CN110607500A - 一种TaN涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

一种TaN涂层及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN110607500A
CN110607500A CN201910948918.1A CN201910948918A CN110607500A CN 110607500 A CN110607500 A CN 110607500A CN 201910948918 A CN201910948918 A CN 201910948918A CN 110607500 A CN110607500 A CN 110607500A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tan
substrate
tan coating
coating
target
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.)
Pending
Application number
CN201910948918.1A
Other languages
English (en)
Inventor
李金龙
朱烨彪
王立平
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.)
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Original Assignee
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
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 Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS filed Critical Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority to CN201910948918.1A priority Critical patent/CN110607500A/zh
Publication of CN110607500A publication Critical patent/CN110607500A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

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
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • 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
    • C23C14/0641—Nitrides
    • 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
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering

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

本发明公开了一种TaN涂层及其制备方法与应用。所述TaN涂层的制备方法包括：采用磁控溅射技术，以Ta纯金属靶为靶材，以氮气及保护性气体为工作气体，对基体施加负偏压，对Ta纯金属靶施加靶电率，在所述基体表面沉积形成TaN涂层，所述TaN涂层具有以(200)为择优取向的面心立方晶体结构、以(111)为择优取向的面心立方晶体结构或非晶结构。本发明从沉积过程中的氮含量入手，结合TaN涂层的多种结构的特性，采用磁控溅射法并调控氮气流量占比可以得到不同结构的TaN涂层；并且制备得到的TaN涂层具有较高的硬度，在800℃以下成分性能保持稳定，有较好的抗氧化性能，在南海高温防护领域有潜在的应用前景。

