CN111575667B - 一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层及其制备方法 - Google Patents
一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111575667B CN111575667B CN202010578871.7A CN202010578871A CN111575667B CN 111575667 B CN111575667 B CN 111575667B CN 202010578871 A CN202010578871 A CN 202010578871A CN 111575667 B CN111575667 B CN 111575667B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- zrniyn
- coating
- bimetallic
- composite
- epitaxial coating
- 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
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 86
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 80
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 title claims abstract description 47
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 title claims abstract description 42
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 25
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 45
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 31
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 12
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 21
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 4
- 229910052774 Proactinium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 2
- 230000016507 interphase Effects 0.000 claims 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 28
- ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N zirconium nitride Chemical compound [Zr]#N ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 19
- 239000010408 film Substances 0.000 description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 7
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 7
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 238000011161 development Methods 0.000 description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 229910007991 Si-N Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910006294 Si—N Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 239000011153 ceramic matrix composite Substances 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 2
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 2
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- -1 zirconium ions Chemical class 0.000 description 2
- DUNKXUFBGCUVQW-UHFFFAOYSA-J zirconium tetrachloride Chemical compound Cl[Zr](Cl)(Cl)Cl DUNKXUFBGCUVQW-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 2
- 229910010037 TiAlN Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007948 ZrB2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008328 ZrNx Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000007733 ion plating Methods 0.000 description 1
- 238000000626 liquid-phase infiltration Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000005546 reactive sputtering Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000004098 selected area electron diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
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
- C23C14/0021—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
