[发明专利]一种四元单层超硬薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种四元单层超硬薄膜材料及其制备方法，属于金属材料表面改性和机械加工技术领域。一种Zr‑Al‑O‑N四元单层超硬薄膜材料和利用电弧离子镀技术在工模具材料表面制备该薄膜的方法。该材料的成分设计依据化学键合及电子能带结构理论，遵循共价性耦合能带理论来完成；该制备方法利用电弧离子镀设备并通过分离靶弧流调控及氮、氧分压调控来进行，可沉积合成原材料简单、成本低、却硬度高于40GPa的耐磨损、抗腐蚀和抗氧化性能良好的高性价比Zr‑Al‑O‑N四元单层薄膜。该方法沉积速度快、生产效率高、操作简单、利于批量生产，特别适于机械加工技术领域。

技术领域

本发明属于金属材料表面改性和机械加工技术领域，涉及一种Zr-Al-O-N四元单层超硬薄膜材料及其制备方法。

背景技术

自上个世纪80年代美国的Vac-Tech公司和Mul-Arc公司把TiN薄膜成功地应用到刀具表面涂层上以来，工具硬质镀层技术已经走过了近40年的历程。在此期间，为了不断满足机械加工业向更高速和连续化生产方向发展以及在更加苛刻条件下服役的需求，硬质膜层材料从最初的第一代TiN,过渡到第二代的TiCN、TiAlN等，又发展至目前花样繁多的多组元复合膜和多层膜体系。多层膜通过对膜层的搭配和周期的调制能够调控膜层材料的性能，如硬度、韧性、抗磨损性等。但复杂的调制工艺对膜层制备所需的材料和技术手段等均有着较高的要求，膜层材料制备成本偏高，并且多层结构还会在膜层的服役过程中会随着层状结构的率先失效而使薄膜性能陡降，从而严重制约了多层膜系的在工业上的应用。与多层膜系相比，单层薄膜制备工艺简单，成本低，性价比高，是工业广泛应用的绝佳选择。但目前现有的传统单层硬质复合薄膜，如TiN、TiCN、TiAlN等，由于它们的硬度一般都在20-24GPa左右，难以达到超硬标准，并不能满足机加工业苛刻的要求。而目前的单层多组元薄膜材料，试图通过对各组元的搭配和含量调控已期获得好的材料性能，但由于薄膜组元众多，成分搭配调控理论依据不明确，近年来能够满足机加工业更高要求的高性价比表面改性用超硬薄膜材料鲜有出现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高性价比的Zr-Al-O-N四元单层超硬薄膜材料及其制备方法。该薄膜材料拥有40GPa以上的超高硬度、良好的耐磨损、抗腐蚀和抗氧化性能。且其制备方法简单易操作，制备效率高，膜层材料制作成本低，非常适于机加工业使用。

本发明的科学依据是：硬质膜层材料的本征强度，主要取决于原子尺度上的化学键合、电子能带结构等内在因素。在多元复合硬质氮化物中，金属价电子与非金属价电子间高方向性的耦合能够形成有效抵抗剪切形变的共价性结合，对硬度造成积极影响。此共价性耦合能带在价电子数和为8.4时得到饱和填充，相应材料的强度在此成分点处获得峰值。而在晶格结构中有空位存在时，由于空位强化作用的叠加，材料峰值点将会出现在价电子数总和略低于8.4处。

以此为理论依据，进行单层四元氮化物超硬Zr-Al-O-N薄膜材料的成分设计。选择在拥有较好高温稳定性和机械性能的三元ZrAlN薄膜的基础上，引入增加键合强度的第四组元，即ⅥA族的氧(O)元素。ZrAlN薄膜是将ⅢA族Al元素加入到二元氮化物ZrN形成，因Al原子最外层电子排布为2s²2p¹，价电子数为3，相对ⅣB族Zr原子，Al原子对于价电子浓度和的贡献降低，难以满足强度峰值处价电子数的需求；而O原子最外层核外电子排布为2s²2p⁴，价电子数为6，相对ⅤA族N原子，引入部分O原子对于价电子浓度和贡献增加，补偿由于Al元素加入造成的价电子数不足，而且O原子键合强度较高，能够进一步提高薄膜机械性能和抗氧化能力。对于四种元素的最佳含量配比，在计算机模拟计算获得初步结果的基础上，再通过实验验证获得。