[发明专利]一种超微晶二硼化钛复合涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明属于表面防护涂层技术领域，特别涉及一种超微晶二硼化钛复合涂层及其制备方法和应用。该方法先在基体上沉积金属过渡层Cr，然后开启装载有TiB₂靶材的磁控溅射电源和装有金属Cr靶材的电弧蒸发电源，将磁控溅射电源控制在2.5～3kW，电弧蒸发电源的电流控制在40～60A；电弧蒸发镀功率为700～800W；向腔室内通入氩气，控制真空室内气压为0.5～0.6Pa；将基体的偏压设置为‑100～‑120V，在Cr过渡层上沉积厚度为1～1.2μm的TiB₂/Cr纳米复合涂层。本发明制备工艺简单、涂层质量高、涂层韧性良好，且具有较高硬度与优异的耐磨损性能，可广泛应用于机械加工，模具加工等产品的表面防护。

技术领域

本发明属于表面防护涂层技术领域，特别涉及一种超微晶二硼化钛复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术

过渡族金属硼化物TiB₂涂层具有一系列优异的物化性能，比如较高的硬度值、较强的化学惰性、高的耐磨性和耐腐蚀性，使得TiB₂涂层在很多恶劣环境下具有巨大潜在应用优势。过渡族金属硼化物TiB₂涂层具有一系列优异的物化性能，比如较高的硬度值、较强的化学惰性、高的耐磨性和耐腐蚀性，使得TiB₂涂层在很多恶劣环境下具有巨大潜在应用优势

目前TiB₂涂层的制备主要有CVD、PVD、热喷涂、离子束辅助沉积和电子束蒸发，但是由于硼烷气体具有剧毒，因此在TiB₂的制备中使用反应磁控溅射的很少。在PVD(物理气相沉积)方法制备的主要方式是磁控溅射固态TiB₂靶材制备，使用直流磁控溅射方法较多。但是由于应用直流磁控溅射的TiB₂时金属原子Ti比B原子的溅射角更小，且金属原子Ti比B原子质量更重，原子半径更大，因此在涂层沉积过程更少的B原子被腔室中的离子轰击而改变运动方向，使得涂层中的B原子呈现富硼状态。涂层中多余的B会偏聚至晶界处形成无定型B-B脆键，使得TiB₂涂层通常以粗大的柱状晶结构进行生长，脆性较大。因此，TiB₂涂层高温摩擦磨损性能较差，极大限制了其在实际工业上的应用。因此，寻找一种能沉积严格化学计量比且晶粒细小的TiB₂涂层制备方法，是目前TiB₂涂层推广应用的亟需解决的关键问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种超微晶二硼化钛复合涂层；该涂层为二硼化钛与金属的纳米复合结构，其中TiB₂层的晶粒大小控制在5～6nm，涂层结构更为致密，涂层韧性也得到相应提高，涂层的膜基结合力得到进一步增强。

本发明的再一目的在于提供一种上述超微晶二硼化钛复合涂层的制备方法；该方法是将直流磁控溅射与电弧蒸发镀膜技术复合沉积，利用纳米复合结构抑制TiB₂晶粒长大从而达到制备超微晶TiB₂涂层目的，降低由于B-B脆键对二硼化物带来的韧性差的影响，进一步提升涂层的断裂韧性与耐磨损性能。

本发明的另一目的在于提供一种上述超微晶二硼化钛复合涂层的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种超微晶二硼化钛复合涂层，该复合涂层由下到上包括基体、金属过渡层Cr和TiB₂/Cr纳米复合涂层；所述TiB₂/Cr纳米复合涂层的厚度为1～1.2μm，其中的非晶相Cr包裹在TiB₂晶粒表面，抑制TiB₂晶粒生长，实现超微晶粒TiB₂晶粒生长。

所述TiB₂/Cr纳米复合涂层利用非晶相Cr包覆超微晶TiB₂结构有效释放涂层生长应力，提高结合力，同时达到涂层增韧效果。