CN112410728B - 高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺 - Google Patents
高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112410728B CN112410728B CN202011474101.4A CN202011474101A CN112410728B CN 112410728 B CN112410728 B CN 112410728B CN 202011474101 A CN202011474101 A CN 202011474101A CN 112410728 B CN112410728 B CN 112410728B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- crb
- coating
- target
- pulse
- power supply
- 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 106
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 101
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 22
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 14
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 13
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 12
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 abstract description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 abstract description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 95
- UHPOHYZTPBGPKO-UHFFFAOYSA-N bis(boranylidyne)chromium Chemical compound B#[Cr]#B UHPOHYZTPBGPKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 54
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 2
- 230000001680 brushing effect Effects 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 239000010963 304 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 1
- 229910000589 SAE 304 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000013077 scoring method Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000012876 topography 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
- C23C14/06—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
- C23C14/0021—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
- C23C14/024—Deposition of sublayers, e.g. to promote adhesion of the coating
-
- 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
- C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
Abstract
本发明公开了一种高Cr含量CrB2‑Cr涂层的制备工艺，属于涂层制备技术领域。采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术在金属或硬质合金基体上制备CrB2‑Cr纳米复合涂层。为了更好的控制涂层中Cr元素的含量，靶材同时选用CrB2靶和两个金属Cr靶，对基材表面分别进行辉光放电清洗和离子轰击清洗后沉积金属Cr过渡层，最后同时开启Cr靶和CrB2靶，沉积CrB2‑Cr涂层，镀膜过程始终在氩气气氛内进行。本发明工艺简单，重复性好；制备出的CrB2‑Cr涂层中Cr元素含量显著增加，涂层具有较高的硬度和熔点、优异的高温热稳定性以及耐腐蚀性能，其韧性也得到了一定改善，而且涂层组织结构致密，与基体间的结合力强。