Description

一种TaN涂层及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种耐高温防护涂层的简易的制备方法，特别涉及一种通过调控氮气的流量来调控TaN涂层内部结构的磁控溅射方法及该涂层在高温防护的应用，属于基体表面防护技术领域。
背景技术
在当前的重点发展海洋经济的背景下，南海属于我国的重要的战略与资源要地。要提高我国的海洋资源开发利用能力和综合制海能力，必须大力发展舰船装备和海洋工程装备。近年来，对于海洋资源的开发的需求愈发紧迫，对于南海严苛环境下的材料要求越来越高。而南海由于其特殊的地理环境，有高热高湿的特点，对零部件在硬度、耐热、耐腐蚀等方面有更高的要求，有关损失比例数据显示为：45％为磨损、23％为腐蚀、14％为热损坏、18％为其他，因此应用于南海环境的防护涂层的耐热性问题亟待解决。除此之外，南海由于特殊的地理位置，有许多军工装备在南海领域高强度工作，而其中涉及到发动机、涡轮机等设备的零部件工作时会发出大量的热量，可能会提升到接近1000度的高温，这就对其防护涂层提出了更高的耐热性要求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种TaN涂层及其制备方法，从而克服了现有技术中的不足。
本发明的另一目的还在于提供所述TaN涂层在高温防护领域中的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明实施例提供了一种TaN涂层的制备方法，其包括：
提供基体；
采用磁控溅射技术，以Ta纯金属靶为靶材，以氮气及保护性气体为工作气体，对基体施加负偏压，对Ta纯金属靶施加靶电率，在所述基体表面沉积形成TaN涂层，所述TaN涂层具有以(200)为择优取向的面心立方晶体结构、以(111)为择优取向的面心立方晶体结构或非晶结构；
其中所述磁控溅射技术采用的工艺条件包括：反应腔体内气压为5×10-3Pa～6×10-3Pa，施加于所述Ta纯金属靶上的靶功率为3～3.5kW，靶电压为430～450V，沉积偏压为-100V～-120V，反应腔体的温度为400℃～450℃，沉积时间为180～200min，所述工作气体中氮气的体积含量为25～75vol％。
本发明实施例还提供了由前述方法制备的TaN涂层，它具有以(200)为择优取向的面心立方晶体结构、以(111)为择优取向的面心立方晶体结构或非晶结构。
本发明实施例还提供了前述的TaN涂层于基体表面高温防护领域中的用途。
本发明实施例还提供了一种装置，包括基体，所述基体上还设置有前述的TaN涂层。
较之现有技术，本发明的有益效果在于：
1)本发明从沉积过程中的氮含量入手，结合TaN涂层的多种结构的特性，不需要复杂的设备与制备方法，只需要用简单的磁控溅射法并调控其中的氮气流量占比就可以表现出不同的微观结构，得到不同结构的TaN涂层，有以(200)为择优取向、以(111)为择优取向的面心立方结构及非晶结构，不同的结构有着不同的沉积速率，也表现出不同的力学性能；
2)本发明制备方法简单，制备得到的TaN涂层具有较高的硬度，在高温防护领域有较好的应用，在800℃以下成分性能保持稳定，有比较好的抗氧化性能，在南海高温防护领域有潜在的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中制备的TaN涂层的截面形貌图。
图2是本发明实施例2中制备的TaN涂层的截面形貌图。
图3是本发明实施例3中制备的TaN涂层的截面形貌图。
图4是本发明实施例1-3中制备的TaN涂层的X射线衍射图谱(其中S1、S2、S3分别对应实施例1、2、3制备的涂层)。
图5a-图5c分别是本发明实施例1-3中制备的TaN涂层的透射电镜图，表现了三种涂层的微观形貌。
图6是本发明实施例1-3中制备的TaN涂层在不同温度下的硬度测试结果示意图。
图7是本发明实施例1-3中制备的TaN涂层从室温到900℃的热重曲线图(其中S1、S2、S3分别对应实施例1、2、3制备的涂层)。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，概括的讲，本申请的技术方案主要是：从沉积过程中的氮含量入手，结合TaN涂层有多种结构的特性，所述的结构随着沉积时氮气流量的不同，表现出不同的微观结构，有以(200)为择优取向、以(111)为择优取向的面心立方结构及非晶结构，不同的结构有着不同的沉积速率，也表现出不同的力学性能。
如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种TaN涂层的制备方法，其包括：
提供基体；
采用磁控溅射技术，以Ta纯金属靶为靶材，以氮气及保护性气体为工作气体，对基体施加负偏压，对Ta纯金属靶施加靶电率，在所述基体表面沉积形成TaN涂层，所述TaN涂层具有以(200)为择优取向的面心立方晶体结构、以(111)为择优取向的面心立方晶体结构或非晶结构；
其中所述磁控溅射技术采用的工艺条件包括：反应腔体内气压为5×10-3Pa～6×10-3Pa，施加于所述Ta纯金属靶上的靶功率为3～3.5kW，靶电压为430～450V，沉积偏压为-100V～-120V，反应腔体的温度为400℃～450℃，沉积时间为180～200min，所述工作气体中氮气的体积含量为25～75vol％。
进一步地讲，本发明是采用磁控溅射技术，以较为简便，省时的方法，通过直接调控通入的氮气流量的方法，实现涂层不同结构的调控。
本发明的创新点在于利用TaN的多结构特性，通过调控涂层中的氮元素含量，用简单的磁控溅射方法得到三种不同结构与性能的TaN涂层，不同结构的TaN涂层有不同的长处，可以应用于各个不同的领域。
在一些具体的实施方案中，所述TaN涂层的制备方法包括：将工件置于镀膜设备真空腔体中，采用磁控溅射技术在工件基体上沉积TaN涂层。
在一些实施方案中，沉积TaN涂层的靶材选用Ta纯金属靶材，纯度在99.99wt％以上。
在一些实施方案中，沉积TaN涂层的靶材选用Ta靶材的沉积功率为3～3.5kW，反应腔体的温度为400℃～450℃，工作气体为氮气与保护性气体。
进一步地，所述靶功率为3.3～3.5kW，沉积偏压为-90～-100V，反应腔体的温度为400～420℃，保护性气体为惰性气体，优选为氩气，但不限于此。
