本發(fā)明屬于表面防護(hù)技術(shù)及相關(guān)涂層材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎢涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)領(lǐng)域?qū)Σ牧系男阅芴岢隽嗽絹碓礁叩囊?，在很多工程?yīng)用場合要求材料具有優(yōu)異的綜合性能；不僅要求其具有高的硬度、耐腐蝕性能，還要求其具有低的摩擦系數(shù)、良好的高溫穩(wěn)定性等。為滿足日益復(fù)雜多樣的工程需求，在材料表面涂覆一層硬質(zhì)涂層，以提高材料的綜合性能的保護(hù)性涂層應(yīng)運(yùn)而生。硬質(zhì)涂層能改善材料的表面性能，減少與工件的摩擦和磨損，有效的提高材料表面硬度、韌性、耐磨性和高溫穩(wěn)定性，大幅度提高涂層產(chǎn)品的使用壽命。硬質(zhì)涂層是提高材料表面性能的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的手段，目前在機(jī)械加工，特別是在金屬切削中占有重要的地位。其發(fā)展適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)對金屬切削刀具的高技術(shù)要求，引起了刀具材料和性能的巨變，可被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車工業(yè)、紡織工業(yè)、地質(zhì)鉆探、模具工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。

二硼化鈦(tib2)作為過渡族金屬硼化物，具有高硬度、高熔點(diǎn)、高的耐磨性和耐腐蝕性、良好的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等一系列優(yōu)異的理化性能，是一種具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能和功能性能的先進(jìn)陶瓷材料。然而tib2單質(zhì)膜的殘余應(yīng)力很高(超過3.6gpa)。但在實(shí)際的應(yīng)用中若想進(jìn)一步提高它們的硬度、耐磨性能、與基體結(jié)合力、并兼顧有低脆性、相對低的應(yīng)力、高厚度是不可能的，因?yàn)殡S著薄膜厚度的增加，這些單質(zhì)強(qiáng)化膜就會出現(xiàn)大的柱狀晶結(jié)構(gòu)，而且脆性和殘余應(yīng)力隨之增加，從而造成它的脆裂和脫落，使表面強(qiáng)化失效。

隨著納米尺寸涂層的出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)涂層的厚度降低到納米量級時(shí)，它的性能會得到很大的改善。berger等研究人員研究了tib2/ti多層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)軟質(zhì)金屬ti層結(jié)構(gòu)能大幅降低tib2層應(yīng)力，提高結(jié)合力。同時(shí)他們發(fā)現(xiàn)，ti的屈服強(qiáng)度與斷裂強(qiáng)度之比不是足夠高，不能完全釋放tib2層中的應(yīng)力。如果采用比值較高的w或mo構(gòu)建tib2/w或tib2/mo多層體系，可進(jìn)一步提高涂層性能。此外，w與tib2具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，可能會形成超晶格界面結(jié)構(gòu)，但目前還沒有這方面的研究報(bào)道。

此外，多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可提高涂層與基體的結(jié)合力、涂層界面韌性和抗裂紋擴(kuò)展能力，同時(shí)降低了脆性，提高了柔韌性和承載力，有利于合成更厚的適合于實(shí)際應(yīng)用的表面強(qiáng)化涂層系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種高硬度、低應(yīng)力、高柔韌性、低摩擦系數(shù)、膜基結(jié)合強(qiáng)等綜合特性優(yōu)異，能應(yīng)用于機(jī)械零部件、刀模具等產(chǎn)品表面的多層硬質(zhì)防護(hù)涂層。即采用tib2和w的組合，由tib2層和w層交替沉積在基體上形成的具有高硬度和高耐摩擦性能的納米層狀結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎢涂層的制備方法。

本發(fā)明的再一目的在于提供上述納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎢涂層的應(yīng)用。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎢涂層，所述tib2/w涂層是以tib2陶瓷靶和噴涂w靶為原料，通過多靶磁控濺射在基體上交替濺射沉積形成由tib2陶瓷層與金屬w層相互疊加的納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎢涂層。

優(yōu)選地，所述tib2陶瓷靶為平面靶，ti和b的原子比為1：2，純度為99.99％；w靶也為噴涂柱狀靶，純度為99.95％。

優(yōu)選地，所述基體為單晶硅、玻璃、高速鋼或者硬質(zhì)合金。

優(yōu)選地，所述二硼化鈦/鎢涂層，其特征在于所述tib2/w涂層中金屬w層與tib2陶瓷層的層數(shù)為10-100層，每層金屬w層的厚度為1-10nm，每層tib2層的厚度為10-50nm。