Description
技术领域
本发明涉及涂层制备技术领域，具体涉及一种高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺。
背景技术
随着航空航天、国防军工等行业迅速发展，对难切削材料/件的需求逐渐增多,如钛合金、高温合金和复合材料等，在对它们高效加工时，传统的刀具涂层由于耐热能力差、硬度低等缺点已经难以满足苛刻工况的要求。二硼化铬(CrB2)涂层具有高熔点、高硬度、高耐磨性和耐蚀性，以及良好的化学惰性有望满足上述材料的特殊加工要求。但由于CrB2涂层脆性较高，作为刀具涂层在切削过程中容易发生碎裂，这限制了CrB2涂层在切削刀具表面的推广应用，急需进一步改善其韧性。目前，CrB2涂层的制备方法主要有CVD法、涂刷法、等离子喷涂法等，其中CVD法存在沉积温度过高且污染环境等问题，等离子喷涂法存在的问题是CrB2熔点高，不易形成铺展，因此需要添加SiC辅助。涂刷法制备的涂层与基体结合力差，导致热震性能下降，烧结温度高，因此也需要引入SiC作为烧结助剂。虽然引入SiC的涂层能在一定温度范围内为基体材料提供良好的抗烧蚀保护，但涂层在更高温度下的抗烧蚀性能受到了限制。因此为了获得优良的涂层性能，有必要对涂层成分及结构、涂层制备工艺进行改进，研发具有良好韧性的高Cr含量、高弹性模量的CrB2-Cr涂层及其制备工艺。另外，元素Cr具有良好的抗腐蚀性能，故CrB2-Cr涂层可适用于各种极端环境下的复杂工况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺，所制备涂层Cr元素含量增加，提高了涂层增韧，同时涂层具有良好的耐磨和耐热性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺，该CrB2-Cr涂层制备于金属或陶瓷材料基体上，基体与涂层之间制备有Cr过渡层；该CrB2-Cr涂层是采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合技术在金属或陶瓷材料基体上沉积制备，制备工艺过程为：首先利用高功率脉冲技术溅射Cr靶Ⅰ，对基体表面进行离子轰击清洗后沉积Cr过渡层；再采用脉冲直流技术溅射Cr靶Ⅱ，同时使用高功率脉冲技术溅射CrB2靶材，在氩气气氛内沉积CrB2-Cr涂层。
该工艺包括如下步骤：
(1)将基体固定于真空室内旋转架上，Cr靶Ⅰ连接高功率脉冲磁控溅射电源，Cr靶Ⅱ连接脉冲直流磁控溅射电源，CrB2靶连接高功率脉冲磁控溅射电源；
(2)先对基体进行辉光放电清洗，去除表面杂质；然后开启连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲电源，进行离子轰击清洗，以提高膜/基结合力；
(3)沉积Cr过渡层：离子轰击清洗后，保持连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲电源开通，降低偏压至-50～-100V，沉积金属Cr过渡层5～20min，靶基距保持80～120mm，沉积温度300～500℃；沉积完Cr过渡层后，关闭连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲磁控溅射电源；
(4)沉积CrB2-Cr涂层：开通连接Cr靶Ⅱ的脉冲直流电源，输出功率为0.05～0.3kW，靶电流约0.2～0.8A，占空比60～80％，控制金属Cr靶Ⅱ起辉；同时开通连接CrB2靶的高功率脉冲电源，平均输出功率0.8～1.5kW，控制CrB2靶起辉，靶电流为20-30A，开始沉积CrB2-Cr涂层，靶基距保持80～120mm不变，工作压力为3.0～6.0×10-1Pa，基体偏压为-50～-100V；沉积时间根据涂层厚度要求确定。
步骤(2)中，所述辉光放电清洗过程为：将真空室的本底真空抽至1.0～3.0×10- 3Pa，然后向真空室内通入氩气对基体表面进行辉光放电清洗，压强升至1.0～2.0Pa，加-600～-1000V直流偏压，放电清洗时间为5～20min。
步骤(2)中，所述离子轰击清洗的过程为：辉光放电清洗后，开通连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲电源，平均输出功率0.8～1.5kW，工作压强为3.0～6.0×10-1Pa，控制金属Cr靶Ⅰ起辉，靶电流20～30A，进行离子轰击清洗5～10min。
所制备的CrB2-Cr涂层为纳米复合结构，是由不同取向的CrB2与Cr2B纳米晶和非晶相组成，形成非晶层包裹CrB2和Cr2B纳米晶的复合结构，其中CrB2晶粒沿(101)晶面生长，Cr2B晶粒沿(022)晶面生长。
所述CrB2-Cr涂层硬度为15-35GPa。
