[发明专利]兼具高硬度和高韧性Zr-B-N纳米复合涂层及其制备方法有效

专利信息
申请号: 202010541310.X 申请日: 2020-06-15
公开(公告)号: CN111647851B 公开(公告)日: 2022-07-19
发明(设计)人: 王铁钢;许人仁;张雅倩;李壮;刘艳梅;曹凤婷 申请(专利权)人: 天津职业技术师范大学(中国职业培训指导教师进修中心)
主分类号: C23C14/06 分类号: C23C14/06;C23C14/35;C23C14/32;C23C14/02
代理公司: 暂无信息 代理人: 暂无信息
地址: 300222 天*** 国省代码: 天津;12
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摘要:
搜索关键词: 兼具 硬度 韧性 zr 纳米 复合 涂层 及其 制备 方法
【说明书】:

发明公开了一种兼具高硬度和高韧性Zr‑B‑N纳米复合涂层及其制备方法,属于纳米复合涂层制备技术领域。所述Zr‑B‑N纳米复合涂层包括非晶BN相和ZrB2晶相,其中ZrB2相沿(001)晶面择优生长。采用脉冲直流磁控溅射技术在金属或合金基体上沉积Zr‑B‑N纳米复合涂层。为提高涂层与基体的结合力,镀膜前先通入Ar气,利用电弧离子镀Cr靶对基体表面进行离子轰击清洗,然后通入N2和H2的混合气体,沉积CrN过渡层。之后关闭Cr靶电源,将ZrB2靶连接到脉冲直流磁控溅射阴极,并在Ar、N2和H2的混合气氛中沉积Zr‑B‑N涂层。本发明涉及的Zr‑B‑N纳米复合涂层制备重复性好,并且容易工业化生产;制备出的Zr‑B‑N涂层具有较高的硬度和弹性模量,良好的耐磨性能,且组织结构致密、涂层与基体间的结合力强。

技术领域

本发明涉及复合涂层及其制备技术领域,具体涉及一种兼具高硬度和高韧性Zr-B-N纳米复合涂层及其制备方法。

背景技术

随着现代化材料制造技术的快速发展,各种高硬度、高韧性的难加工材料日益增多,虽然工程材料的性能得到提升,但也导致了加工材料时刀具磨损加剧。而刀具涂层技术的发展,显著提高了刀具的耐磨性和抗冲击韧性,改善了刀具的切削性能,提高了刀具的加工效率和使用寿命。ZrB2涂层为密排六方晶体结构,具有高的热导率和良好的抗热震性能,同时ZrB2涂层还具有高硬度、高熔点、高抗氧化性、低阻率、良好的导电性能等优点。但是ZrB2在高温时易与氧气反应生成ZrO2/B2O3氧化层,单晶相ZrB2无法在高于1200℃的氧化环境中使用。并且涂层中的柱状晶(001)织构使其具有各向异性,且为垂直于表面的晶界提供了短的裂纹扩展路径,使其韧性大大降低。因此为提高涂层的韧性和耐磨性能,可以通过向ZrB2涂层中添加N元素,形成具有纳米复合结构的Zr-B-N涂层。

经研究发现,真空室内的真空度只有在10-8Pa时,涂层中才检测不到氧杂质的存在,而真空室中残余的氧杂质易与B发生反应生成非晶相B2O3,导致非晶骨架不致密降低非晶/纳米晶层的结合力,破坏纳米复合结构,从而使涂层性能大幅度下降。并且生成的B2O3在高温环境下极易挥发,会严重降低涂层的高温性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具高硬度和高韧性的Zr-B-N纳米复合涂层及其制备方法,通过向真空室中通入还原性气体,利用还原反应去除真空室中残余O杂质,抑制氧杂质对涂层性能的影响,从而提高涂层耐磨性能及韧性。

为实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:

一种兼具高硬度和高韧性Zr-B-N纳米复合涂层,制备于金属、合金或陶瓷材料基体上,所述Zr-B-N纳米复合涂层与基体之间沉积有CrN过渡层;其中,所述Zr-B-N纳米复合涂层包括非晶BN相和ZrB2晶相。

所述Zr-B-N纳米复合涂层,ZrB2相沿(001)晶面择优生长。

所述Zr-B-N纳米复合涂层与基体间的临界载荷大于41N,涂层硬度大于41GPa,涂层平均摩擦系数小于0.69,涂层的磨损率小于1.2×10-14m3/N·m。

所述Zr-B-N纳米复合涂层是采用脉冲直流磁控溅射技术在基体表面沉积获得,具体包括如下步骤:

(1)利用电弧离子镀技术蒸发金属Cr靶,对基体表面进行离子轰击清洗;

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