[发明专利]一种钛合金/二硼化锆纳米多层膜及其制备方法与应用

说明书

本发明得到国家863计划资助项目(2015AA034702)，国家自然科学基金项目(51472180)的资助。

技术领域

本发明属于工程薄膜技术领域。特别是涉及一种高真空磁控溅射系统（MS）制备高温稳定的TC4/ZrB₂纳米多层膜，利用磁控溅射技术合成由钛合金和二硼化锆组成的耐高温性纳米多层表面强化薄膜的新工艺。

背景技术

钛是20世纪发展起来的一种重要的金属材料，钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好等特点，在国防和民用工业有着广泛的应用前景。其中TC4(Ti-6Al-4V)是于1954年首先研制成功的等轴马氏体两相合金。TC4是典型的(α+β)型合金，具有组织稳定、性能变化范围大、生物相容性优良以及适应性好等优点。合金薄膜通常具有良好的导电性，软磁性能。但是人们也发现，合金薄膜在室温或较低温度下的塑性变形过程往往是通过剪切带的萌生和扩展完成的，剪切带迅速穿过试样而导致试样断裂。这使得常温下合金的塑性变形能力非常低，很容易引起材料的塑性失效。我们在实验中发现，制备的TC4单层膜硬度和弹性模量不高，这使得如何提高TC4薄膜塑性成为我们关注的问题。

通过对钛合金（Ti6Al4V）薄膜进行改性，以改善其机械性能和高温稳定性，以更好地适应工程需要是一个有效的办法。ZrB₂ 因具有高硬度、高熔点、良好的导电导热性和极好的抗腐蚀性等特点，从而被人们广泛研究。因此，本文尝试在TC4单层膜中周期性插入ZrB₂层，以期望改善TC4单层膜的力学性能，同时加强TC4薄膜的高温稳定性。

随着纳米尺寸多层膜的出现，人们发现当多层膜中各组分薄膜的厚度之比，对薄膜的性能有着较大的影响。因此我们尝试改变薄膜的调制比，希望不仅获取具有高硬度、低表面粗糙度的多层膜，同时试图证明在高温高压的情况下，利制备具有优异高温稳定性的TC4/ZrB₂纳米多层薄膜。两种单质超薄薄膜按照一定比例周期性存在，有可能使单质膜周期性的重新形核，这样不仅可以阻止单质膜中柱状晶和位错的移动和长大，阻止材料相互扩散，降低相互之间的高温熔合，而且低的界面能可缓解残余应力，增加膜层间以及整体与基体的结合力，有利于合成更厚的适合于实际应用的表面强化涂层系统。其次，B原子和Zr原子可以固溶于以Ti为骨架的TC4中，这可能导致界面之间出现扩散层。而界面对调制层交替生长的过程中起到重要作用。

发明内容

TC4是典型的(α+β)型合金，具有组织稳定、性能变化范围大、生物相容性优良以及适应性好等优点，其中膜或涂层具有容易制备方便等优点；ZrB₂因具有高硬度、高熔点、良好的导电导热性和极好的抗腐蚀性等特点 ,而在高温结构陶瓷材料、耐火材料、电极材料以及核控材料等方面被人们广泛研究。然而，对于TC4/ ZrB₂纳米多层膜研究还没有报导。

为此本发明公开了一种改性TC4的TC4/ZrB₂纳米多层膜，其特征是氩气（Ar）环境下在Si上交替存在着TC4和ZrB₂层，每周期层厚为30-35纳米，多层膜的周期为15-20层，总层厚为600纳米，该纳米多层薄表面粗糙度良好，高温稳定。

本发明进一步公开了TC4/ZrB₂纳米多层膜的制备方法，其特征是：利用高真空射频磁控溅射系统（MS），基底温度为室温;调制周期30~35nm;调制比（TC4和ZrB₂的厚度比）1:1~1:5，相互配比作比较实验，用Ar⁺分别轰击TC4和ZrB₂两个靶，同时通入氩气，在单面抛光的Si基底上交替沉积TC4和ZrB₂做多层膜，采用机械泵和分子泵，本底真空4.0×10^-4 Pa，气压值由电离规管来测量，沉积过程中溅射气体选用纯Ar₂，用质量流量控制器控制其流量保持在40～45sccm；沉积过程中总的工作气压保持0. 5Pa~0.55 Pa之间。