本发明TaN涂层的制备原理至少在于：在氮气流量比较低时，TaN涂层的结构为以(200)为择优取向的面心立方晶体结构，由于工作气氛内的氮元素含量较低，TaN面心立方结构有较低的形成能，优先形成该结构，另一方面，由于氮元素的缺失，使得TaN涂层无法形成(111)面的密排结构，在综合作用下，最终形成了以(200)为择优取向的面心立方晶体结构，厚度约为1.5微米。随着氮元素含量的增加，六方TaN的形成能逐渐与面心立方接近，使得在形成TaN涂层的过程中，六方与立方TaN不断交替形成，使得涂层内部的结构趋于短程有序，长程无序，非晶转变，另一方面，由于氮元素足够多使得涂层内部的缺陷较少，氮气进入涂层变得困难，导致沉积速率变慢，厚度变为约500nm。
在一些实施例中，所述制备方法还包括：先对基体表面进行预处理，再在所述基体表面沉积所述TaN涂层。
进一步地，所述预处理包括依次进行的表面清理处理，以及对基体的离子轰击清洗处理。
进一步地，所述表面清理处理包括以砂纸对所述基体表面进行打磨处理，使所述基体表面粗糙度为2.5μm～3.5μm，之后进行超声清洗。
进一步地，所述制备方法包括：将经表面清理处理后的基体置于温度为180℃～210℃的真空腔体内，通入如氩气等惰性气体，对基体施加-500--600V的负偏压，从而引导氩离子对基体表面进行离子轰击清洗处理。
进一步地，所述制备方法还包括：在沉积形成所述TaN涂层之后，将所述反应腔体内的温度降至200℃以下，之后取出沉积有所述TaN涂层的基体。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系由前述方法制备的TaN涂层，它具有以(200)为择优取向的面心立方晶体结构、以(111)为择优取向的面心立方晶体结构或非晶结构。
进一步地，所述TaN涂层从室温到500℃下的纳米硬度较为稳定，且数值较大，约为10–24GPa。
进一步地，所述TaN涂层当在空气气氛下从室温升到900℃的过程中，有较好的热稳定性，在800℃以上才有氧化增重的现象，亦说明所述TaN涂层在800℃以下成分性能保持稳定，有比较好的抗氧化性能。
进一步地，所述TaN涂层的晶粒尺寸在纳米级。
进一步地，所述TaN涂层的厚度为500～1500nm。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系前述的TaN涂层于基体表面高温防护领域中的用途。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系一种装置，包括基体，所述基体上还设置有前述的TaN涂层。
综上，藉由上述技术方案，本发明从沉积过程中的氮含量入手，结合TaN涂层的多种结构的特性，不需要复杂的设备与制备方法，只需要用简单的磁控溅射法并调控其中的氮气流量占比就可以表现出不同的微观结构，得到不同结构的TaN涂层，有以(200)为择优取向、以(111)为择优取向的面心立方结构及非晶结构，不同的结构有着不同的沉积速率，也表现出不同的力学性能。
本发明制备得到的TaN涂层具有较高的硬度，在高温防护领域有较好的应用，在800℃以下成分性能保持稳定，有比较好的抗氧化性能，在南海高温防护领域有潜在的应用前景。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件。
实施例1
本实施例中一种TaN涂层的制备方法，采用磁控溅射技术，所述的TaN涂层的厚度约为1.5μm，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到5×10-3mbar，同时进行加热，加热温度为400℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材5min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，子刻蚀采用的偏压为1200V。
(4)制备沉积TaN涂层。采用Ta金属靶(纯度99.99wt.％)，气体采用高纯氮气和氩气，氩气流量为240sccm，氮气流量为80sccm。Ta靶功率为3.5kW，靶电压为430V，沉积偏压为-100V，总沉积时间为180min，转盘转速为3rpm。
图1是本实施例中制备的TaN涂层的截面形貌图。
实施例2
本实施例中一种TaN涂层的制备方法，采用磁控溅射技术，所述的TaN涂层的厚度约为900nm，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到6×10-3mbar，同时进行加热，加热温度为420℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材5min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，子刻蚀采用的偏压为1200V。
(4)制备沉积TaN涂层。采用Ta金属靶(纯度99.99wt.％)，气体采用高纯氮气和氩气，氩气流量为160sccm，氮气流量为160sccm。Ta靶功率为3.2kW，靶电压为440V，沉积偏压为-100V，总沉积时间为180min，转盘转速为3rpm。
图2是本实施例中制备的TaN涂层的截面形貌图。
实施例3
本实施例中一种TaN涂层的制备方法，采用磁控溅射技术，所述的TaN涂层的厚度约为500nm，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到6×10-3mbar，同时进行加热，加热温度为400℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材5min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，子刻蚀采用的偏压为1200V。
(4)制备沉积TaN涂层。采用Ta金属靶(纯度99.99wt.％)，气体采用高纯氮气和氩气，氩气流量为80sccm，氮气流量为240sccm。Ta靶功率为3.5kW，靶电压为430V，沉积偏压为-110V，总沉积时间为200min，转盘转速为3rpm。
图3是本实施例中制备的TaN涂层的截面形貌图。
实施例4
本实施例中一种TaN涂层的制备方法，采用磁控溅射技术，所述的TaN涂层的厚度约为800nm，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到5×10-3mbar，同时进行加热，加热温度为400℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材5min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，子刻蚀采用的偏压为1200V。
