一种TiB2/AlTiN复合涂层及其制备方法与应用与流程

本发明属于表面防护相关涂层材料技术领域，更具体地，涉及一种tib2/altin复合涂层及其制备方法与应用。

背景技术：

随着社会的发展和工业技术的进步，工业领域对材料的性能提出了越来越高的要求，在很多工程应用场合要求材料具有优异的综合性能；不仅要求其具有高的硬度、耐腐蚀性能，还要求其具有低的摩擦系数、良好的高温稳定性等。为满足日益复杂多样的工程需求，在材料表面涂覆一层硬质涂层，以提高材料的综合性能的保护性涂层应运而生。硬质涂层能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命。硬质涂层是提高材料表面性能的一种经济实用的手段，目前在机械加工，特别是在金属切削中占有重要的地位。其发展适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，引起了刀具材料和性能的巨变，可被广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。

二硼化钛(tib2)作为过渡族金属硼化物，具有高硬度、高熔点、高的耐磨性和耐腐蚀性、良好的电导率和热导率、化学稳定性优良等一系列优异的理化性能，是一种具有优良的结构性能和功能性能的先进陶瓷材料。然而由于tib2涂层韧性较差、抗高温氧化性能不够理想，限制了其在刀具切削领域的应用。因此，如何在保持tib2优异性能的同时，降低其残余应力和热导率，提高其抗冲击韧性，获得硬度高、韧性好、附着力强、纵向热导率低等综合性能优的tib2涂层是一个重要的科学问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种tib2/altin复合涂层，该复合涂层具有高硬度、高耐摩擦性能、低应力、良好韧性和抗高温氧化性能及各向异性热导率等综合特性优异。

本发明的另一目的是提供一种上述tib2/altin复合涂层的制备方法。

本发明的再一目的是提供上述tib2/altin复合涂层的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种tib2/altin复合涂层，所述tib2/altin复合涂层是以tib2陶瓷靶和alti溅射靶为原料，通过多靶磁控溅射在基体上溅射沉积形成交替的tib2层和altin层。

优选地，所述基体为单晶硅片、玻璃、高速钢或硬质合金。

优选地，所述tib2/altin复合涂层的层数为10～100层，所述altin层和tib2层的调制周期厚度为0.1～1μm。

上述tib2/altin复合涂层的制备方法，包括如下具体步骤：

s1.清洗基体：将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇以15～30khz分别进行超声清洗10～20min，然后用去离子水漂洗，再用纯度≥99.5％的普氮吹干；

s2.抽真空和离子束刻蚀清洗镀膜腔体：将超声清洗后的基体置于真空室的工件支架上，抽至真空度5.0×10^-3～8.0×10^-4pa，随后开启离子源，向离子源通入80～100sccm氩气，设置离子源的功率为0.9kw，设置工件支架的偏压为-300～-500v，刻蚀清洗过程持续20～30min；

s3.离子束刻蚀基体：将基体至于离子源前方，设置偏压为-300～-500v，工作时间为15～20min；

s4.沉积tib2/altin多层涂层：将靶材alti靶和tib2靶安装进设备，采用磁控溅射的方法，通入氩气80～100sccm，控制真空室气压0.56～0.7pa，开启tib2靶电源并设置电源参数、基体和支架参数，起辉，进行预溅射后开始溅射沉积tib2层，10～60min后关闭tib2靶电源，停止通入氩气，改为通入氮气80～100sccm，控制真空室气压0.56～0.7pa，开启alti靶电源并设置电源参数开始溅射沉积altin层，沉积时间为10～60min，如此反复交替沉积，沉积时间控制在3小时，沉积结束关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成的涂层，即为tib2/altin复合涂层。

优选地，步骤s1中所述基体为单晶硅片、玻璃、高速钢或硬质合金。

优选地，步骤s4中所述基体和支架参数为：基体偏压-100～-300v，支架自转2～3rpm/min，公转2～5rpm/min，设置沉积温度300℃；所述电源参数为：频率80khz、功率3～4kw。

优选地，步骤s4中所述靶材与基体的距离为6～10cm。

优选地，步骤s4中所述交替沉积的次数为5～50次。

上述tib2/altin复合涂层在金属机械零部件、精密模具、精密传动机械设备、轴承、电子产品、装饰产品、刀模具及材料的表面防护领域中的应用。

本发明的原理：本发明方法形成交替多层是通过支架旋转以及交替打开关闭tib2靶和alti靶电源实现的，当样品正对着tib2陶瓷靶时，基体沉积一层tib2陶瓷层；正对着柱状alti靶时，沉积一层altin层；旋转速度快慢决定了每层tib2陶瓷层和altin层的厚度。altin涂层具有良好的抗磨损、抗氧化性能及低的热导率。这是由于altin热导率低，tib2热导率高，交替多层后可实现横向高热导率纵向低热导率，altin涂层优良的抗氧化性能可归功于高温时涂层表面的部分al氧化后，在切屑/刀具界面形成al2o3薄膜，同时形成的al2o3可是把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明制备的层结构的tib2/altin复合涂层，在传统的单层tib2涂层中引入具有良好抗高温氧化性能和韧性的altin，通过对衬底支架旋转速度的控制，形成tib2陶瓷层与altin层周期性交替多层结构，在降低残余应力，增强涂层韧性的同时，增强涂层的柔韧性和附着力，改善涂层抗摩擦磨损性能和热稳定性能，使得涂层更适用于更苛刻的应用环境，如机械零部件、刀模具等产品表面的防护。

