[发明专利]一种TiN/ZrN纳米多层涂层及其制备方法和应用在审

专利信息
申请号: 201811089578.3 申请日: 2018-09-18
公开(公告)号: CN109207923A 公开(公告)日: 2019-01-15
发明(设计)人: 王启民;黄雪丽;张腾飞;高则翠;钟星 申请(专利权)人: 广东工业大学
主分类号: C23C14/06 分类号: C23C14/06;C23C14/02;C23C14/35
代理公司: 广州粤高专利商标代理有限公司 44102 代理人: 林丽明
地址: 511400 广东省*** 国省代码: 广东;44
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摘要:
搜索关键词: 多层涂层 制备方法和应用 耐腐蚀性能 制备 弹性模量 磁控溅射技术 高耐磨性能 机械零部件 耐磨性 表面防护 采用直流 调制周期 海上作业 交替沉积 制备周期 厚度比 单层 可控 模具 刀具
【说明书】:

发明公开了一种TiN/ZrN纳米多层涂层及其制备方法和应用。该涂层包括基体和交替沉积的TiN层和ZrN层,所述TiN层和ZrN层的层数各为10~400层,所述涂层的调制周期为4~40nm,所述TiN层和ZrN层的单层厚度比为2:1。本发明采用直流磁控溅射技术制备得到TiN/ZrN纳米多层涂层,所得涂层的硬度高达28GPa以上,弹性模量为425~480GPa,同时还具备高耐磨性能和耐腐蚀性能。本发明的制备方法简单可控,制备周期短,成本低,所得涂层具备优异的硬度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性能,能用于苛刻的环境中,完全适用于机械零部件、刀具、模具、海上作业产品的表面防护中。

技术领域

本发明涉及涂层材料技术领域,更具体地,涉及一种TiN/ZrN纳米多层涂层及其制备方法和应用。

背景技术

硬质膜可以减少工件的摩擦和磨损,有效提高产品的表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性,大幅度提高涂层产品的使用寿命,正适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求,此外,许多在磨擦环境中使用的部件,例如纺机上的钢领圈、内燃机中的活塞环、各种模具等,硬质薄膜材料也能大大提高其使用寿命。因此硬质薄膜材料可以广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、海上作业、航空航天等领域。

目前大多数氮化物纳米多层膜的研究主要集中在TiN、TaN、NbN、A1N、CrN等体系,对TiN/ZrN材料的研究相对较少,仅少数文献报道了TiN/ZrN多层膜的结构、界面粗糙度和力学性能,例如现有技术公开了采用多靶位真空阴极电弧离子镀技术在1Cr17Ni2不锈钢表面沉积抗冲蚀 TiN/ZrN 多层膜,发现其抗防盐雾腐蚀性较好,但结合力和硬度较差。也有少数涉及TiN/ZrN多层膜的调制结构对薄膜的表面形貌、生长行为的影响,但没有研究者对TiN/ZrN纳米多层膜的耐磨和耐腐蚀等多种性能同时进行研究。

因此,提供一种具备高硬度、耐磨耐腐蚀性好的TiN/ZrN纳米多层涂层材料对于发展新型硬质薄膜材料具有重要意义。

发明内容

本发明的首要目的是克服上述现有技术的不足,提供一种TiN/ZrN纳米多层涂层。该涂层包括交替沉积的TiN层和ZrN层,且具备较高硬度、高韧性、较高耐磨性和耐腐蚀性能。

本发明的另一个目的是提供一种TiN/ZrN纳米多层涂层的制备方法。

本发明的又一目的是提供一种TiN/ZrN纳米多层涂层在机械零部件、刀具、模具、海上作业产品的表面防护中的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现:

一种TiN/ZrN纳米多层涂层,该涂层包括基体和交替沉积的TiN层和ZrN层,所述TiN层和ZrN层的层数各为10~400层,所述涂层的调制周期为4~40nm,所述TiN层和ZrN层的单层厚度比为2:1。

相比于单层涂层,多层涂层具有更优越的力学性能,多层膜中大量与基体相平行的内界面能起到阻碍裂纹扩展的作用,并且提供位错运动阻力,在增加韧性的同时,涂层的硬度和强度也得以提高。

物理气相沉积制备的涂层几乎是嵌入缺陷的,不可能完全避免针孔的形成,并且当涂层以柱状晶方式生长时,柱状晶间隙也不可避免成为涂层耐腐蚀的薄弱区,当涂层材料暴露在水溶液中时,会发生局部的电偶腐蚀,导致加速攻击。本发明采用纳米多层结构可以使涂层的层与层之间重新形核,每层把上一层的缺陷填补,形成致密涂层结构,避免了每一层间的缺陷、针孔、柱状晶间隙。因此,本发明所述涂层采用纳米结构可以减少和消除沉积过程中的缺陷,进而提高涂层的耐腐蚀能力。

所述交替沉积是指先沉积一层TiN层,再沉积一层ZrN层,依次交替循环形成TiN/ZrN纳米多层涂层。

涂层层数和厚度决定了涂层的总厚度,厚度增厚,晶粒形成越完整,晶粒间隙空洞等缺陷减少。但涂层厚度越厚,涂层内应力随之增加,涂层中过大的内应力往往集中在涂层与基体界面处,导致涂层与基体结合力逐渐降低。

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