[发明专利]一种高硬度、高耐磨性的Zr-B-N/ZrO2

说明书

本发明公开了一种高硬度、高耐磨性的Zr‑B‑N/ZrO₂纳米多层复合涂层及其制备方法，属于涂层技术领域。该纳米多层复合涂层是由Zr‑B‑N调制层和ZrO₂调制层交替叠加而成，涂层调制周期为65‑110nm，周期数≥8；所述Zr‑B‑N调制层和ZrO₂调制层的调制比为1：1～9：1。该涂层是采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合镀膜技术在基体上沉积而成，通过优化调制周期和调制比，制备出兼具高硬度、高耐磨性及高耐热能力的涂层。

技术领域

本发明涉及涂层技术领域，具体涉及一种高硬度、高耐磨性的Zr-B-N/ZrO₂纳米多层复合涂层及其制备方法。

背景技术

纳米多层涂层由于特殊的物理、化学性能而得到了广泛的关注，与材料表面相关的性能如硬度、耐高温、耐氧化、耐摩擦、耐腐蚀等，都是目前人们研究的热点。纳米多层涂层是由两种或两种以上不同材料以纳米量级交替沉积形成的周期结构的多层涂层。纳米多层涂层主要分为金属/金属、金属/氮化物(碳化物，硼化物)、氮化物(碳化物，硼化物)/氮化物(碳化物，硼化物)等，通过控制多层膜调制周期与调制比获得高力学性能的纳米多层涂层。

ZrB₂涂层具有高熔点、高硬度、导热性好等特点，但ZrB₂脆性较大，易突发失效，限制其推广应用。在ZrB₂中掺入N元素，研究不同工艺参数下Zr-B-N涂层的力学性能，薄膜存在非晶a-BN包裹纳米晶nc-ZrN的纳米复合结构，Zr-B-N涂层中N元素含量的增多，硬度虽比ZrB₂有所降低，但韧性大幅提高。为提高Zr-B-N涂层的耐热性能和抗氧化能力，后续制备了一系列不同O含量的Zr-B-O-N涂层，由a-(BN，B₂O₃)包裹nc-(ZrO₂，Zr₃N₄)的纳米复合结构组成，虽然抗氧化性能得到提高，但最高硬度降低至16.11GPa。

发明内容

为进一步提高现有Zr-B-N涂层的抗氧化性能和Zr-B-O-N涂层的硬度，本发明的目的在于提供一种高硬度、高耐磨性的Zr-B-N/ZrO₂纳米多层复合涂层及其制备方法，采用脉冲直流和高功率脉冲复合磁控溅射技术，将Zr-B-N和ZrO₂两种材料交替沉积，并通过工艺设计以及优化调制层的膜厚比例和调制比，制备出兼具高硬度、高耐磨性及高耐热能力的Zr-B-N/ZrO₂纳米多层复合涂层。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高硬度、高耐磨性的Zr-B-N/ZrO₂纳米多层复合涂层，是由Zr-B-N调制层和ZrO₂调制层交替叠加而成，涂层调制周期为65-110nm，周期数≥8；所述Zr-B-N调制层和ZrO₂调制层的调制比为1：1～9：1。

所述Zr-B-N/ZrO₂纳米多层复合涂层为包含ZrN纳米晶相、ZrO₂纳米晶相和BN非晶相的纳米复合结构，ZrN相沿(111)晶面晶面择优生长，ZrO₂相沿(111)和(002)晶面择优生长。

所述Zr-B-N/ZrO₂纳米多层复合涂层沉积在金属或硬质合金(硬质合金基片、不锈钢片或硅片)基材上，纳米多层复合涂层与基材之间为金属Zr过渡层。

所述Zr-B-N/ZrO₂纳米多层复合涂层的硬度高于25GPa，涂层的弹性模量稳定在270～350GPa，涂层的H/E最高可达0.096。