(4)制备沉积TaN涂层。采用Ta金属靶(纯度99.99wt.％)，气体采用高纯氮气和氩气，氩气流量为160sccm，氮气流量为160sccm。Ta靶功率为3kW，靶电压为450V，沉积偏压为-120V，总沉积时间为180min，转盘转速为3rpm。
实施例5
本实施例中一种TaN涂层的制备方法，采用磁控溅射技术，所述的TaN涂层的厚度约为750nm，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到5.5×10-3mbar，同时进行加热，加热温度为400℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材5min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，子刻蚀采用的偏压为1200V。
(4)制备沉积TaN涂层。采用Ta金属靶(纯度99.99wt.％)，气体采用高纯氮气和氩气，氩气流量为160sccm，氮气流量为160sccm。Ta靶功率为3.2kW，靶电压为430V，沉积偏压为-100V，总沉积时间为190min，转盘转速为3rpm。
实施例6
本实施例中一种TaN涂层的制备方法，采用磁控溅射技术，所述的TaN涂层的厚度约为700nm，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到6×10-3mbar，同时进行加热，加热温度为400℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材5min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，子刻蚀采用的偏压为1200V。
(4)制备沉积TaN涂层。采用Ta金属靶(纯度99.99wt.％)，气体采用高纯氮气和氩气，氩气流量为160sccm，氮气流量为160sccm。Ta靶功率为3.5kW，靶电压为430V，沉积偏压为-100V，总沉积时间为180min，转盘转速为3rpm。
实施例7
本实施例中一种TaN涂层的制备方法，采用磁控溅射技术，所述的TaN涂层的厚度约为600nm，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到5×10-3mbar，同时进行加热，加热温度为450℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材5min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，子刻蚀采用的偏压为1200V。
(4)制备沉积TaN涂层。采用Ta金属靶(纯度99.99wt.％)，气体采用高纯氮气和氩气，氩气流量为160sccm，氮气流量为160sccm。Ta靶功率为3.5kW，靶电压为450V，沉积偏压为-120V，总沉积时间为200min，转盘转速为3rpm。
性能测试结果
本案发明人还对实施例1-7所获不同结构的TaN涂层进行高温硬度与热重实验，所得到的结果如图6、图7所示。
(1)由图4中的XRD测试结果可知，实施例1-3得到的涂层的晶体结构完全不同，其中实施例1中得到的S1样品有(200)方向的择优取向，而实施例3中的S3样品则为非晶结构，其中S1、S2、S3分别对应实施例1、2、3制备的涂层。
(2)图5a-图5c中的微观形貌进一步证明了实施例1-3中得到的TaN涂层有不同的微观结构，其中S1、S2表现为为面心立方结构，而S3表现为非晶结构。
(3)由图6可知，实施例1得到的TaN涂层有很高的硬度，在24GPa左右，而三个实施例得到的涂层都会随着温度的上升有下降的趋势。
(4)由图7可知，不同TaN涂层在较低温度时都有比较好的抗氧化性能，而实施例1、2得到的TaN涂层在800℃时有比较明显的氧化增重现象，其中S1、S2、S3分别对应实施例1、2、3制备的涂层。
(5)实施例2、4、5得到的TaN在沉积过程中具有不同的靶功率，高功率下的Ta沉积速率较高，得到的TaN涂层的结构为面心立方结构，低功率下的Ta沉积速率下降，沉积得到的TaN涂层的结构趋向于非晶结构。
(6)实施例2、6、7得到的TaN在沉积过程中具有不同的偏压，高偏压下的Ta离子有更高的能量，形成的涂层的致密度较高，结构的面心立方晶化程度更高。低偏压下的Ta离子的能量较低，形成的涂层致密度较低，结构更趋于无序化。
总的来说，本发明利用了TaN的多结构特性，通过调控涂层中的氮元素含量，用简单的磁控溅射法得到的不同结构与性能TaN涂层，在不同的领域有不同的应用。
对照例1
本对照例中一种TaN涂层的制备方法，采用磁控溅射技术，所述的TaN涂层的厚度约为1.6μm，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到4×10-5mbar，同时进行加热，加热温度为400℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材5min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，子刻蚀采用的偏压为1200V。
(4)制备沉积TaN涂层。采用Ta金属靶(纯度99.99wt.％)，气体采用高纯氩气，氩气流量为320sccm。Ta靶功率为3.5kW，沉积偏压为-500V，总沉积时间为180min，转盘转速为3rpm。
对照例2
本对照例中一种TaN涂层的制备方法，采用磁控溅射技术，所述的TaN涂层的厚度约为400nm，主要包括如下步骤：
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min。
(2)将清洗好的试样装入腔体，抽真空，真空度到4×10-5mbar，同时进行加热，加热温度为400℃。
(3)靶材溅射和试样刻蚀。溅射清洗靶材5min，对钛合金试样进行离子刻蚀15min，子刻蚀采用的偏压为1200V。
(4)制备沉积TaN涂层。采用Ta金属靶(纯度99.99wt.％)，气体采用高纯氮气，氮气流量为320sccm。Ta靶功率为3.5kW，沉积偏压为-500V，总沉积时间为180min，转盘转速为3rpm。
针对对照例1-2得到的涂层，对照例1得到的为金属Ta涂层，内部为体心立方结构，对照例2有更高的氮含量，得到的为完全非晶结构的TaN涂层。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (10)