一種上述二硼化鈦/鎢涂層的制備方法，其特征在于以tib2陶瓷靶和金屬w靶為原料，采用磁控濺射技術(shù)進(jìn)行制備，具體步驟為：

(1)清洗基體：將經(jīng)拋光處理后的基體送入超聲波清洗機(jī)，依次用丙酮、無水乙醇以15～30khz分別進(jìn)行超聲清洗10～20min，然后用去離子水漂洗，再用純度≥99.5％的普氮吹干；

(2)抽真空和離子束刻蝕清洗鍍膜腔體：將超聲清洗后的基體置于真空室的工件支架上，抽至真空度5.0×10^-3pa以下，隨后開啟離子源，向離子源通入80-100sccm氬氣，設(shè)置離子源的功率為0.9kw，設(shè)置工件支架的偏壓為-300--500v，刻蝕清洗過程持續(xù)20-30min；

(3)離子束刻蝕基體：將基體至于離子源前方，設(shè)置偏壓為-300--500v，工作時(shí)間為15-20min；

(4)沉積二硼化鈦/鎢多層涂層：通入氬氣80-100sccm，控制真空室氣壓0.56-0.7pa，采用雙極脈沖磁控濺射的方法，開啟并設(shè)置電源參數(shù)，將樣品擋板轉(zhuǎn)置于兩個(gè)濺射靶前，起輝，進(jìn)行預(yù)濺射后開始濺射沉積，其中tib2陶瓷靶為a靶，w柱狀靶為b靶，預(yù)濺射10-15min后，移開樣品擋板，開始正式濺射沉積tib2/w多層涂層，沉積時(shí)間為3h；

(5)沉積結(jié)束關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫，打開真空室取出基體，在基體表面形成的涂層即為納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎢涂層；

優(yōu)選地，步驟(1)中所述基體為待鍍膜的樣品。

優(yōu)選地，步驟(4)中所述基體和支架參數(shù)為：基體偏壓-100-300v，支架自轉(zhuǎn)3rpm/min，公轉(zhuǎn)2-5rpm/min，設(shè)置沉積溫度300℃。

優(yōu)選地，步驟(4)中所述電源參數(shù)為：頻率40khz、功率3-4kw、a靶脈沖電源的占空比為25-75％。

優(yōu)選地，步驟(4)中所述靶材與基體的距離為6-10cm。

上述納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎢涂層可以應(yīng)用于金屬機(jī)械零部件、精密模具、精密傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備、軸承、電子產(chǎn)品、裝飾產(chǎn)品及材料的表面防護(hù)。

本發(fā)明的原理：本發(fā)明方法形成交替多層是通過支架旋轉(zhuǎn)作用，當(dāng)樣品正對著tib2陶瓷靶時(shí)，基體沉積一層tib2陶瓷層；正對著柱狀w靶時(shí)，沉積一層w金屬層；旋轉(zhuǎn)速度快慢決定了每層tib2陶瓷層和金屬w層的厚度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

在傳統(tǒng)的單層tib2涂層中引入金屬w，通過對襯底支架旋轉(zhuǎn)速度的控制，形成tib2陶瓷層與金屬w層周期性交替多層結(jié)構(gòu)，在降低殘余應(yīng)力，增強(qiáng)涂層韌性的同時(shí)，增強(qiáng)涂層的柔韌性和附著力，改善涂層抗摩擦磨損性能和熱穩(wěn)定性能，使得涂層更適用于更苛刻的應(yīng)用環(huán)境，如機(jī)械零部件、刀模具等產(chǎn)品表面的防護(hù)。

本發(fā)明通過改變涂層中的tib2陶瓷層和金屬w層的單層膜厚和涂層周期，調(diào)節(jié)涂層的顯微結(jié)構(gòu)、顯微硬度性能，以適應(yīng)不同的加工對象和切削條件。

本發(fā)明制備的納米層狀結(jié)構(gòu)的tib2/w涂層，操作方便，工藝簡單，制備周期短，成本低，便于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明圖設(shè)計(jì)tib2/w納米多層結(jié)構(gòu)涂層的顯微結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為本發(fā)明圖設(shè)計(jì)tib2/w納米多層結(jié)構(gòu)涂層的摩擦顯微形貌圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，但不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。若未特別指明，實(shí)施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。除非特別說明，本發(fā)明采用的試劑、方法和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試劑、方法和設(shè)備。

實(shí)施例1按下列步驟實(shí)現(xiàn)本發(fā)明：

(1)清洗基體：將經(jīng)拋光處理后的wc-co硬質(zhì)合金基體送入超聲波清洗機(jī)，依次用丙酮、無水乙醇以30khz分別進(jìn)行超聲清洗10min，然后用去離子水清洗，再用純度≥99.5％的氮?dú)獯蹈伞?/p>

