[发明专利]一种体心立方钽涂层的制备方法

说明书

本发明涉及材料科学领域，特别涉及一种体心立方钽涂层的制备方法。采用负辉光区磁控溅射方法，基片零件放置在阳极与阴极之间的负辉光区内，基片加热温度在200～400℃之间，使用的电源为直流电源或脉冲电源，靶材为纯钽，工作气体为Ar，溅射功率密度为3W/cm²～15W/cm²之间。本发明能够沉积体心立方晶格α‑Ta涂层，结合力和抗热震性能显著优于优秀的常规磁控溅射钽涂层。采用本发明制备的钽涂层厚度达到100μm左右时与基体结合良好，而采用常规磁控溅射方法制备的钽涂层厚度达到15μm时就出现剥落。采用本发明制备的厚度为100μm钽涂层抗热震性能比采用常规磁控溅射方法制备的厚度为10μm钽涂层层高7倍。

技术领域：

本发明涉及材料科学领域，特别涉及一种体心立方钽涂层的制备方法。

背景技术：

一般采用电镀铬方法提高炮管内膛和煤矿液压支架等关键部件的耐磨、抗高温、耐腐蚀性能。电镀铬涂层存在诸多缺点，如：脆性高、剪切强度和抗拉强度比较低，存在易剥落、易开裂等诸多问题。在循环热应力、磨料磨损或塑性流动作用下，电镀铬层体系常因其韧性不足而开裂，并且电镀铬不可避免地微裂纹等缺陷，为烧蚀气氛侵入、腐蚀性溶液提供了短程通道。另外，电镀铬工艺中六价铬致命的缺点是：含铬废水和废气严重致癌，属国家一类控制排放物，对环境和人类的危害极大；电镀生产设备中必须包括污水处理设备，从而提高了生产成本。因此，电镀铬已经不能满足科技发展的更高需求，发展绿色的涂层工艺技术已经成为当前技术发展趋势。

钽(Ta)属难熔金属(熔点2996℃)，有着良好的物理、化学性能：较低的热传导率(57W/m·℃)、良好的抗化学腐蚀能力(在高温下能抗酸、盐及有机化学物的腐蚀)、优异的抗烧蚀能力及良好的塑、韧性(bcc结构Ta)。钽存在体心立方结构的α-Ta(硬度为8～12GPa)和四方结构的β-Ta(硬度为18～20GPa，亚稳相，高于750℃存在β-Ta→α-Ta转变)。体心立方结构的α-Ta因其塑性好在热震条件下能更好地防止裂纹的形成，四方结构的β-Ta硬而脆，在热震条件下形成高压应力而导致涂层脆性增加、裂纹形成，最终导致涂层剥落。

美国的Fábio Ferreira等人(Surf.Coat.Technol.(2016),http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.08.017)在单晶硅基体上沉积出仅2μm厚的钽涂层，其中β-Ta的比例非常高。美国军方的S.L.Lee等人(Mater.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.9872007Materials Research Society)和北京科技大学的张谷令等人(Prog.Nat.Sci.16(2006)1119-1126)提出采用Kr和Xe两种惰性气体，作为溅射气体，能够沉积出100％的α-Ta涂层，但是Kr和Xe两种惰性气体的价格极其昂贵且十分稀有，难以推广。因此，人们希望获得一种厚度超过40μm，α-Ta在涂层中比例近乎100％的涂层，使其具有优良的耐热腐蚀、热冲击和优异的抗烧蚀冲刷性能，是本领域亟待解决的一大技术难题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种体心立方钽涂层的制备方法，能够沉积体心立方晶格α-Ta涂层，结合力和抗热震性能显著优于优秀的常规磁控溅射钽涂层。

本发明的技术方案是：

一种体心立方钽涂层的制备方法，采用负辉光区磁控溅射获得体心立方钽涂层，涂层中α-Ta的含量在97wt％以上，钽涂层厚度为10～100μm。

所述的体心立方钽涂层的制备方法，负辉光区磁控溅射过程中，基片零件放置在阳极和阴极之间的负辉光区中。

所述的体心立方钽涂层的制备方法，负辉光区磁控溅射过程中，基片零件加热温度为200℃～400℃之间。

所述的体心立方钽涂层的制备方法，负辉光区磁控溅射过程中，使用的电源为直流电源或脉冲电源。

所述的体心立方钽涂层的制备方法，负辉光区磁控溅射过程中，使用的靶材为纯钽。