- C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
- C23C14/021—Cleaning or etching treatments
- C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
-
- 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
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
本发明公开了一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层，其特征在于，由ZrNiY复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的；所述基体为金属、硬质合金、陶瓷或单晶Si。制备方法为：将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用无水酒精、丙酮进行清洗；然后将基体装进真空室，抽真空，用中频对基体进行离子轰击，即进行离子清洗；将基体置入多靶磁控溅射仪并停留在ZrNiY复合靶之前，通过磁控溅射反应沉积获得界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层，其具有超高硬度，可用在干式、高速切削加工刀具以及在摩擦磨损条件服役的部件表面，从而提高刀具及部件表面性能和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型硬质保护涂层，特别涉及一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层及其制备方法。
背景技术
随着社会的进步和科技的发展，材料表面性能要求越来越高，高硬度、耐磨、耐腐蚀性，耐高温性能等种种指标是衡量当今刀具性能的重要指标，为满足越来越高的工程需要，在材料表面涂覆一层硬质涂层是提高材料表面性能的一种经济实用的有效途径，硬质涂层作为机械功能膜的一个重要分支，在机械加工工具中应用很广，特别是在金属切削中占了主导地位。
最初，ZrN涂层由于具有较高的硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及良好的装饰性等突出性能，而得到大家的普遍关注。其后，人们为了进一步提高ZrN涂层的硬度和高温抗氧化性能，通过添加Y元素制备了ZrYN纳米复合结构涂层，其性能得到了较大的提升。但是随着目前切削技术逐渐向高速切削和干式切削方向发展，此类刀具涂层也已逐渐不能满足现代切削技术的要求，因此迫切需要开发新型的保护性涂层材料。随着纳米科学与技术的发展，纳米复合共格外延涂层的进一步研究成为硬质涂层材料的重要发展方向。所谓纳米复合膜涂层是一种典型的用纳米结构进行强化的超硬涂层，该涂层是由界面相包裹基体相形成的三维网状结构，其致硬机理与其界面相包裹着纳米晶的复合结构有关。
整个膜层以ZrN等轴纳米晶为主体，Ni作为界面相包裹在TiN纳米晶四周。由于ZrN纳米晶内不含位错，难以变形，产生于低强度的Ni界面相中的微裂纹则由于受到ZrN纳米晶的阻挡而难以扩展，使得纳米复合膜的硬度获得提高。基于此，纳米复合共格外延涂层是新型保护型硬质涂层的重要发展方向。
通过查文献得知，界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层目前在国内尚未有人进行系统性的研究，对于界面相多元化对纳米复合膜硬度和微观结构的影响也是较新的研究领域之一。而ZrYN纳米复合膜涂层目前已经通过多种方法成功制得，取得不少有益的成果。通过查询，检索到如下有关制备以ZrYN或ZrN为基体的涂层材料的中国专利：
申请号为201010289292.7的专利涉及了一种涂层、具有该涂层的被覆件及该被覆件的制备方法。该涂层包括ZrYN沉积层，该沉积层以磁控溅射镀膜法形成。该涂层具有较高的硬度、良好的韧性及耐磨性。该发明还提供一种具有上述涂层的被覆件。该被覆件包括基体、依次形成于该基体表面的ZrY结合层及所述涂层。另外，该发明还提供了上述被覆件的制备方法。
申请号为201510547174.4的专利涉及了一种碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料及其制备方法，该碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料以碳纤维为增强体，以ZrB2-ZrN复相陶瓷为基体。其制备方法包括以下步骤：以丙烯为先驱体，采用化学气相沉积工艺在碳纤维增强体的表面沉积碳涂层，得到表面沉积有碳涂层的碳纤维增强体；将表面沉积有碳涂层的碳纤维增强体进行致密步骤，得到多孔C/BN预制体；将多孔C/BN预制体与金属锆或锆合金进行熔融浸渗步骤，得碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料。该发明的制备工艺简单、成本低、周期短，制备的复合材料致密化程度高，陶瓷相体积分数高且分布均匀。
申请号为200910220780.X的专利涉及了一种用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层及制备方法。该专利公开的一种用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层及制备方法，其中用于压气机叶轮、叶片的ZrN/TiMo复合涂层由TiMo粘结层和TiAlN面层组成；该制备方法采用H-MFD200型高真空多功能薄膜沉积系统，在金属表面镀制ZrN/TiMo复合涂层。本发明的制备工艺包括：粘结层TiMo的制备，采用磁控溅射制备工艺；和ZrN面层的制备，采用多弧离子镀制备工艺。该方法制备的涂层致密，与基体结合力良好，涂层厚度可控制，在600℃高温下，具有良好的抗热循环能力、抗热盐腐蚀能力和抗冲刷磨损的能力。
申请号为201410198397.X的专利涉及了一种ZrNbAlN超晶格涂层及制备方法。该发明公开了一种ZrNbAlN超晶格涂层，以及涂有该涂层的刀具和工模具及制备方法。该超晶格涂层依次包括Zr粘附层，ZrNx过渡层，ZrN支持层以及ZrN/NbN/ZrN/AlN(ZrNbAlN)多层结构。该发明中的涂有ZrNbAlN超晶格涂层的刀具和工模具，其涂层的硬度高、耐磨性好、摩擦系数低、高温结构及性能的稳定性好，抗氧化能力强。
申请号为200410009815.2的专利涉及了一种利用离子束外延生长设备制备氮化锆薄膜材料的方法。该发明提供一种利用离子束外延(IBE)生长设备制备氮化锆(ZrN)薄膜材料的方法。在具有质量分离功能与荷能离子沉积特点的双离子束外延生长设备上，选用纯度要求不高的氯化锆(ZrCl4)固体粉末和氮气(N2)分别作为产生同位素纯低能金属锆离子(Zr+)束和氮离子(N+)束的原材料，通过准确控制参与生长的两种同位素纯低能离子的交替沉积束流剂量与配比、离子能量、离子束斑形状及生长温度，在超高真空生长室内，实现了氮化锆(ZrN)薄膜的低成本高纯、正化学配比的优质生长与低温外延。本发明的生长工艺便于调控和优化，是一种经济实用的制备应用于半导体技术领域的氮化锆(ZrN)薄膜材料的方法。