(2)抽真空和離子束刻蝕清洗腔體及基體：離子鍍膜機(jī)安裝tib2平面靶和金屬w柱狀靶，用高功率吸塵器清洗鍍膜室。將超聲清洗后的基體置于真空室的工件支架上，抽至真空度5.0×10-3pa以下，隨后開啟離子源，向離子源通入80sccm氬氣，設(shè)置離子源功率0.9kw，設(shè)置工件支架偏壓-300v，此刻蝕清洗過程持續(xù)20min。

(3)離子束刻蝕基體：轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)架，將基體至于離子源前方，設(shè)置偏壓-500v，工作時(shí)間為20min。

(4)通入氬氣80sccm，控制真空室氣壓0.56pa，采用雙極脈沖磁控濺射的方法，tib2陶瓷靶為a靶，金屬w靶為b靶，靶材與基體的距離為10cm，設(shè)置基體和支架參數(shù)為：基體偏壓-100v，支架自轉(zhuǎn)3rpm/min，公轉(zhuǎn)2rpm/min，設(shè)置沉積溫度300℃。開啟并設(shè)置電源參數(shù)為：頻率40khz、功率4kw、a靶脈沖電源的占空比為75％。將樣品擋板轉(zhuǎn)置于兩個(gè)濺射靶前，起輝，進(jìn)行預(yù)濺射10min后，打開樣品擋板，開始正式濺射沉積tib2/w納米多層涂層，沉積時(shí)間為3h。

(5)沉積結(jié)束，關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫，往真空室充大氣，打開真空室取出樣品，在wc-co硬質(zhì)合金基體表面形成納米層狀結(jié)構(gòu)的tib2/w涂層試樣。

所形成的涂層中，金屬w層與tib2陶瓷層相互疊加而成納米層狀結(jié)構(gòu)，其中tib2/w涂層中金屬w層與tib2陶瓷層的層數(shù)為200層，每層金屬w層的厚度為10nm，每層tib2層的厚度為30nm。本發(fā)明的納米層狀結(jié)構(gòu)的tib2/w涂層的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

經(jīng)過殘余應(yīng)力、納米壓痕測試，摩擦測試，以及高溫退火測試，所制備的納米層狀結(jié)構(gòu)的二硼化鈦/鎢涂層的殘余應(yīng)力為0.3gpa，硬度為30gpa，摩擦系數(shù)為0.2，同時(shí)涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性，彈性回復(fù)能力達(dá)50％，熱穩(wěn)定性為500℃。

實(shí)施例2按下列步驟實(shí)現(xiàn)本發(fā)明：

(1)清洗基體：將經(jīng)拋光處理后的(100)取向的單晶硅基體送入超聲波清洗機(jī)，依次用丙酮、無水乙醇以30khz分別進(jìn)行超聲清洗10min，然后用去離子水漂洗，再用純度≥99.5％的氮?dú)獯蹈伞?/p>

(2)抽真空和離子束刻蝕清洗腔體及基體：離子鍍膜機(jī)安裝tib2平面靶和金屬w柱狀靶，用高功率吸塵器清洗鍍膜室。將超聲清洗后的基體置于真空室的工件支架上，真空室抽真空，至真空5.0×10-3pa以下，隨后開啟離子源，向離子源通入80sccm氬氣，設(shè)置離子源功率0.9kw，設(shè)置工件支架偏壓300v，此刻蝕清洗過程持續(xù)20min。

(3)離子束刻蝕基體：轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)架，將基體至于離子源前方，設(shè)置偏壓-500v，工作時(shí)間為20min。

(4)通入氬氣80sccm，控制真空室氣壓0.56pa，采用雙極脈沖磁控濺射的方法，tib2陶瓷靶為a靶，金屬w靶為b靶，靶材與基體的距離為6cm，設(shè)置基體和支架參數(shù)為：基體偏壓-300v，支架自轉(zhuǎn)3rpm/min，公轉(zhuǎn)5rpm/min，設(shè)置沉積溫度300℃。開啟并設(shè)置電源參數(shù)為：頻率40khz、功率4kw、a靶脈沖電源的占空比為30％。將樣品擋板轉(zhuǎn)置于兩個(gè)濺射靶前，起輝，進(jìn)行預(yù)濺射15min后，打開樣品擋板，開始正式濺射沉積tib2/w納米多層涂層，沉積時(shí)間3h。

(5)沉積結(jié)束，關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫，往真空室充氣，打開真空室取出樣品，在(100)取向的單晶硅基體表面形成納米層狀結(jié)構(gòu)的tib2/w涂層試樣。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。