一种TaMgN复合涂层及其制备方法和应用与流程

本发明属于材料化学领域，涉及一种硬质纳米结构薄膜，具体为一种tamgn复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

随着现代加工技术的发展，特别是高速、高温极端服役条件下高性能切削加工方式的出现，要求刀具表面的涂层应具有更高的硬度，优良的摩擦磨损性能，并兼具较好的抗高温氧化性。tan薄膜具有稳定的电学性能，在微电子学工业被广泛应用于薄膜电阻器扩散障碍的制作以及集成电路结构单元。此外，tan薄膜也具有优异的力学性能，溅射法制备的tan薄膜硬度高达22gpa，但是由于tan薄膜摩擦系数高，磨损率高，同时由于高温氧化导致薄膜易从刀具表面脱落，大大降低了刀具的使用寿命，已经不能满足对刀具的切削性能的要求。近年来很多学者对al元素在薄膜抗氧化过程中形成al2o3可以提高薄膜的抗氧化性进行研究，然而，对mg元素也能提高薄膜的抗氧化温度方面却很少讨论。

近期研究表明，tan薄膜中添加mg元素后，在薄膜的顶部可以生成类似氧化铝的保护层mgo，可有效改善薄膜在600-800℃下的摩擦磨损性能。目前，市场上还没有发现tamgn薄膜被用作刀具涂层材料。因此，与当代加工制造业所要求的理想高硬度耐磨损涂层相比，此种硬质涂层具有很好的研究价值。

技术实现要素：

解决的技术问题：为了克服现有tan系硬质纳米结构复合薄膜的摩擦磨损性能不理想等缺点，获得一种兼具高硬度、优异的摩擦磨损性能和高温抗氧化性能，可用于高速、干式切削的纳米结构硬质薄膜，本发明提供了一种tamgn复合涂层及其制备方法和应用。

技术方案：一种tamgn复合涂层，所述涂层以纯ta为过渡层，以高纯的ta靶和mg靶共溅射形成复合涂层；所述复合涂层的厚度为1～2μm，mg元素的含量为0at.％<mg≤24.59at.％。

优选的，所述涂层的显微硬度为24.89gpa～33.08gpa，显微硬度随着mg元素含量的增加先增大后下降，在mg元素含量为11.92at.％时，显微硬度达到最大值33.08gpa，在mg元素含量为24.59at.％时，显微硬度为29.16gpa。

优选的，所述涂层的弹性模量为311.89gpa～376.28gpa，弹性模量随着mg元素含量的增加先增大后下降，在mg元素含量为11.92at.％时，弹性模量达到最大值376.28gpa，在mg元素含量为24.59at.％时，弹性模量为353.64gpa。

优选的，常温条件下，所述涂层的平均摩擦系数和平均磨损率随着mg元素含量的增加先减小后增大。

优选的，mg元素含量为11.92at.％时，温度从室温升高至800℃的条件下，所述涂层的摩擦系数随着温度的升高先增大后减小，800℃时达到最低值，磨损率始终增大。

以上任一所述tamgn复合涂层的制备方法，所述方法为采用纯度均为99.9％的ta靶和mg靶为源材料，通入纯度为99.999％的反应氮气，氩氮气体流量比为10sccm:5sccm，真空度低于6.0×10^-4pa时溅射，在室温下采用双靶共焦射频反应磁控溅射法溅射在基体上制备得到。

优选的，所述方法具体包含以下步骤：

(1)将基体先后用水、丙酮、无水乙醇超声清洗，吹干后固定在溅射室可旋转的基片台上，关闭样品挡板；

(2)将纯度为99.9％的ta靶和mg靶分别固定在射频枪上；

(3)将溅射室的气压抽至6.0×10^-4pa以下；

(4)通入纯度为99.999％的氩气，流量控制为10sccm、溅射室气压保持在0.25pa；

(5)调节ta靶和mg靶功率均为60w，溅射10分钟以清洗靶材表面各种杂质；

(6)调节ta靶功率为150w，关闭mg靶，打开样品挡板，样品旋转速度保持为3r/min，在样品表面溅射10min左右厚度的纯ta过渡层；

(7)关闭样品挡板，通入纯度为99.999％的氮气，流量控制为5sccm，溅射室气压保持在0.3pa，调节mg靶功率为0w～80w，打开样品挡板，溅射2小时后自然冷却至室温，最终得到tamgn复合涂层。

优选的，所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。

以上任一所述tamgn复合涂层在刀具涂层材料中的应用。

本发明的原理在于：薄膜的氧化其实质是薄膜中元素的选择性氧化。在高温环境下，薄膜中的mg有向薄膜表层扩散的趋势，故随温度升高，薄膜出现了分层现象，薄膜表面出现富mg层。由于mg易于被氧化，所以在高温条件下，薄膜表层有致密的镁的氧化物存在，阻止氧元素渗入薄膜，减缓了薄膜的氧化速率，从而提升薄膜热稳定性能。本发明的目的是提供一种在宽温域范围内具有高硬度、低摩擦系数与低磨损率的薄膜材料。tan陶瓷薄膜具有硬度高的特点，加入mg元素后，由于固溶强化，从而进一步提高硬度；在摩擦实验过程中，由于磨痕与摩擦副之间的剧烈作用，产生大量的摩擦潜热，使磨痕表层出现致密的氧化镁保护层，从而降低了具有高摩擦系数的氧化钽摩擦相的出现，最终导致薄膜体现出低摩擦系数与低磨损率。

有益效果：(1)本发明所述tamgn复合涂层是一种硬质纳米结构薄膜，其兼具高硬度、优异的摩擦磨损性能和高温抗氧化性能；(2)本发明所述tamgn复合涂层的制备方法具有工艺流程简单，生产效率高的优点；(3)本发明所述tamgn复合涂层能够用于刀具涂层材料中，特别适用于高速、高温极端服役条件，以及高性能、干式切削方式领域。