申请号为201210128160.5的专利涉及了一种ZrCN纳米复合膜及其制备方法。该发明公开了一种ZrCN纳米复合膜，采用双靶射频反应溅射法以不锈钢为基底层制备得到，ZrCN纳米复合膜厚度为1～3微米，7.2at.％≤C≤11.9at.％，
(C+N)/Zr原子数小于1，C进入ZrN晶格间隙完全形成间隙固溶体，ZrCN纳米复合膜的硬度≥29GPa；或者13.2at.％≤C≤15.4at.％，(C+N)/Zr原子数大于1，C除了进入ZrN晶格间隙形成间隙固溶体外，多余的C形成非晶CN或C单质，ZrCN纳米复合膜的硬度≥18.5GPa。
申请号为200310118999.1的专利涉及了一种纳米双相复合结构Zr-Si-N扩散阻挡层材料及其制备工艺。该发明公开了一种纳米双相复合结构Zr-Si-N扩散阻挡层材料及其制备工艺。本发明的材料是由Zr片以及在Zr片上放置若干片尺寸为10mm×10mm×0.7mm的Si片组成的复合靶，在复合靶上沉积有厚度约为90-100nm的Zr-Si-N薄膜。本发明的制备工艺采用射频发应磁控溅射，靶材为Zr片和Si片组成的复合靶，在N2/Ar混合气体中沉积Zr-Si-N薄膜。该薄膜为ZrN和Si4N3组成的双相复合结构，晶界等缺陷密度显著降低，减少了Cu扩散的快速通道，在850℃仍可有效阻挡Cu向Si基体的扩散，是一种性能优良的扩散阻挡层。
然而，上述现有的涂层均为采用调质层多相化来强化薄膜的机械性能，并在硬度、抗氧化性能、沉积条件以及沉积效率等方面存在一定的不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：采用调质层多相化来强化薄膜的机械性能，其硬度、抗氧化性能、沉积条件以及沉积效率有所欠缺的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层，其特征在于，由ZrNiY复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的；所述基体为金属、硬质合金、陶瓷或单晶Si。
优选地，所述基体在磁控溅射反应前依次经抛光、超声波清洗、离子清洗处理。
优选地，所述ZrNiY复合靶材中，按原子数计算，其中Zr为80％，Ni和Y的总原子量为20％。
更优选地，所述ZrNiY复合靶材中，按原子数计算，其中Ni与Y的比为0：5、1：4、2：3、3：2、4：1或5：0。
优选地，进行所述磁控溅射反应的设备采用多靶磁控溅射仪，其工艺参数为：ZrNiY复合靶材的直径为75mm，Ar气流量为38sccm，N2气流量为5sccm，射频溅射功率为130W，反应时间为2h，靶基距为5cm，总气压为0.4Pa。
优选地，所述界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的厚度为2μm。
优选地，所述界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层中的晶化界面相与其包裹的纳米晶ZrN呈共格外延生长，涂层出现连续、结晶度良好的柱状晶。
优选地，所述界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层中晶化界面相由Ni和Y组成。
本发明还提供了上述界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)：首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用无水酒精、丙酮进行清洗；然后将基体装进真空室，抽真空，用中频对基体进行离子轰击，即进行离子清洗；
步骤2)：将基体置入多靶磁控溅射仪并停留在ZrNiY复合靶之前，通过磁控溅射反应沉积获得界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层。
优选地，所述步骤1)中超声波清洗机的工艺参数为：15～30kHz，10min；离子清洗的工艺参数为：抽真空6×10-4Pa，Ar气氛围，维持真空度在2-4Pa，清洗时间为30min，功率为80-100W。
本发明根据ZrYN纳米复合膜的变形机制，当ZrN晶粒尺寸足够小时，尤其小于10nm时，位错运动不再成为材料变形的微观机制，而材料变形主要取决于ZrN纳米晶粒沿晶界的滑移。本发明在ZrYN纳米复合膜中掺杂Ni元素，Ni元素既不溶于ZrN也不溶于界面相Y。Ni元素的加入使涂层的界面相进一步复杂化，使其转变为同时具有Y和Ni的多元界面层。界面相的多元化增加了涂层中各相之间的弹性模量差，也使得涂层中交变应力场增强。同时涂层中的晶化界面相Y和Ni与其包裹的纳米晶ZrN呈共格外延生长，阻碍了ZrN纳米晶粒沿晶界的滑移，因此抑制ZrNiYN纳米复合膜的微观变形，使ZrNiYN纳米复合膜进一步强化。因此本发明的一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层可用作为高速、干式切削的刀具涂层和其它领域的保护涂层。
本发明所得的界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层，其硬度可达24.9GPa-36.5GPa，可应用在干式、高速切削加工刀具以及在摩擦磨损条件服役的部件表面，从而提高刀具及部件表面性能和使用寿命。
附图说明
图1不同Ni/Y含量比的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层XRD图谱；
图2为不同比例的Zr20Ni4Y1N纳米复合共格外延涂层横截面HRTEM照片的对比图；其中，(a)低倍，(b)中倍，(c)高倍，(d)选区电子衍射图；
图3为ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的硬度和弹性模量随Ni/Y含量比变化的关系；
图4为不同Ni/Y含量比ZrNiYN纳米复合共格外延涂层微观结构变化的示意图；其中，(a)Ni/Y＝0:5，(b)1:4≤Ni/Y≤3:2，(c)Ni/Y＝4:1，(d)Ni/Y＝5:0。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明所用的制备、表征和测量仪器：
JGP-450型磁控溅射系统，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司；
D8 Advance型X射线衍射仪，德国Bruker公司；
NANO Indenter G200型纳米压痕仪，美国安捷伦科技公司；
Tecnai G2 20型高分辨透射电子显微镜，美国FEI公司；
Quanta FEG450型扫描电子显微镜，美国FEI公司。
实施例1