所述涂层中Cr含量为30-50at.％。
本发明的设计机理如下：
本发明采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合技术在金属或陶瓷基体上沉积CrB2-Cr纳米复合涂层，为提高涂层与基体间的结合强度，在沉积涂层之前，先利用高功率脉冲磁控溅射技术离子轰击清洗基体，再沉积约100-300nm厚金属Cr过渡层，起缓冲内应力作用。由于金属或合金基体与CrB2涂层的热膨胀系数差异较大，当镀膜结束冷却到室温后，常引入较大的热应力，金属Cr过渡层可使内应力呈梯度分布，从而改善涂层与基体间的结合，避免局部应力过大导致涂层剥落。最后，在氩气气氛中，利用脉冲直流磁控溅射技术和高功率脉冲磁控溅射技术分别溅射Cr单质靶和CrB2化合物靶，沉积CrB2-Cr纳米复合涂层，即非晶层包裹CrB2和Cr2B纳米晶的复合结构，从而改善涂层韧性，实现“既硬又韧”。
本发明采用高功率脉冲磁控溅射与脉冲直流磁控溅射复合技术进行镀膜，脉冲直流电源引入磁控溅射镀膜系统后许多溅射中经常出现的问题被克服，硼化物薄膜沉积速率接近纯金属靶材的金属溅射模式。周期性的脉冲电压变化实现了阴极靶表面集聚电荷的周期性清洗，可以长期稳定地沉积化合物涂层以及绝缘涂层。高功率脉冲放电导致靶材离化率的提高以及高能粒子数量的增加，到达基体表面的金属离子比例高达92％，基体表面经高能离子轰击后，产生清洁的活化界面并促进基体表面局部的外延生长，增强涂层与基体的结合强度；也增加了基体表面吸附原子的能力，形成结构更加致密的涂层。另外，通过控制涂层内Cr元素含量，形成纳米复合结构，实现涂层增韧与强化。
本发明优点如下：
1.本发明研制的CrB2-Cr涂层化学性能稳定，不易与常见的化学物质发生腐蚀反应，尤其是涂层内Cr元素含量的增加，极大提高了涂层的耐腐蚀性能；同时，由于Cr原子数量增多，形成的非晶相可抑制微裂纹的扩展与传播，消耗裂纹尖端能量，达到增韧的效果。
2.本发明研制的CrB2-Cr纳米复合涂层具有良好的耐热能力和耐磨性能，并且具有良好的力学性能，如硬度高、弹性模量大。
3.本发明研制的CrB2-Cr纳米复合涂层厚度均匀，且结构致密，无孔洞和大颗粒等缺陷，与基体具有良好的结合强度。
4.本发明研制的CrB2-Cr纳米复合涂层热稳定性和抗热冲击性能良好。
5.本发明研制的CrB2-Cr纳米复合涂层制备工艺简单、且重复性好。
附图说明
图1为采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术制备的CrB2-Cr涂层的表面形貌。
图2为采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术制备的CrB2-Cr涂层的断面形貌。
图3为采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术制备的CrB2-Cr涂层中Cr含量随着Cr靶溅射功率的变化。
图4为采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术制备的CrB2-Cr涂层的XRD图谱。
图5为采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术制备的CrB2-Cr涂层的表面硬度测试结果。
图6为采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术制备的CrB2-Cr涂层的划痕形貌。
图7为采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术制备的具有不同Cr含量的CrB2-Cr涂层的XRD图谱。
具体实施方式
下面将结合具体实施案例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例为在已镜面抛光的单晶Si片((100)取向)上沉积CrB2-Cr涂层。靶材共三个，CrB2靶一个，Cr靶两个(Cr靶Ⅰ和Cr靶Ⅱ)。先将Si片固定于真空室内旋转架上，Cr靶Ⅰ连接高功率脉冲磁控溅射电源，Cr靶Ⅱ连接脉冲直流电源，CrB2靶连接高功率脉冲磁控溅射电源。
基片放入真空室前先分别在丙酮和酒精溶液中各超声清洗20分钟，然后用高纯氮气吹干，再正对靶材固定于真空室内旋转架上。镀膜过程在V-TECH AS610型高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射镀膜机上进行，阴极靶材选用两个金属Cr靶和一个CrB2靶(纯度均为99.9％)；Cr靶Ⅰ连接高功率脉冲磁控溅射电源，用于基体表面的离子轰击清洗和沉积Cr过渡层；Cr靶Ⅱ连接脉冲直流磁控溅射电源用于CrB2-Cr涂层的沉积，CrB2靶仅用于CrB2-Cr涂层的沉积，整个镀膜过程均在氩气气氛内进行。