1.一种TaN涂层的制备方法，其特征在于包括：
提供基体；
采用磁控溅射技术，以Ta纯金属靶为靶材，以氮气及保护性气体为工作气体，对基体施加负偏压，对Ta纯金属靶施加靶电率，在所述基体表面沉积形成TaN涂层，所述TaN涂层具有以(200)为择优取向的面心立方晶体结构、以(111)为择优取向的面心立方晶体结构或非晶结构；
其中所述磁控溅射技术采用的工艺条件包括：反应腔体内气压为5×10-3Pa～6×10- 3Pa，施加于所述Ta纯金属靶上的靶功率为3～3.5kW，靶电压为430～450V，沉积偏压为-100～-120V，反应腔体的温度为400℃～450℃，沉积时间为180～200min，所述工作气体中氮气的体积含量为25～75vol％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于还包括：先对基体表面进行预处理，再在所述基体表面沉积所述TaN涂层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述预处理包括依次进行的表面清理处理和离子轰击清洗处理。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述表面清理处理包括以砂纸对所述基体表面进行打磨处理，使所述基体表面粗糙度为2.5μm～3.5μm，之后进行超声清洗。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于包括：将经表面清理处理后的基体置于温度为180℃～210℃的真空腔体内，通入惰性气体，对基体施加-500--600V的负偏压，从而对基体表面进行离子轰击清洗处理。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于还包括：在沉积形成所述TaN涂层之后，将所述反应腔体内的温度降至200℃以下，之后取出沉积有所述TaN涂层的基体。
7.由权利要求1-6中任一项所述方法制备的TaN涂层，它具有以(200)为择优取向的面心立方晶体结构、以(111)为择优取向的面心立方晶体结构或非晶结构。
8.根据权利要求7所述的TaN涂层，其特征在于：所述TaN涂层的晶粒尺寸在纳米级；和/或，所述TaN涂层的厚度为500～1500nm；
优选的，在室温～500℃，所述TaN涂层的纳米硬度为10～24GPa；
优选的，在空气气氛下从室温升到800℃的过程中，所述TaN涂层无氧化增重现象。
9.如权利要求7-8中任一项所述的TaN涂层于基体表面高温防护领域中的用途。
10.一种装置，包括基体，其特征在于：所述基体上还设置有权利要求7-8中任一项所述的TaN涂层。
CN201910948918.1A 2019-10-08 2019-10-08 一种TaN涂层及其制备方法与应用 Pending CN110607500A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910948918.1A CN110607500A (zh) 2019-10-08 2019-10-08 一种TaN涂层及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910948918.1A CN110607500A (zh) 2019-10-08 2019-10-08 一种TaN涂层及其制备方法与应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110607500A true CN110607500A (zh) 2019-12-24