一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的制备方法，是采用多靶磁控溅射仪，由ZrNiY复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的；所述的基体为单晶Si。
采用Zr20Ni0Y5(80atom％:0atom％:20atom％)复合靶，直径为75mm；Ar气流量：38sccm，N2气流量：5sccm；
ZrYN层溅射功率射频130W，时间2h；
靶基距5cm，总气压范围0.4Pa。
经检测，得到的ZrYN层硬度为31.3GPa，弹性模量为314.0GPa。
实施例2
一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的制备方法，是采用多靶磁控溅射仪，由ZrNiY复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的；所述的基体为单晶Si。
采用Zr20Ni1Y4(80atom％:4atom％:16atom％)复合靶，直径为75mm；Ar气流量：38sccm，N2气流量：5sccm；
ZrNiYN层溅射功率射频130W，时间2h；
靶基距5cm，总气压范围0.4Pa。
经检测，得到的ZrNiYN层硬度为24.9GPa，弹性模量为312.2GPa。
实施例3
一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的制备方法，是采用多靶磁控溅射仪，由ZrNiY复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的；所述的基体为单晶Si。
采用Zr20Ni2Y3(80atom％:8atom％:12atom％)复合靶，直径为75mm；Ar气流量：38sccm，N2气流量：5sccm；
ZrNiYN层溅射功率射频130W，时间2h；
靶基距5cm，总气压范围0.4Pa。
经检测，得到的ZrNiYN层硬度为32.4GPa，弹性模量为334.1GPa。
实施例4
一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的制备方法，是采用多靶磁控溅射仪，由ZrNiY复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的；所述的基体为单晶Si。
采用Zr20Ni3Y2(80atom％:12atom％:8atom％)复合靶，直径为75mm；Ar气流量：38sccm，N2气流量：5sccm；
ZrNiYN层溅射功率射频130W，时间2h；
靶基距5cm，总气压范围0.4Pa。
经检测，得到的ZrNiYN层硬度为32.6GPa，弹性模量为352.3GPa。
实施例5
一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的制备方法，是采用多靶磁控溅射仪，由ZrNiY复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的；所述的基体为单晶Si。
采用Zr20Ni4Y1(80atom％:16atom％:4atom％)复合靶，直径为75mm；Ar气流量：38sccm，N2气流量：5sccm；
ZrNiYN层溅射功率射频130W，时间2h；
靶基距5cm，总气压范围0.4Pa。
经检测，得到的ZrNiYN层硬度为36.5GPa，弹性模量为397.7GPa。
实施例6
一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的制备方法，是采用多靶磁控溅射仪，由ZrNiY复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的；所述的基体为单晶Si。
采用Zr20Ni5Y0(80atom％:20atom％:0atom％)复合靶，直径为75mm；Ar气流量：38sccm，N2气流量：5sccm；
ZrNiN层溅射功率射频130W，时间2h；
靶基距5cm，总气压范围0.4Pa。
经检测，得到的ZrNiN层硬度为28.4GPa，弹性模量为282.8GPa。
Claims (8)
1.一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层，其特征在于，由ZrNiY复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的；所述基体为金属、硬质合金、陶瓷或单晶Si；所述ZrNiY复合靶材中，按原子数计算，其中Zr为80%，Ni和Y的总原子量为20%；所述ZrNiY复合靶材中，按原子数计算，其中Ni与Y的比为2：3~3：2；所述界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层中的晶化界面相与其包裹的纳米晶ZrN呈共格外延生长，涂层出现连续、结晶度良好的柱状晶。
2.如权利要求1所述的界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层，其特征在于，所述基体在磁控溅射反应前依次经抛光、超声波清洗、离子清洗处理。
3.如权利要求1所述的界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层，其特征在于，所述ZrNiY复合靶材中，按原子数计算，其中Ni与Y的比为2：3或3：2。
4.如权利要求1所述的界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层，其特征在于，进行所述磁控溅射反应的设备采用多靶磁控溅射仪，其工艺参数为：ZrNiY复合靶材的直径为75mm，Ar气流量为38sccm，N2气流量为5sccm，射频溅射功率为130W，反应时间为2h，靶基距为5cm，总气压为0.4Pa。
5.如权利要求1所述的界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层，其特征在于，所述界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的厚度为2μm。
6.如权利要求1所述的界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层，其特征在于，所述界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层中晶化界面相由Ni和Y组成。
7.权利要求1-6任意一项所述的界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1）：首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用无水酒精、丙酮进行清洗；然后将基体装进真空室，抽真空，用中频对基体进行离子轰击，即进行离子清洗；
步骤2）：将基体置入多靶磁控溅射仪并停留在ZrNiY复合靶之前，通过磁控溅射反应沉积获得界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层。