先将真空室的本底真空抽至2.5×10-3Pa，然后在真空室内通入氩气对试样表面进行辉光放电清洗，压强升至1.1Pa，加-780V直流偏压，放电清洗时间15min；之后开启连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲磁控溅射电源，平均输出功率为0.8kW，工作压力为4.0×10-1Pa，控制金属Cr靶Ⅰ起辉，靶电流约22A，再轰击清洗6min；之后降低偏压至-50V，先沉积金属Cr过渡层10min，靶基距保持为100mm，沉积温度200℃；过渡层沉积结束后，关闭连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲磁控溅射电源。
开启连接Cr靶Ⅱ的脉冲直流磁控溅射电源，输出功率为0.05kW，靶电流约0.22A，占空比为60％，控制金属Cr靶Ⅱ起辉，同时开启连接CrB2靶的高功率脉冲磁控溅射电源，平均输出功率为1.0kW，控制CrB2靶起辉，靶电流约26A，开始沉积CrB2-Cr涂层，靶基距均保持为100mm，工作压强为4.0×10-1Pa，基体偏压为-50V；沉积时间180min。
图1、图2分别为CrB2-Cr涂层的表面与断面形貌，从图1可以看出，采用本发明工艺制备的CrB2-Cr涂层表面光滑致密，无颗粒缺陷，也无孔洞；由图2可看出，本发明工艺制备的CrB2-Cr涂层组织致密均匀，断面呈微小的柱状晶，涂层、过渡层、基体之间结合良好。
由图3可以看出，本实施例制备的CrB2-Cr涂层中Cr含量约为32at.％。
图4为采用本发明工艺的制备的CrB2-Cr涂层的XRD衍射图谱，可见利用该工艺制备的涂层主要由不同取向的CrB2和Cr2B晶粒及少量非晶相组成，其中CrB2晶粒沿(101)晶面生长，Cr2B晶粒沿(022)晶面生长。
实施例2
本实施例为在镜面抛光的AISI 304不锈钢基片(Cr-18.5，Ni-9.4，Mn-0.8，Si-0.4，P-0.1，Fe余量，均为重量百分比)上沉积CrB2-Cr涂层。基片先经金相砂纸研磨、抛光后，再分别用丙酮和酒精超声清洗，吹干后正对靶材固定于真空室内试样架上。涂层沉积过程及沉积参数同实施例1。
利用纳米压痕仪，采用连续刚度法测试沉积在不锈钢基体上的CrB2-Cr涂层的纳米硬度，测试结果见图5，涂层硬度范围为15.9-19.9GPa，18个点测量的平均值为17.6GPa，涂层硬度较高。涂层与基体的结合强度采用划痕法进行测试，金刚石划头的针尖半径为200μm，法向载荷以1N/s的速率由0.01逐渐增加到100N，划痕长度为15mm，测试速度为0.2mm/s。经过5次测试，CrB2-Cr涂层与基体间临界载荷平均值为46.9N。图6为划痕测试后CrB2-Cr涂层的典型划痕形貌，图中箭头标出了涂层完全从基体上剥离的位置。
实施例3：
与实施例1不同之处在于：将Cr靶Ⅱ溅射功率分别调整为0kW、0.05kW、0.1kW、0.15kW、0.2kW，其它过程均与实施例1相同。
所制备的各涂层的XRD衍射图谱如图7所示，涂层中Cr含量分别为25.0at.％、31.8at.％、39.5at.％、42.5at.％和44.4at.％(图3)。可以看出，当Cr靶Ⅱ溅射功率＞0.05kW时，即随着涂层中Cr含量增多，CrB2衍射峰逐渐消失，Cr2B衍射峰逐渐增强，涂层中以Cr2B相为主，并伴随有少量非晶相。
Claims (3)
1.一种高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺，其特征在于：该CrB2-Cr涂层制备于金属或陶瓷材料基体上，基体与涂层之间制备有Cr过渡层；所述CrB2-Cr涂层为纳米复合结构，是由不同取向的CrB2与Cr2B纳米晶和非晶相组成，形成非晶层包裹CrB2和Cr2B纳米晶的复合结构，其中CrB2晶粒沿（101）晶面生长，Cr2B晶粒沿（022）晶面生长；所述CrB2-Cr涂层中Cr含量为30-50 at.%；
该CrB2-Cr涂层是采用高功率脉冲磁控溅射和脉冲直流磁控溅射复合技术在金属或陶瓷材料基体上沉积制备，制备工艺过程为：首先利用高功率脉冲技术溅射Cr靶Ⅰ，对基体表面进行离子轰击清洗后沉积Cr过渡层；再采用脉冲直流技术溅射Cr靶Ⅱ，同时使用高功率脉冲技术溅射CrB2靶材，在氩气气氛内沉积CrB2-Cr涂层；该工艺包括如下步骤：
（1）将基体固定于真空室内旋转架上，Cr靶Ⅰ连接高功率脉冲磁控溅射电源， Cr靶Ⅱ连接脉冲直流磁控溅射电源，CrB2靶连接高功率脉冲磁控溅射电源；
（2）先对基体进行辉光放电清洗，去除表面杂质；然后开启连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲电源，进行离子轰击清洗，以提高膜/基结合力；所述离子轰击清洗的过程为：辉光放电清洗后，开通连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲电源，平均输出功率0.8~1.5kW，工作压强为0.3~0.6Pa，控制金属Cr靶Ⅰ起辉，靶电流20~30A，进行离子轰击清洗5~10min；