附图说明

图1是不同mg靶功率条件下，tamgn复合涂层中ta元素、mg元素的原子百分比变化图；

图2是不同mg含量的tamgn复合涂层的显微硬度和弹性模量变化图；

图3是不同mg含量的tamgn复合涂层常温下的平均摩擦系数和平均磨损率变化图；

图4是不同温度下mg含量为11.92at.％的tamgn复合涂层的摩擦系数和磨损率变化图。

具体实施方式

以下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。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。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。

实施例1

一种tamgn复合涂层，所述涂层以纯ta为过渡层，以高纯的ta靶和mg靶共溅射形成复合涂层；所述复合涂层的厚度为1～2μm，mg元素的含量为0at.％。

所述涂层的显微硬度为24.89gpa，弹性模量为311.89gpa，干切削实验下，摩擦系数为0.72，磨损率为1.26×10^-7mm³·n^-1mm^-1。

以上任一所述tamgn复合涂层的制备方法，所述方法为采用纯度均为99.9％的ta靶和mg靶为源材料，通入纯度为99.999％的反应氮气，氩氮气体流量比为10sccm:5sccm，真空度低于6.0×10^-4pa时溅射，工作气压为0.3pa，在室温下采用双靶共焦射频反应磁控溅射法溅射在基体上制备得到。

所述方法具体包含以下步骤：

(1)将基体先后用水、丙酮、无水乙醇超声清洗15分钟，吹干后固定在溅射室可旋转的基片台上，关闭样品挡板；

(2)将纯度为99.9％的ta靶和mg靶分别固定在射频枪上；

(3)将溅射室的气压抽至6.0×10^-4pa以下；

(4)通入纯度为99.999％的氩气，流量控制为10sccm、溅射室气压保持在0.25pa；

(5)调节ta靶和mg靶功率均为60w，溅射10分钟以清洗靶材表面各种杂质；

(6)调节ta靶功率为150w，关闭mg靶，打开样品挡板，样品旋转速度保持为3r/min，在样品表面溅射10min左右厚度的纯ta过渡层；

(7)关闭样品挡板，通入纯度为99.999％的氮气，流量控制为5sccm，溅射室气压保持在0.3pa，调节mg靶功率为0w，打开样品挡板，溅射2小时后自然冷却至室温，最终得到tamgn复合涂层。

实施例2

与实施例1的区别在于，步骤(7)中调节mg靶功率为20w，此时薄膜中ta含量为96.95％，mg含量为3.05％，硬度为29.01gpa，弹性模量为339.75gpa，干切削实验下，摩擦系数为0.66，磨损率为1.16×10^-7mm³·n^-1mm^-1。

实施例3

与实施例1的区别在于，步骤(7)中调节mg靶功率为40w，此时薄膜中ta含量为88.08％，mg含量为11.92％，硬度为33.08gpa，弹性模量为376.28gpa，干切削实验下，摩擦系数为0.68，磨损率为1.04×10^-7mm³·n^-1mm^-1。

实施例4

与实施例1的区别在于，步骤(7)中调节mg靶功率为60w，此时薄膜中ta含量为81.08％，mg含量为18.92％，硬度为32.13gpa，弹性模量为369.01gpa，干切削实验下，摩擦系数为0.74，磨损率为1.89×10^-7mm³·n^-1mm^-1。

实施例5

与实施例1的区别在于，步骤(7)中调节mg靶功率为80w，此时薄膜中ta含量为75.41％，mg含量为24.59％，硬度为29.16gpa，弹性模量为353.64gpa，干切削实验下，摩擦系数为0.86，磨损率为7.2×10^-7mm³·n^-1mm^-1。

实施例6

与实施例3的区别在于，干切削实验的温度为25℃，对mg靶功率为40w的tamgn薄膜进行摩擦实验，摩擦系数为0.68，磨损率为1.04×10^-7mm³·n^-1mm^-1。

实施例7

与实施例3的区别在于，干切削实验的温度为400℃，对mg靶功率为40w的tamgn薄膜进行摩擦实验，摩擦系数为0.84，磨损率为4.48×10^-7mm³·n^-1mm^-1。

实施例8

与实施例3的区别在于，干切削实验的温度为600℃，对mg靶功率为40w的tamgn薄膜进行摩擦实验，摩擦系数为0.44，磨损率为4.91×10^-7mm³·n^-1mm^-1。

实施例9

与实施例3的区别在于，干切削实验的温度为800℃，对mg靶功率为40w的tamgn薄膜进行摩擦实验，摩擦系数为0.35，磨损率为11.23×10^-7mm³·n^-1mm^-1。

如图1所示，实施例1～5中随着mg靶功率从0w增加到80w，ta元素的含量从100at.％持续下降到75.41at.％；mg元素的含量从0at.％持续上升到24.59at.％。

如图2所示，实施例1～5中，对于tan涂层，其显微硬度与弹性模量分别为24.89gpa和311.89gpa；当mg含量增加到11.92at.％时，硬度与弹性模量分别增大到33.08gpa和376.28gpa；而当mg含量继续增加到24.59at.％时，硬度和弹性模量又分别下降到29.16gpa和353.64gpa。

如图3所示，实施例1～5中，摩擦系数和磨损率均先减小后增大；最低摩擦系数为0.66，最低磨损率1.04×10^-7mm²/n。

如图4所示，实施例6～9中，当干切削实验的温度从室温到800℃时，摩擦系数的变化趋势为先增大后减小，在800℃时达到最低，磨损率始终增大。