8.如权利要求7所述的界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中超声波清洗机的工艺参数为：15～30kHz，10min；离子清洗的工艺参数为：抽真空6×10-4Pa，Ar气氛围，维持真空度在2-4Pa，清洗时间为30min，功率为80-100W。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010578871.7A CN111575667B (zh) | 2020-06-23 | 2020-06-23 | 一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010578871.7A CN111575667B (zh) | 2020-06-23 | 2020-06-23 | 一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111575667A CN111575667A (zh) | 2020-08-25 |
| CN111575667B true CN111575667B (zh) | 2022-05-13 |
Family
ID=72120363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010578871.7A Active CN111575667B (zh) | 2020-06-23 | 2020-06-23 | 一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111575667B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115142013B (zh) * | 2022-06-07 | 2023-08-18 | 上海理工大学 | 一种基于共格外延强韧化氮氧锆/三氧化二钒纳米多层结构涂层及其制备方法 |
| CN115142014B (zh) * | 2022-06-07 | 2023-08-18 | 上海理工大学 | 一种高强韧氮氧锆/钇掺杂三氧化二钒纳米多层结构涂层及其制备方法 |
| CN115161608B (zh) * | 2022-07-06 | 2023-10-27 | 烟台大学 | 一种具有高疏水和自润滑的ZrYAgN纳米固溶薄膜的制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6600183B1 (en) * | 1997-07-01 | 2003-07-29 | Texas Instruments Incorporated | Integrated circuit capacitor and memory |
| CN101928916A (zh) * | 2010-09-06 | 2010-12-29 | 厦门大学 | 在硬质合金基体表面制备纳米结构氮钇锆硬质涂层的方法 |
| CN104002516A (zh) * | 2014-06-10 | 2014-08-27 | 上海理工大学 | 一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/MoS2多层涂层及其制备方法 |
| CN104087898A (zh) * | 2014-07-18 | 2014-10-08 | 上海理工大学 | 一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及制备方法 |
| CN108754415A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-11-06 | 广东工业大学 | 一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100360705C (zh) * | 2005-02-16 | 2008-01-09 | 吴大维 | 高耐氧化纳米晶-非晶结构的超硬复合膜刀具及其沉积方法 |
| CN102409302A (zh) * | 2010-09-23 | 2012-04-11 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 涂层、具有该涂层的被覆件及该被覆件的制备方法 |
| CN102443773A (zh) * | 2010-10-06 | 2012-05-09 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | 涂层、具有该涂层的被覆件及该被覆件的制造方法 |
| CN104789933B (zh) * | 2015-04-28 | 2017-06-20 | 重庆文理学院 | 一种纳米复合涂层及其沉积方法 |
-
2020
- 2020-06-23 CN CN202010578871.7A patent/CN111575667B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6600183B1 (en) * | 1997-07-01 | 2003-07-29 | Texas Instruments Incorporated | Integrated circuit capacitor and memory |
| CN101928916A (zh) * | 2010-09-06 | 2010-12-29 | 厦门大学 | 在硬质合金基体表面制备纳米结构氮钇锆硬质涂层的方法 |
| CN104002516A (zh) * | 2014-06-10 | 2014-08-27 | 上海理工大学 | 一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/MoS2多层涂层及其制备方法 |
| CN104087898A (zh) * | 2014-07-18 | 2014-10-08 | 上海理工大学 | 一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及制备方法 |
| CN108754415A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-11-06 | 广东工业大学 | 一种周期性多层纳米结构AlTiN/AlCrSiN硬质涂层及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| "11年磨一剑，上理工突破超硬纳米复合涂层关键技术";上观;《http://export.shobserver.con/baijiahao/html/410484.html》;20201003;第1-6页 * |
| "PVD 纳米涂层致硬机理研究现状及发展";吴雁等;《表面技术》;20200311;第90-98页 * |