（3）沉积Cr过渡层：离子轰击清洗后，保持连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲电源开通，降低偏压至-50~-100V，沉积金属Cr过渡层5~20min，靶基距保持80~120mm，沉积温度300~500℃；沉积完Cr过渡层后，关闭连接Cr靶Ⅰ的高功率脉冲磁控溅射电源；
（4）沉积CrB2-Cr涂层：开通连接Cr靶Ⅱ的脉冲直流电源，输出功率为0.05~0.3kW，靶电流0.2~0.8A，占空比60~80%，控制金属Cr靶Ⅱ起辉；同时开通连接CrB2靶的高功率脉冲电源，平均输出功率0.8~1.5kW，控制CrB2靶起辉，靶电流为20-30A，开始沉积CrB2-Cr涂层，靶基距保持80~120mm不变，工作压力为0.30~0.60Pa，基体偏压为-50~-100V；沉积时间根据涂层厚度要求确定。
2.根据权利要求1所述的高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺，其特征在于：步骤（2）中，所述辉光放电清洗过程为：将真空室的本底真空抽至(1.0~3.0)×10-3Pa，然后向真空室内通入氩气对基体表面进行辉光放电清洗，压强升至1.0~2.0Pa，加-600~-1000V直流偏压，放电清洗时间为5~20min。
3.根据权利要求1所述的高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺，其特征在于：所述CrB2-Cr涂层硬度为15-35GPa。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011474101.4A CN112410728B (zh) | 2020-12-14 | 2020-12-14 | 高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011474101.4A CN112410728B (zh) | 2020-12-14 | 2020-12-14 | 高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112410728A CN112410728A (zh) | 2021-02-26 |
| CN112410728B true CN112410728B (zh) | 2023-05-02 |
Family
ID=74775170
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011474101.4A Active CN112410728B (zh) | 2020-12-14 | 2020-12-14 | 高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112410728B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113174571B (zh) * | 2021-04-08 | 2022-08-30 | 广东工业大学 | 一种超微晶二硼化钛复合涂层及其制备方法和应用 |
| CN114351087B (zh) * | 2021-12-15 | 2023-03-17 | 核工业西南物理研究院 | 一种CrAlVSiN涂层的制备方法 |
| CN114574802A (zh) * | 2022-03-15 | 2022-06-03 | 西安交通大学 | 一种新型碳化铬涂层及其制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107313018A (zh) * | 2017-07-06 | 2017-11-03 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 不锈钢基材表面的具有高硬耐蚀性的CrB2涂层及其制备方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103668095B (zh) * | 2013-12-26 | 2015-12-02 | 广东工业大学 | 一种高功率脉冲等离子体增强复合磁控溅射沉积装置及其使用方法 |
| CN104195508B (zh) * | 2014-09-15 | 2016-10-26 | 佳木斯大学 | 不锈钢手术器械表面制备Cr/CrN/Cu-TiN薄膜的方法 |
| KR102211399B1 (ko) * | 2019-05-22 | 2021-02-03 | 주식회사 도루코 | 면도날 및 면도날 제조방법 |
| CN110938803A (zh) * | 2019-12-09 | 2020-03-31 | 华南理工大学 | 一种制备Ti-Mo-N润滑涂层的镀膜处理方法 |
-
2020
