CN109652764B - 一种基于pvd技术的块体金属陶瓷材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于pvd技术的块体金属陶瓷材料及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN109652764B
CN109652764B CN201910074239.6A CN201910074239A CN109652764B CN 109652764 B CN109652764 B CN 109652764B CN 201910074239 A CN201910074239 A CN 201910074239A CN 109652764 B CN109652764 B CN 109652764B
Authority
CN
China
Prior art keywords
substrate
target
bulk
cermet material
pvd
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910074239.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109652764A (zh
Inventor
陈汪林
李炳新
王成勇
颜安
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong University of Technology
Original Assignee
Guangdong University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong University of Technology filed Critical Guangdong University of Technology
Priority to CN201910074239.6A priority Critical patent/CN109652764B/zh
Publication of CN109652764A publication Critical patent/CN109652764A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109652764B publication Critical patent/CN109652764B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0688—Cermets, e.g. mixtures of metal and one or more of carbides, nitrides, oxides or borides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54—Controlling or regulating the coating process

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于PVD技术的块体金属陶瓷材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括如下步骤：S1：将基片设置于PVD设备转架上，控制靶材工作面与基片正对，且两者的距离为7~50 cm；S2：控制靶材电流密度为150~300 A，基体偏压为0~‑40 V，沉积时间10~30 h，即得所述块体金属陶瓷材料。本发明通过优化靶材与基片之间的间距、靶材电流密度、基体偏压、沉积时间等核心工艺参数，使得基体负变压作用，实现了块体金属陶瓷材料的制备；制备得到的金属陶瓷组织致密，晶粒细小，硬度和强度高，断裂韧性好，具有优异的热稳定性、抗腐蚀和抗高温氧化性能，力学、物理和化学性能优异。

Description

一种基于PVD技术的块体金属陶瓷材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属陶瓷材料领域，具体涉及一种基于PVD技术的块体金属陶瓷材料及其制备方法和应用。
背景技术
随现代制造业的快速发展，金属陶瓷因高的硬度、耐磨性、热稳定性、耐腐蚀性、抗高温氧化性能、化学惰性、绝缘等性能，已经被广泛用于航天航空、机械制造、汽车、电流等行业。目前，常见的块体金属陶瓷制造方法有：等离子烧结、激光烧结、粉末冶金法。这些方法所制备的金属陶瓷通常是有陶瓷增强相和金属粘结相组成，陶瓷材料含有大量的孔隙和杂质等缺陷，这些缺陷严重影响陶瓷材料的力学、物理和化学等性能。因此，如何制备高纯低空隙的金属陶瓷是陶瓷行业科研工作者长期以来的努力目标。此外，常规陶瓷制备工艺难以生存高纯度的陶瓷材料的制备（也就是不含粘结相）。
物理气相沉积(PVD)技术，是指在真空条件下，用物理的方法，将材料气化成原子、分子或使其电离成等离子体，并通过气相过程，在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜技术。PVD技术，易于控制材料成分和组织结构，已经被广泛用于刀具、模具、零配件表面防护涂层的制备。尽管如此，PVD技术通常沉积是薄膜材料，基本上无法完成块体材料的制备。因为PVD沉积过程中，薄膜材料内应力大，严重影响薄膜与基体的结合力。过大的内应力会导致薄膜材料的剥落。因此，PVD技术制备的薄膜，其厚度通常小于10 μm。利用PVD技术制备高纯的块体金属陶瓷的制备工艺至今未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中PVD技术无法制备块体金属纳米材料的缺陷，提供一种基于PVD技术的块体金属陶瓷材料的制备方法。本发明提供的制备方法通过选用非常规的PVD控制条件，优化靶材与基片之间的间距、靶材电流密度、基体偏压、沉积时间等核心工艺参数，使得基体负变压作用，实现了块体金属陶瓷材料的制备；制备得到的金属陶瓷组织致密，晶粒细小，硬度和强度高，断裂韧性好，具有优异的热稳定性、抗腐蚀和抗高温氧化性能，力学、物理和化学性能优异。