Family

ID=68894370

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910948918.1A Pending CN110607500A (zh) 2019-10-08 2019-10-08 一种TaN涂层及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110607500A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113502452A (zh) * 2021-07-12 2021-10-15 深圳市阿尔法材料科技有限公司 一种TaN-稀土复合涂层及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5654207A (en) * 1903-02-03 1997-08-05 Sharp Kabushiki Kaisha Method of making two-terminal nonlinear device and liquid crystal apparatus including the same
CN101323946A (zh) * 2008-07-15 2008-12-17 南京大学 一种不同相结构的纳米晶金属Ta薄膜的制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5654207A (en) * 1903-02-03 1997-08-05 Sharp Kabushiki Kaisha Method of making two-terminal nonlinear device and liquid crystal apparatus including the same
CN101323946A (zh) * 2008-07-15 2008-12-17 南京大学 一种不同相结构的纳米晶金属Ta薄膜的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
白亚旭等: "溅射制作埋嵌电阻的TaN薄膜电阻率的控制", 《印制电路信息》 *
贾振宇 等: ""反应磁控溅射制备氮化钽扩散阻挡层的研究"", 《真空科学与技术学报》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113502452A (zh) * 2021-07-12 2021-10-15 深圳市阿尔法材料科技有限公司 一种TaN-稀土复合涂层及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Multipurpose surface functionalization on AZ31 magnesium alloys by atomic layer deposition: tailoring the corrosion resistance and electrical performance
EP3696823B1 (en) Zirconium alloy cladding with improved oxidation resistance at high temperature and method for manufacturing same
CN113789503A (zh) 一种具有抗氧化特性的高熵硅化物薄膜的原位合成方法
CN103966615B (zh) 一种1200℃完全抗氧化的二元微量活性元素掺杂的PtNiAl粘结层及其制备方法
JP2018527693A (ja) ナノ構造化層の製造方法
CN114574827B (zh) 一种含碳高熵合金薄膜及其制备方法与应用
CN110607500A (zh) 一种TaN涂层及其制备方法与应用
CN115305443B (zh) 一种锆基非晶多组元氧化物涂层的制备方法及应用
Chinsakolthanakorn et al. Effects of titanium sputtering current on structure and morphology of TiZrN films prepared by reactive DC magnetron co-sputtering
Zhou et al. Wear and corrosive behaviors of electroless Ni-LaCl 3 composites on nanoporous ATO surface of Ti substrate
Malik et al. Enhanced electrochemical corrosion resistance of SS (304L) alloy with nano-pyramids c-TiN layer for saline media application
KR100822302B1 (ko) ＴａＳｉ₂-ＳｉＣ 나노 복합 피복층의 제조방법
He et al. Enhanced high reflectance SiO2-Ag-SiO2 thin film adhesion for concentrating solar power reflector
Li et al. Influence of annealing temperature on the structure and properties of Ti3AlC2 coatings by FCVA method
CN108149198A (zh) 一种wc硬质合金薄膜及其梯度层技术室温制备方法
CN109487209B (zh) 一种高硬度max相陶瓷涂层及其制备方法
Agawane et al. Investigations on chemo-mechano stabilities of the molybdenum thin films deposited by DC-sputter technique
Iqbal et al. Effects of process parameters on the microstructural characteristics of DC magnetron sputtered molybdenum films on graphite substrate
CN108193178B (zh) 一种晶态wc硬质合金薄膜及其缓冲层技术室温生长方法
CN113699485A (zh) 一种高熵氧化物扩散障薄膜及其制备工艺和应用
CN111647862B (zh) 一种钽基抗腐蚀防护复合涂层及其制备方法与应用
CN110777330A (zh) 一种抗腐蚀且耐磨损的保护涂层及其制备方法和应用
CN113430491B (zh) 一种表面抗氧化涂层及其制备方法与表面改性钛合金
Xiao et al. Structure and oxidation resistance of W1–xAlxN composite films
Buranawong et al. Oxidation Behavior of Nanostructure Sputtered Titanium Nitride Thin Films

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
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191224

RJ01 Rejection of invention patent application after publication