[发明专利]一种Zr-B-O-N纳米复合涂层制备工艺

说明书

本发明涉及硬质涂层及其制备技术，具体地说是一种Zr‑B‑O‑N纳米复合涂层及其制备工艺，采用高功率脉冲和脉冲直流磁控共溅射技术在金属或合金基体上沉积Zr‑B‑O‑N涂层。为提高涂层中Zr元素含量，靶材分别选用金属Zr和化合物ZrB₂（纯度均为wt. 99.9%），镀膜前先通入Ar气，利用高功率脉冲磁控溅射Zr靶对基体表面进行轰击清洗，然后沉积金属Zr过渡层，最后再通入反应气体N₂和O₂，将Zr和ZrB₂靶同时起辉，开始沉积Zr‑B‑O‑N涂层。本发明涉及的Zr‑B‑O‑N涂层制备重复性好，并且容易工业化生产；制备出的Zr‑B‑O‑N涂层具有较高的硬度和弹性模量，良好的耐磨性能和抗氧化性能，而且组织结构致密、涂层与基体间的结合力强。

技术领域

本发明涉及涂层制备技术，具体地说是一种纳米复合Zr-B-O-N涂层的制备工艺。

背景技术

近年来, 在机械、锻造和成型器件上使用耐磨硬质涂层变得越来越重要, 不仅可以节约成本, 而且还能提高材料的使用寿命。Zr-B-N纳米复合涂层具有硬度高，韧性好的优点，还有比其他涂层更好的耐磨性能，向Zr-B-N涂层中添加氧元素制备出的Zr-B-O-N纳米复合涂层，可进一步提高涂层的耐热能力和抗氧化性能。经研究发现，添加氧元素后涂层硬度略有下降，但耐磨性能和抗氧化能力均得到了提升。对于刀具涂层而言，硬度不是影响其使用性能的唯一因素，而涂层组织结构的高温稳定性、与被加工材料之间的摩擦系数和化学反应、以及抗磨损性能对涂层刀具的使用寿命影响更大。

在Zr-B-O-N涂层中，氧含量的多少决定它的存在方式，氧元素若固溶于晶格会引起离子键比例增大和晶格畸变，若偏析于晶界或析出氧化物会造成涂层中微结构缺陷的改变，这些都将影响涂层的各种性能，因此在Zr-B-N 涂层中添加氧元素后，涂层组织结构发生转变、化学键的变化、以及位错和晶界等晶体缺陷的引入将严重影响涂层的力学性能、摩擦学行为和涂层刀具的切削性能；涂层中氧元素的含量和分布将影响高温下涂层元素扩散和表面化学反应，从而改变涂层的热稳定性和抗氧化能力。

为研制结构致密、高硬度、高韧性、高耐热性能的涂层，本专利采用高功率脉冲和脉冲直流共溅射技术沉积纳米复合Zr-B-O-N涂层。高功率脉冲磁控溅射技术利用较高的脉冲峰值功率（超出传统磁控溅射2 ~ 3个数量级）和较低的脉冲占空比（0.5 % ~ 10 %）来实现高金属离化率，这样在偏压电场的作用下，带电粒子会加速轰击基体表面起到清洗作用；在涂层沉积过程中，也为保障涂层硬度提供了大量的金属Zr离子。基体表面经高能离子轰击后, 产生清洁的活化界面并促进局部表面的外延生长, 增强涂层的粘附性能。脉冲直流磁控溅射能有效地抑制电弧产生进而消除由此产生的涂层缺陷，同时可以提高涂层沉积速率、降低沉积温度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好的热稳定性和抗氧化能力的Zr-B-O-N涂层制备工艺。

本发明的技术方案为：

采用高功率脉冲和脉冲直流共溅射技术在金属或合金基体上沉积Zr-B-O-N纳米复合涂层，为提高涂层与基体间的结合强度，在沉积Zr-B-O-N涂层之前，先利用高功率脉冲磁控溅射技术轰击清洗基体，之后沉积约300 nm的金属Zr过渡层，起缓冲内应力的作用。由于金属或合金基体与Zr-B-O-N的热膨胀系数差异较大，当镀膜结束冷却到室温后，会引入较大的热应力，金属Zr过渡层可使内应力呈梯度分布，从而改善涂层与基体间的结合，避免局部应力过大导致涂层剥落。为保持高硬度，需增加涂层中Zr元素的含量，高功率脉冲磁控溅射靶选用金属Zr，脉冲直流磁控溅射靶选用化合物ZrB₂，通过适量添加N和O元素形成纳米复合结构来提升涂层的耐高温能力和抗氧化性能。镀膜时严格控制反应气体O₂和N₂的流量以及各个靶的电源功率，反应沉积结构致密、高硬度、高韧性、高耐热性能的纳米复合涂层。

沉积参数：