| "含过渡金属氮化物的纳米多层薄膜增韧的研究进展";周超等;《有色金属材料与工程》;20210615;第42卷(第3期);第48-60页 * |
| Hideto Yanagisawa et al.."Epitaxial growth of (1 1 1)ZrN thin films on(111)Si substrate by reactive sputtering and their surface morphologies".《Crystal Growth》.2006,第80-86页. * |
| J.Musil et al.."Hard nanocomposite Zr]Y]N coatings, correlation between hardness and structure".《Surface and Coatings Technology》.2000,第99-106页. * |
| RuitengLi et al.."Epitaxial growthof(111)-orientedZrxT1xN thin films on c-plane Al2O3 substrates".《Crystal Growth》.2014,第1-8页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111575667A (zh) | 2020-08-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111575667B (zh) | 一种界面相为双金属的ZrNiYN纳米复合共格外延涂层及其制备方法 | |
| JP4704950B2 (ja) | 非晶質炭素系硬質多層膜及びこの膜を表面に備えた硬質表面部材 | |
| EP1448804B1 (en) | METHOD OF SYNTHESIZING A COMPOUND OF THE FORMULA M sb n+1 /sb AX sb n /sb , FILM OF THE COMPOUND AND ITS USE | |
| JP5695721B2 (ja) | 摺動性に優れる硬質皮膜の形成方法 | |
| Lamni et al. | Microstructure and nanohardness properties of Zr–Al–N and Zr–Cr–N thin films | |
| CN106835037A (zh) | 一种高硬度、高弹性模量的多组元氮化物涂层及其制备方法 | |
| CN108677144A (zh) | 一种制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法 | |
| Gaydaychuk et al. | Influence of Al-Si-N interlayer on residual stress of CVD diamond coatings | |
| CN105543803A (zh) | 一种硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层及制备方法 | |
| Liu et al. | Effects of nitrogen-argon flow ratio on the microstructural and mechanical properties of TiAlSiN/CrN multilayer coatings prepared using high power impulse magnetron sputtering | |
| JP3214891B2 (ja) | ダイヤモンド類被覆部材 | |
| Collazo-Davila et al. | Formation of BN nanoarches: Possibly the key to cubic boron nitride film growth | |
| EP0549801A1 (en) | Diamond-covered member and production thereof | |
| JP3353239B2 (ja) | ダイヤモンド類被覆部材の製造方法 | |
| CN113564526A (zh) | 一种复合涂层薄膜及其制备方法和应用 | |
| CN113106390A (zh) | 一种多元氮化物医疗器械保护性涂层及其制备方法 | |
| Jiang et al. | Effect of nitrogen pressure on the fabrication of AlCrFeCoNiCu0. 5 high entropy nitride thin films via cathodic arc deposition | |
| CN113046719B (zh) | 确定二维材料生长合金催化剂中金属原子最佳配比的方法 | |
| JP3491288B2 (ja) | 窒化ホウ素含有膜被覆基体とその製造方法 | |
| Onoprienko et al. | Influence of Nitrogen on the Microstructure, Hardness, and Tribological Properties of Cr–Ni–B–C–N Films Deposited by DC Magnetron Sputtering | |
| CN115142013B (zh) | 一种基于共格外延强韧化氮氧锆/三氧化二钒纳米多层结构涂层及其制备方法 | |
| Guo et al. | Transmission electron microscopy microstructural characterization of Ti–Si–C–N coatings | |
| CN111304618B (zh) | 一种纳米复合涂层及其制备方法 | |
| JPH05209276A (ja) | ダイヤモンド被覆部材の製造方法 | |
| JPH05320870A (ja) | 窒化ホウ素含有膜被覆基体とその製造方法 |
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 | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240103 Address after: No. 9 Jiangnan Road, Dongshan Street, Jiangning District, Nanjing City, Jiangsu Province, 211100 Patentee after: Weng Senqi Address before: 200093 No. 516, military road, Shanghai, Yangpu District Patentee before: University of Shanghai for Science and Technology |