本发明的另一目的在于提供一种块体金属陶瓷材料。
本发明的另一目的在于上述块体金属陶瓷材料在航天航空、机械制造、汽车或电流领域中的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于PVD技术的块体金属陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：将基片设置于PVD设备转架上，控制靶材工作面与基片正对，且两者的距离为7~50 cm；
S2：控制靶材电流密度为150~300 A，基体偏压为0~-40 V，沉积时间10~30h，即得所述块体金属陶瓷材料；
所述块体金属陶瓷材料为氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮碳化合物陶瓷、氧化物陶瓷或掺氧的氮化物陶瓷。
常规PVD技术中，靶材与基片的距离为20~50 cm，靶材电流密度为60~120 A，基体偏压为-80~-120 V，且涂层制备过程中，基片台需公转和自转，即：基片与靶材位置时刻发生变化。在此条件下只能制备得到薄膜。
而本发明的发明人经多次研究发现，选用非常规的PVD控制条件，优化靶材与基片之间的间距、靶材电流密度、基体偏压、沉积时间等核心工艺参数，使得基体负变压作用，实现了块体金属陶瓷材料的制备；制备得到的金属陶瓷组织致密，晶粒细小，硬度和强度高，断裂韧性好，具有优异的热稳定性、抗腐蚀和抗高温氧化性能，力学、物理和化学性能优异。
优选地，所述块体金属陶瓷材料为CrN、TiN、AlCrN、CrTiN、Al2O3或（Al，Me）2O3，Me为Cr或Ti。
优选地，S1中所述基片为金属基片或导电非金属基片。
优选地，S2中所述靶材工作面与基片的距离为7~20 cm。
优选地，S2中所述靶材电流密度为200~250 A。
优选地，S2中所述基体偏压为-10~-20 V。
优选地，PVD炉内真空度小于1´10-3 Pa；氩气流量为50～200 sccm，氮气流量50～200 sccm；氩离子刻蚀偏压为-300～-900 V。
更为优选地，氩气流量为100 sccm；，氮气流量100 sccm；氩离子刻蚀偏压为-500V。
一种块体金属陶瓷材料，通过上述方法制备得到。
优选地，所述块体金属陶瓷材料的厚度不小于1.0 mm。
优选地，所述块体金属陶瓷材料的纯度不小于99.9%。
优选地，所述块体金属陶瓷材料的孔隙率不大于1%。
上述块体金属陶瓷材料在航天航空、机械制造、汽车或电流领域中的应用也在本发明的保护范围内。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的制备方法通过选用非常规的PVD控制条件，优化靶材与基片之间的间距、靶材电流密度、基体偏压、沉积时间等核心工艺参数，使得基体负变压作用，实现了块体金属陶瓷材料的制备；制备得到的金属陶瓷组织致密，晶粒细小，硬度和强度高，断裂韧性好，具有优异的热稳定性、抗腐蚀和抗高温氧化性能，力学、物理和化学性能优异。
附图说明
图1为实施例1提供的AlCrN金属陶瓷横截面组织；
图2为实施例1提供的AlCrN金属陶瓷XRD图谱。
图3为实施例2、实施例3和实施例4 提供的TiN、CrN和CrTiN金属陶瓷XRD图谱。
图4为实施例2、实施例3和实施例4 提供的TiN、CrN和CrTiN金属陶瓷电化学曲线。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种块体金属陶瓷AlCrN材料，通过如下方法制备得到。
将表面光洁的金属基片安放PVD设备转架上，AlCr靶材工作面与基片陶瓷沉积面正面相对，且保存两者位置固定不变，两者间距9cm。然后打开PVD镀膜机，调整PVD核心工艺参数（AlCr靶材电流密度180A；基体偏压介于-15V；沉积时间15h）及非核心工艺参数（PVD炉内真空度小于1´10-3 Pa，氩气流量控制100 sccm；氮气流量100 sccm；氩离子刻蚀偏压-500V。），实现块体金属陶瓷AlCr材料的制备。
如图1，为块体金属陶瓷AlCrN材料横截面组织，图2为其XRD图谱。从图可知，AlCrN金属陶瓷组织致密，并不存在明显的空隙。该金属陶瓷由fcc-AlCrN固溶体组成。纳米压痕仪测试（设备型号：MTS XP Nanoidentor，载荷50mN）表明，其硬度H为36GPa，弹性模量E=314GPa，H3/E2= 0.47，具有优异的断裂韧性（H3/E2比值判断材料的断裂韧性）。电化学腐蚀试验测试（设备型号：Model CHI604D，腐蚀溶液为3.5wt.%氯化钠溶液）表明，参比316L不锈钢腐蚀电位为-0.32 V，而AlCrN金属陶瓷腐蚀电位为-0.122V，这说明该金属陶瓷具有优异的抗腐蚀性能。高温退火（氮气保护管式炉，退火温度700-1000℃）和氧化实验（普通箱式炉，直接加热至900℃）表明，其AlCrN陶瓷材料在900℃发生分解和氧化，这说明AlCrN陶瓷材料具有良好的热稳定性及抗高温氧化性能。