2.本发明通过改变涂层中的tib2陶瓷层和altin层的单层膜厚和涂层周期，调节涂层的显微结构、显微硬度性能，以适应不同的加工对象和切削条件。操作方便，工艺简单，制备周期短，成本低，便于大规模工业化生产。

3.本发明制备层结构的tib2/altin复合涂层，其具有纵向低热导率、横向高热导率的各向异性热导功能，良好的抗磨损和抗高温氧化性能；此外，多层结构设计可提高涂层与基体的结合力、涂层界面韧性和抗裂纹扩展能力，同时降低了脆性，提高了柔韧性和承载力，有利于合成更厚的适合于实际应用的表面强化涂层系统。

附图说明

图1为本发明设计tib2/altin多层结构涂层的显微结构示意图。

图2为实施例1中的tib2/altin多层结构涂层的摩擦系数。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

1.清洗基体：将经抛光处理后的wc-co硬质合金基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇以30khz分别进行超声清洗10min，然后用去离子水清洗，再用纯度≥99.5％的氮气吹干。

2.抽真空和离子束刻蚀清洗腔体及基体：离子镀膜机安装tib2平面靶和alti柱状靶，用高功率吸尘器清洗镀膜室。将超声清洗后的基体置于真空室的工件支架上，抽至真空度5.0×10^-3pa以下，随后开启离子源，向离子源通入80sccm氩气，设置离子源功率0.9kw，设置工件支架偏压-300v，此刻蚀清洗过程持续20min。

3.离子束刻蚀基体：转动转架，将基体至于离子源前方，设置偏压-500v，工作时间为20min。

4.沉积tib2/altin多层涂层：将靶材alti靶和tib2靶安装进设备，靶材与基体的距离为6cm，采用磁控溅射的方法，通入氩气80sccm，控制真空室气压0.6pa，采用磁控溅射的方法，开启tib2靶电源并设置电源参数：频率80khz、功率4kw；设置基体和支架参数为：基体偏压-300v，支架自转2rpm/min，公转5rpm/min，设置沉积温度300℃。起辉，进行预溅射后开始溅射沉积tib2层，10min后关闭tib2靶电源，停止通入氩气，改为通入氮气80sccm，控制真空室气压0.6pa，开启alti靶电源并设置电源参数：频率80khz、功率4kw；基体和支架参数不变，开始溅射沉积altin层，沉积时间为10min。在3小时内如此反复交替沉积50次，沉积结束，关闭电源，待真空室温度降至室温，往真空室充大气，打开真空室取出样品，在wc-co硬质合金基体表面上制备出tib2/altin复合涂层。

图1为本发明设计tib2/altin多层结构涂层的显微结构示意图。在实施例1中所形成的tib2/altin复合涂层中，altin层与tib2陶瓷层相互叠加而形成多层结构，其中tib2/altin涂层中altin层与tib2陶瓷层的层数为30层，每层altin层的厚度为60nm，每层tib2层的厚度为50nm。

经过残余应力、纳米压痕测试，摩擦测试，以及高温退火测试，所制备的纳米层状结构的tib2/altin涂层的残余应力为0.6gpa，硬度为32gpa，摩擦系数为0.53，同时涂层表现出优异的柔韧性和热稳定性。图2为实施例1中的tib2/altin多层结构涂层的摩擦系数。其中，横坐标为测试圈数，纵坐标是摩擦系数，从图2中可知，tib2/altin多层结构涂层具有低的摩擦系数。

实施例2

1.清洗基体：将经抛光处理后的(100)取向的单晶硅基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇以30khz分别进行超声清洗10min，然后用去离子水漂洗，再用纯度≥99.5％的氮气吹干。

2.抽真空和离子束刻蚀清洗腔体及基体：离子镀膜机安装tib2平面靶和alti柱状靶，用高功率吸尘器清洗镀膜室。将超声清洗后的基体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，随后开启离子源，向离子源通入80sccm氩气，设置离子源功率0.9kw，设置工件支架偏压300v，此刻蚀清洗过程持续20min。

3.离子束刻蚀基体：转动转架，将上述基体至于离子源前方，设置偏压-500v，工作时间为20min。

4.沉积tib2/altin复合涂层：将靶材alti靶和tib2靶安装进设备，靶材与基体的距离为10cm，采用磁控溅射的方法，通入氩气80sccm，控制真空室气压0.6pa，采用磁控溅射的方法，开启tib2靶电源并设置电源参数：频率80khz、功率4kw；设置基体和支架参数为：基体偏压-300v，支架自转3rpm/min，公转2rpm/min，设置沉积温度300℃。起辉，进行预溅射后开始溅射沉积tib2层，10min后关闭tib2靶电源，停止通入氩气，改为通入氮气80sccm，控制真空室气压0.6pa，开启alti靶电源并设置电源参数：频率80khz、功率3kw；基体和支架参数不变，开始溅射沉积altin层，沉积时间为10min。在3小时内如此反复交替沉积5次，沉积结束，关闭电源，待真空室温度降至室温，往真空室充大气，打开真空室取出样品，在(100)取向的单晶硅基体表面上制备出tib2/altin复合涂层。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。