[发明专利]一种具有高硬且疏水特性的保护涂层及制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种具有高硬且疏水特性的保护涂层及其制备方法，可以应用于切削工具钻探工具等表面改性的技术领域。通过直流溅射Ta以获得更高的溅射率，通过射频溅射Cu以获得低溅射率，最终实现对Cu含量的精确调控并在TaN结构取代Ta实现固溶，破坏Ta和N原子周围的电子结构，引起自发氧化过程并在薄膜表面获得氧化亚铜，发挥氧化亚铜满壳层电子结构以达到疏水效果，水接触角超过100°。而固溶体的形成进步一增强了TaN的力学性能，提高了硬度，达到35GPa以上。这种涂层的制备方法简单高效，工艺简单，成本低廉，能够广泛应用于地球深部的矿物资源、能源资源的勘探开发、深海探测技术钻探工具及切削工具的保护领域。

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，特别是涉及的是一种金属Cu掺杂氮化钽 (TaN)获得置换固溶体结构的涂层及其制备方法。通过铜原子取代过渡族金属钽(Ta)形成立方TaCuN置换固溶体涂层，能够增强TaN力学性能的同时将其转化为疏水表面，使其在实际应用中能够承受更加恶劣的条件。

背景技术

氮化钽具有优异的物理性能，如高硬度、良好的热稳定性、化学惰性和高熔点等。这些属性使得氮化钽在切削刀具及硬质涂层行业有巨大的潜力应用。然而氮化钽的表面具有大量的极性位点，使其呈现亲水特性(水接触角小于90 度)。然而在实际应用，硬质保护涂层往往需要承受大量恶劣条件，例如抗磨蚀、滴加冷凝、电湿润、结冰和防腐蚀等。因此，若能调控氮化钽的浸润性，依靠其本征硬质结构再加上疏水特性，能够大大提高其在湿润环境中的耐磨蚀能力，广泛应用于地球深部的矿物资源、能源资源的勘探开发、深海探测技术钻探工具的保护领域。

一般情况下，在表面制备具有低表面能的聚合物或者通过表面形貌控制粗糙度是获得疏水性能最主流的两种方法。然而，聚合物暴露于恶劣环境中时往往会分解，而机械磨损也会导致表面形貌的破坏最后影响疏水性能。因此，研发一种新型的兼具优异力学性能的疏水保护涂层制备技术非常重要。

目前，通过控制微量金属铜掺杂到氮化钽中形成表面自发氧化特征的疏水硬质TaCuN置换固溶体涂层未见报道。TaN作为硬质保护涂层，呈现亲水特性。而TaCuN置换固溶体涂层能够通过Cu置换Ta形成固溶体后，表面发生自发氧化，形成氧化亚铜，通过氧化亚铜形成的满壳层结构实现使得TaCuN置换固溶体不易与附近水分子形成氢键，达到疏水效果。而固溶体的形成能够增强TaN 的力学性能，获得更高的硬度。目前公开报道的往往是单相的Ta₂N、TaN、Ta₃N₅，少量关于Cu与TaN的报道主要是形成TaN和Cu组成的双相共存的复合结构。通过目前的调研，可以发现TaCuN置换固溶体涂层的制备技术难点主要集中在两个方面，一是如何通过Cu调控TaN的浸润性，实现亲水到疏水的转变。只有当Cu置换立方结构中金属Ta的位置，破坏Ta和N原子周围的电子结构，引起自发氧化过程并获得氧化亚铜，才能发挥氧化亚铜满壳层电子结构以达到疏水效果；二是如何精确控制低浓度Cu在TaN中的含量避免大量Cu原子的聚集，防止TaN和Cu双相复合结构的形成，制备出只含有立方结构的TaCuN置换固溶体。一般情况下，Cu原子易于聚集形成团簇，然而当薄膜中出现Cu相结构时，会恶化薄膜的力学性能并导致更加亲水。

发明内容

本发明的目的在于同时解决上述两点技术问题，提供一种工艺简单，效率高的具有超硬且疏水特性的立方TaCuN置换固溶体涂层及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种具有高硬且疏水特性的保护涂层，所述保护涂层由立方相的TaCuN置换固溶体构成，且表层的固溶Cu 与氧结合，形成满壳层电子结构的氧化亚铜；按原子数量计，钽与铜之比为 50.1～41.3：1.9～7.8。