实施例2
本实施例提供一种块体CrN金属陶瓷材料，通过如下方法制备得到。
将表面光洁的金属基片安放PVD设备转架上，Cr靶材工作面与基片陶瓷沉积面正面相对，且保存两者位置固定不变，两者间距9cm。然后打开PVD镀膜机，调整PVD核心工艺参数（Cr靶材电流密度250A；基体偏压介于-15V；沉积时间均为15h）及非核心工艺参数（PVD炉内真空度小于1´10-3 Pa，氩气流量控制100 sccm；氮气流量100 sccm；氩离子刻蚀偏压-500V。），实现块体CrN金属陶瓷材料的制备。
如图3和图4，为块体金属陶瓷CrN材料XRD图谱及电化学曲线。从图可知，CrN金属陶瓷比316L不锈钢具有更加优异的抗腐蚀性能。纳米压痕测试表明，其硬度为19.5GPa，H=229GPa，H3/E2= 0.141。700℃退火和氧化实验时，CrN相分解成Cr2N相，CrN材料表层形成致密的氧化物保护膜。
实施例3
本实施例提供一种块体TiN金属陶瓷材料，通过如下方法制备得到。
将表面光洁的金属基片安放PVD设备转架上，Ti靶材工作面与基片陶瓷沉积面正面相对，且保存两者位置固定不变，两者间距9cm。然后打开PVD镀膜机，调整PVD核心工艺参数（Ti靶电流密度250A；基体偏压介于-15V；沉积时间均为15h）及非核心工艺参数（PVD炉内真空度小于1´10-3 Pa，氩气流量控制100 sccm；氮气流量100 sccm；氩离子刻蚀偏压-500V。），实现块体TiN金属陶瓷材料的制备。
如图3和图4，为块体金属陶瓷TiN材料XRD图谱及电化学曲线。从图可知，TiN金属陶瓷比316L不锈钢具有更加优异的抗腐蚀性能。纳米压痕测试表明，其硬度为24.5GPa，H=237GPa，H3/E2= 0.267。800℃退火时，TiN相不发生分解，但在600℃时发生氧化，TiN表面形成一层较为致密的钛氧化膜。
实施例4
本实施例提供一种块体CrTiN金属陶瓷材料，通过如下方法制备得到。
将表面光洁的金属基片安放PVD设备转架上，Cr50Ti50靶材工作面与基片陶瓷沉积面正面相对，且保存两者位置固定不变，两者间距9cm。然后打开PVD镀膜机，调整PVD核心工艺参数（Cr50Ti50靶电流密度为220A；基体偏压介于-15V；沉积时间均为15h）及非核心工艺参数（PVD炉内真空度小于1´10-3 Pa，氩气流量控制100 sccm；氮气流量100 sccm；氩离子刻蚀偏压-500V。），实现块体CrTiN金属陶瓷材料的制备。
如图3和图4，为块体金属陶瓷CrTiN材料XRD图谱及电化学曲线。从图可知，CrTiN金属陶瓷比316L不锈钢具有更加优异的抗腐蚀性能，且有fcc-CrTiN固溶体组成。纳米压痕测试表明，其硬度为29.6GPa，H=286GPa，H3/E2= 0.317。800℃退火实验时，CrTiN相发生分解成TiN和Cr2N相；700℃氧化实验时，CrTiN金属陶瓷表面形成致密的Ti和Cr氧化物保护膜。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PVD技术的块体金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将基片设置于PVD设备转架上，控制靶材工作面与基片正对，且两者的距离为7～50cm；
S2：控制靶材电流密度为150～300A，基体偏压为0～-40V，沉积时间10～30h，即得所述块体金属陶瓷材料；
所述块体金属陶瓷材料为氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮碳化合物陶瓷、氧化物陶瓷或掺氧的氮化物陶瓷；
所述块体金属陶瓷材料的厚度不小于1.0mm。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述块体金属陶瓷材料为AlCrN、TiCN、CrC、TiC、Al2O3或(Al，Me)2O3，Me为Cr或Ti。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S1中所述基片为金属基片或导电非金属基片。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S2中所述靶材工作面与基片的距离为7～20cm。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S2中所述靶材电流密度为200～250A。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，S2中所述基体偏压为-10～-20V。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，PVD炉内真空度小于1×10-3Pa；氩气流量为50～200sccm，氮气流量50～200sccm；氩离子刻蚀偏压为-300～-900V。
8.一种块体金属陶瓷材料，其特征在于，通过权利要求1～7任一所述制备方法制备得到。
9.根据权利要求8所述块体金属陶瓷材料，其特征在于，所述块体金属陶瓷材料的纯度不小于99.9％；孔隙率不大于1％。
10.权利要求8所述块体金属陶瓷材料在航天航空、机械制造、汽车或电流领域中的应用。