- 2020-12-14 CN CN202011474101.4A patent/CN112410728B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107313018A (zh) * | 2017-07-06 | 2017-11-03 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 不锈钢基材表面的具有高硬耐蚀性的CrB2涂层及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112410728A (zh) | 2021-02-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112410728B (zh) | 高Cr含量CrB2-Cr涂层的制备工艺 | |
| CN111005002B (zh) | 一种压气机叶片耐冲蚀防腐蚀自洁涂层的制备方法 | |
| CN107130222A (zh) | 高功率脉冲磁控溅射CrAlSiN纳米复合涂层及其制备方法 | |
| CN109402564B (zh) | 一种AlCrSiN和AlCrSiON双层纳米复合涂层及其制备方法 | |
| CN111349901B (zh) | 一种切削刀具用耐高温氧化铝厚膜涂层的制备方法 | |
| 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 | |
| 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 | |
| CN111155064A (zh) | 高功率脉冲磁控溅射制备TiAlSiN复合涂层的方法 | |
| CN110670038A (zh) | 具有自润滑和耐磨性能的AlCrN/MoS2纳米复合薄膜及其制备方法 | |
| CN101994077A (zh) | 一种耐高温氧化金属间化合物涂层及其制备方法 | |
| CN101294284A (zh) | 一种耐冲蚀抗疲劳等离子表面复合强化方法 | |
| CN114196914B (zh) | 一种碳化物高熵陶瓷材料、碳化物陶瓷层及其制备方法和应用 | |
| KR20100034013A (ko) | 다층 금속 산화물 코팅을 구비한 공구 및 코팅된 공구의 제조 방법 | |
| CN105463391A (zh) | 一种纳米晶ZrB2超硬涂层及制备方法 | |
| CN112391593B (zh) | 一种高Cr含量、韧性好的CrB2-Cr涂层及其制备工艺 | |
| Song et al. | The adhesion strength and mechanical properties of SiC films deposited on SiAlON buffer layer by magnetron sputtering | |
| CN111304612B (zh) | 具有高硬度和高抗氧化性能的CrAlN/AlN纳米多层涂层及其制备方法 | |
| CN114351087B (zh) | 一种CrAlVSiN涂层的制备方法 | |
| CN109252137B (zh) | 锆合金表面涂层的制备方法 | |
| CN114086117B (zh) | 一种抗固体颗粒冲蚀的防护涂层及其制备方法 | |
| CN111647859B (zh) | 一种还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺 | |
| CN113174571B (zh) | 一种超微晶二硼化钛复合涂层及其制备方法和应用 | |
| CN112941463B (zh) | 一种纳米多层氧氮化物耐蚀防护涂层及其制备方法和应用 | |
| CN114672777A (zh) | 一种抗氧化Cr/CrAl纳米多层涂层及其制备方法 | |
| CN111471973A (zh) | 一种还原性气氛中制备Zr-B-N纳米复合涂层的工艺 |
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 | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20210226 Assignee: JUSTEK VEHICLE CO.,LTD. Assignor: TIANJIN University OF TECHNOLOGY AND EDUCATION (CHINA VOCATIONAL TRAINING INSTRUCTOR TRAINING CENTER) Contract record no.: X2024980003451 Denomination of invention: Preparation process of high Cr content CrB2- Cr coating Granted publication date: 20230502 License type: Common License Record date: 20240325 |