[发明专利]一种具有耐腐蚀性能的四元硬质陶瓷涂层及其制备方法和器件

说明书

本发明公开了一种具有耐腐蚀性能的四元硬质陶瓷涂层，所述涂层的组成为Zr_xCu_yAl_zN_{100‑x‑y‑z}，其中x，y，z为原子比，x＝38.8～46.4，y＝15.9～17.4，z＝4.7～7.1，涂层致密且无柱状晶结构，涂层由ZrN晶相和非晶相两相复合而成；本发明还公开了上述四元硬质陶瓷涂层的制备方法，采用磁控反应溅射法制得，在氮源存在的情况下，辅助射频叠加直流的电源施加方式，无需加热，制备了具有耐腐蚀性能的四元硬质陶瓷涂层，消除了柱状晶结构带来的贯穿性孔隙等缺陷；该结构特征使得该涂层具有较高硬度的同时表现出较好的耐腐蚀性。本发明同时公开了一种具有上述四元硬质耐腐陶瓷涂层的器件，该器件具有良好的耐腐蚀性能。

技术领域

本发明属于防护涂层领域，具体涉及一种具有耐腐蚀性能的硬质陶瓷涂层及其制备方法和器件。

背景技术

物理气相沉积涂层，简称PVD涂层，因其可具有良好的耐磨性、高硬度、高结合力而被广泛用做防护涂层，以提高部件的服役寿命。但是，PVD涂层应用于耐腐蚀防护涂层时，存在着一些问题：一、PVD涂层的制备是一个远离平衡态的过程(冷却速率10¹²-10¹⁶K/s)，在此过程中，沉积原子由于扩散不充分，PVD涂层往往呈典型的柱状晶结构，柱状晶之间常存在着贯穿性孔隙或缺陷，是Cl^-、H₂O等腐蚀媒质的主要扩散通道；二、涂层受机械力作用，涂层会产生裂纹、微孔洞等缺陷，这些缺陷将成为新的腐蚀通道，进而加剧基体腐蚀，基体一旦腐蚀就会引起涂层剥落，最终导致涂层失效。

目前，对于PVD涂层在耐腐蚀防护方面所存在的问题，解决的主要方法有：

一、设法消除PVD涂层柱状晶结构或提高涂层厚度，使得存在于柱状晶间的贯穿空隙减少，如Liu研究组(An electrochemical impedance spectroscopy study of thecorrosion behaviour of PVD coated steels in 0.5NaCl aqueous solution:Part II,Corrosion Science,2003,45(6):1257)通过等离子辅助物理气相沉积法制备了无柱状晶结构的CrN涂层，耐腐蚀能力相比存在柱状晶结构的CrN涂层提高了1个数量级。郎丰群团队(The corrosion resistance and wear resistance of thick TiN coatings depositedby arc ion plating,Surface and Coatings Technology,2001,145(1-3):80)发现将TiN涂层的厚度提高到18μm以上，涂层的耐腐能力显著增强。

二、通过制备多层结构的PVD涂层，利用多层来打断涂层表面到基体的贯穿空隙，如中国专利申请CN1888124A公开了一种ZrO₂/TiN硬质纳米多层涂层，由ZrO₂层和TiN层交替沉积在硬质合金、陶瓷或金属基底上形成，ZrO₂层的厚度为2～8nm，TiN层厚为0.4～1.2nm，涂层总厚度为2～5μm，采用在氩气氛中的双靶溅射技术在抛光的金属或陶瓷基体表面交替沉积ZrO₂层和TiN层得到，所得的ZrO₂/TiN纳米多层涂层不但具有优异的高温抗氧化性，而且具有19.1Gpa～23GPa的硬度。