[发明专利]一种四元单层超硬薄膜材料及其制备方法

摘要

本发明提供了一种四元单层超硬薄膜材料及其制备方法，属于金属材料表面改性和机械加工技术领域。一种Zr‑Al‑O‑N四元单层超硬薄膜材料和利用电弧离子镀技术在工模具材料表面制备该薄膜的方法。该材料的成分设计依据化学键合及电子能带结构理论，遵循共价性耦合能带理论来完成；该制备方法利用电弧离子镀设备并通过分离靶弧流调控及氮、氧分压调控来进行，可沉积合成原材料简单、成本低、却硬度高于40GPa的耐磨损、抗腐蚀和抗氧化性能良好的高性价比Zr‑Al‑O‑N四元单层薄膜。该方法沉积速度快、生产效率高、操作简单、利于批量生产，特别适于机械加工技术领域。

主权项

1.一种四元单层超硬薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述的四元单层超硬薄膜材料由Zr、Al、O和N四种元素构成，即Zr1‑x‑y‑zAlxOyNz，其相对原子含量分数分别为x＝0.06‑0.10，y＝0.10‑0.14，z＝0.29‑0.33；四元单层超硬薄膜材料的相结构以面心立方Zr和N原子为主，O和Al原子为替换原子占据Zr或N原子的部分点阵位置；四元单层超硬薄膜材料的晶粒尺度为10nm‑50nm；厚度为0.5μm‑15μm；四元单层超硬薄膜材料的制备步骤如下：采用电弧离子镀技术沉积制备方法，将工件基体经超声清洗并烘干处理后，放置于电弧离子镀真空腔室的样品台上，由真空系统将真空腔室抽真空至5.0×10‑3Pa～5.0×10‑4Pa；工件基体温度加热到100℃～450℃，并保持稳定；之后充入氩气至0.8Pa～4Pa，并给样品台施加600V～1500V的负偏压引发辉光等离子体，对工件基体进行氩离子溅射清洗，时间为5min～30min；然后通入反应气体氮气和氧气，氮气分压为0.3Pa～0.6Pa，氧气分压为0.1Pa～0.2Pa，并与氩气互补通过整体气压控制来维持腔室气压稳定为0.6Pa～1.2Pa，之后启动阴极纯锆靶和纯铝靶电弧，调整纯锆靶弧流为60A～120A，调整纯铝靶弧流为30A～120A，调整脉冲偏压为幅值为300V～1000V、频率为5kHz～40kHz和占空比为5％～50％，即开始薄膜沉积过程，时间为30min～300min；再经过充分炉冷后放掉真空取出已镀膜的工件基体。