[发明专利]一种纳米晶ZrB2超硬涂层及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及涂层制备技术，具体地说是一种纳米晶ZrB₂超硬涂层的制备方法。

背景技术

ZrB₂具有较高的化学稳定性、高的电导率和热导率、良好的阻燃性及高的抗氧化和抗腐蚀性能等优点，其薄膜形式更具有高硬度和良好的耐磨性能。制备具有超高硬度的ZrB₂涂层，将其优异的性能与金属或合金基体的韧性和可加工性结合起来，可以满足人们在耐磨材料领域的广泛需求。但由于其熔点高、烧结难以致密化等特点使得块体材料的制备成本高昂，难度增大，阻碍了这种材料的广泛应用。ZrB₂的熔点为3245 ℃，其块体形式很难烧结致密，如何提高ZrB₂陶瓷的致密度一直是研究的重点。而有关ZrB₂涂层的研究报道较少, 其制备方法主要有CVD 法、涂刷法、等离子体喷涂法等，其中CVD 法原材料ZrBH₄合成困难，涂层内缺陷较多，导致硬度下降。等离子体喷涂法存在的主要问题是ZrB₂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的结合力差, 导致热震性能下降, 烧结温度高, 因此也需引入SiC作为烧结助剂。虽然引入SiC的涂层能够在一定温度范围内为基底材料提供良好的抗烧蚀保护, 但是涂层在更高温度下的抗烧蚀性能受到了限制。

为研制结构更加致密、硬度更高的ZrB₂涂层，本专利采用脉冲直流磁控溅射技术沉积纳米晶ZrB₂涂层。脉冲直流电源引入磁控溅射镀膜系统后许多在溅射中出现的问题被克服, 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达到阴极靶表面集聚的电荷周期性的清洗效果, 可以长期稳定地沉积化合物涂层以及绝缘涂层。高功率的脉冲直流放电导致离化率的提高以及高能离子分数的增加, 到达衬底表面的金属离子高达92 %。脉冲直流磁控溅射可以增加涂层与基体间的结合强度并促进择优取向结构形成。衬底表面经高能离子轰击后, 产生清洁的活化界面并促进衬底表面局部的外延生长, 增强涂层的粘附性能。衬底表面离子流的改善促进了离子对衬底的轰击, 增加了衬底表面吸附原子的能力, 形成了结构更加致密的涂层。

本发明利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纳米晶ZrB₂涂层，同时具有超高的硬度和耐磨性能。本工作实现了用控制离子能量的方法来代替温度对硬质涂层的微观结构进行调控，使其兼具超硬和耐磨的特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有超高硬度和良好耐磨性能的ZrB₂涂层及其制备方法。

本发明的技术方案为：

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纳米晶ZrB₂超硬涂层，为提高涂层与基体间的结合强度，在沉积ZrB₂涂层之前，先利用高功率脉冲磁控溅射技术轰击清洗基体，之后沉积约260 nm厚的金属Zr过渡层，起缓冲内应力的作用。由于金属或合金基体与ZrB₂的热膨胀系数差异较大，当镀膜结束冷却到室温后，会引入较大的热应力，金属Zr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，再利用脉冲直流技术在氩气气氛中溅射高纯度的ZrB₂化合物靶，非反应沉积纳米晶ZrB₂涂层。

沉积参数：

先将真空室的本底真空抽至3×10^-3 Pa，然后在真空室内通入氩气对试样表面进行辉光放电清洗，压强升至3×10^-1 Pa，加-600 V直流偏压，放电清洗时间5 min；之后开通高功率脉冲电源，平均输出功率0.8 kW，控制金属Zr靶起辉，靶电流约50 A，再轰击清洗5 min；之后降低偏压至-100 V，先沉积金属Zr过渡层5 min，靶基距保持在100 mm，沉积温度300 ℃；随后关闭高功率脉冲电源，开通脉冲直流电源，输出功率0.8 kW，靶电流约3.8 A，靶电压约350 V，占空比60 %，控制ZrB₂化合物靶材起辉，开始沉积ZrB₂涂层，靶基距保持100 mm不变，工作压力控制在3×10^-1 Pa，基体偏压仍为-100 V；沉积时间根据工件具体要求而定。