CN201910074239.6A 2019-01-25 2019-01-25 一种基于pvd技术的块体金属陶瓷材料及其制备方法和应用 Active CN109652764B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910074239.6A CN109652764B (zh) 2019-01-25 2019-01-25 一种基于pvd技术的块体金属陶瓷材料及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910074239.6A CN109652764B (zh) 2019-01-25 2019-01-25 一种基于pvd技术的块体金属陶瓷材料及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109652764A CN109652764A (zh) 2019-04-19
CN109652764B true CN109652764B (zh) 2021-01-15

Family

ID=66121600

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910074239.6A Active CN109652764B (zh) 2019-01-25 2019-01-25 一种基于pvd技术的块体金属陶瓷材料及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109652764B (zh)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6025605A (ja) * 1983-07-22 1985-02-08 Mitsubishi Metal Corp 切削工具用表面被覆サ−メツト部材
CN1032225C (zh) * 1993-02-05 1996-07-03 大连海运学院 离子镀厚膜的方法及设备
CN103160793B (zh) * 2011-12-16 2016-05-25 中国科学院兰州化学物理研究所 超厚TiN-TiCN多层复合薄膜材料的制备方法
CN104911551A (zh) * 2015-06-03 2015-09-16 陕西航天导航设备有限公司 一种厚度为21.5μm的TiN膜制备方法
CN108165944B (zh) * 2018-01-24 2019-04-19 大连理工大学 一种超厚Ti2AlC涂层的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109652764A (zh) 2019-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1253215B1 (en) PVD Al2O3 coated cutting tool
KR100843525B1 (ko) 표면 피복 부재 및 그 제조 방법 그리고 공구 및 공작 장치
CN106086886B (zh) 一种自润滑二硼化钛/类金刚石涂层及其制备方法和应用
CN108642449A (zh) 超硬强韧高熵合金氮化物纳米复合涂层硬质合金刀片及其制备方法
US6410086B1 (en) Method for forming high performance surface coatings and compositions of same
CN101952482A (zh) 多层涂覆的切削工具
CN111321381B (zh) 一种硬质合金刀片的AlCrNbSiTiBN基纳米复合涂层及其制备方法
CN111910159B (zh) 一种纳米晶非晶复合涂层及其制备方法与刀具
CN106987800B (zh) 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
JP5765627B2 (ja) 耐久性に優れる被覆工具およびその製造方法
JP2004100004A (ja) 被覆超硬合金およびその製造方法
CN113235041A (zh) 一种AlCrTiSiWMoN高熵合金氮化物涂层及其制备方法和应用
CN111500998A (zh) 一种AlTiN/TiAlSiN梯度纳米复合结构涂层及其一体化制备方法与应用
CN111647851A (zh) 兼具高硬度和高韧性Zr-B-N纳米复合涂层及其制备方法
CN114000115B (zh) 一种Ti-B-N纳米复合涂层及其制备方法
JP5424868B2 (ja) 硬質材料被覆、および基材上の多機能性硬質材料被覆の製造法
CN111910172B (zh) 复合式涂层pcbn切削刀具及其制备方法
CN105018890A (zh) 真空气体保护压力烧结制备TiB2直流磁控溅射镀膜靶
CN109652764B (zh) 一种基于pvd技术的块体金属陶瓷材料及其制备方法和应用
CN115418607B (zh) 含三氧化二铬氧化物层的复合涂层切削刀具
CN107190229A (zh) 一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层及其制备方法
CN109898056B (zh) 一种基于pvd技术的块体金属/金属陶瓷纳米梯度材料及其制备方法和应用
CN109576662B (zh) 一种基于pvd技术的块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷双向纳米梯度材料及其制备方法
CN113913758A (zh) 一种纳米复合结构的高熵氮化物硬质涂层及其制备方法和应用
CN112553580A (zh) 一种二硼化物复合涂层及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant