[发明专利]一种周期性多层结构的二硼化钛-二硼化锆涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明属于表面防护技术及相关涂层技术领域，公开了一种周期性多层结构的二硼化钛‑二硼化锆涂层及其制备方法和应用。该涂层是以二硼化钛陶瓷靶和二硼化锆陶瓷靶为原料，通过多靶磁控溅射在基体上交替溅射沉积形成由二硼化钛纳米陶瓷层与二硼化锆纳米陶瓷层周期性相互叠加而成。本发明涂层由于引入了纳米多层的结构，多层膜的摩擦系数低于两种单层的摩擦系数，其与GCr15钢球的摩擦系数低于0.30，从而表现出优异的耐摩擦性能，可作为保护涂层，用于那些即要求高硬度、又具有高耐摩擦性能的工程应用场合，如机械零部件、刀模具等产品表面的防护；操作方便，工艺简单，制备周期短，成本低，便于大规模工业化生产。

技术领域

本发明属于表面防护技术及相关涂层技术领域，涉及一种超硬的多层涂层，更具体地，涉及一种高硬度、高导电导热性、并具有良好的抗高温氧化性和韧性的周期性多层结构的二硼化钛(TiB₂)-二硼化锆(ZrB₂)涂层及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的发展和工业技术的进步，工业领域对材料的性能提出了越来越高的要求，在很多工程应用场合要求材料具有优异的综合性能；不仅要求其具有高的硬度、耐腐蚀性能，还要求其具有低的摩擦系数、良好的高温稳定性等。为满足日益复杂多样的工程需求，在材料表面涂覆一层硬质涂层，以提高材料的综合性能的保护性涂层应运而生。硬质涂层能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命。硬质涂层是提高材料表面性能的一种经济实用的手段，目前在机械加工，特别是在金属切削中占有重要的地位。其发展适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，引起了刀具材料和性能的巨变，可被广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。

二硼化钛(TiB₂)作为过渡族金属硼化物，具有高硬度、高熔点、高的耐磨性和耐腐蚀性、良好的电导率和热导率、化学稳定性优良等一系列优异的理化性能，是一种具有优良的结构性能和功能性能的先进陶瓷材料，可作为硬质工具材料、磨料、合金添加剂及耐磨部件。然而TiB₂单质膜的残余应力很高(超过3.6GPa)。但在实际的应用中若想进一步提高它们的硬度、耐磨性能、与基体结合力、并兼顾有低脆性、相对低的应力、高厚度是不可能的，因为随着薄膜厚度的增加，这些单质强化膜就会出现大的柱状晶结构，而且脆性和残余应力随之增加，从而造成它的脆裂和脱落，使表面强化失效。

二硼化锆(ZrB₂)与二硼化钛(TiB₂)具有相同的晶体结构类型，都属于六方结构，但晶格常数略有差别，a＝0.3169nm，c＝0.3530nm，晶体点阵中同时拥有金属键和共价键，具有陶瓷和金属的双重属性，因此ZrB₂具有熔点高、硬度大、导电导热性好，同时可钢水腐蚀等，在刀具涂层和电子器件等领域中也有很好的应用前景，但是ZrB₂涂层抗氧化性较差，在空气中1100℃以上时易氧化生成B₂O₃而挥发，这使得单层的ZrB₂涂层作为高温材料的致命弱点。

随着纳米尺寸涂层的出现，人们发现当涂层的厚度降低到纳米量级时，它的性能会得到很大的改善。对于TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层的研究还未见报导。

发明内容

为了解决现有技术中的TiB₂和ZrB₂涂层中存在的硬度低、脆性高、薄膜与基底结合力差缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种周期性多层结构的二硼化钛(TiB₂)-二硼化锆(ZrB₂)涂层；