al掺杂WB2涂层，Al掺杂量为0～23.5at.％(优选为2.2～8.3at.％)；该涂层选用WB2型WB2靶材和Al靶材，并通过控制Al靶电流、基底偏压和沉积温度，在YG8硬质合金基底上制备而成。
[0028]所述Al改性AlB2型WB2涂层采用直流磁控溅射技术制备，包括如下步骤：
[0029](1)预处理过程：沉积前，先对基底进行预处理，具体为：将基底打磨至Ra＝0.4μm，
然后对试样基底进行超声清洗，在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗15分钟，清洗后使用丙酮和无水乙醇淋洗，并使用高压普通氮气吹扫净残留酒精至基底表面洁净；
[0030](2)将基底放入直流磁控溅射设备的真空腔体内，待腔体内真空度达到4
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‑3～1
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‑2Pa时，通入氩气，氩气气压控制在1～3Pa，再开启基底偏压至
‑
1000V，使氩气发生辉光放电，对基底进行辉光清洗30分钟；
[0031](3)沉积Al掺杂W本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Al改性WB2涂层，其特征在于，该Al改性WB2涂层为Al元素掺杂的AlB2型WB2涂层，涂层厚度为1～4μm，Al掺杂量为0～23.5at.％且大于0，涂层硬度在30GPa以上，涂层的平均摩擦系数为0.45～0.5，磨损率低至2.2
×
10
‑7mm3/Nm。2.根据权利要求1所述的Al改性WB2涂层的制备方法，其特征在于，该Al改性WB2涂层使用WB2型WB2靶材和Al靶材，采用直流磁控溅射技术，并通过控制Al靶电流、基底偏压和沉积温度，在YG8硬质合金基底上制备而成。3.根据权利要求2所述的Al改性WB2涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)预处理过程：涂层沉积之前需对基底进行预处理，具体为：先将基底打磨至Ra＝0.4μm，然后对试样基底进行超声清洗，在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗10～20分钟，清洗后使用丙酮和无水乙醇淋洗，并使用高压普通氮气吹扫净残留酒精至基底表面洁净；将基底放入直...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴志亮，李文赫，李彤，宫骏，孙超，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：