本发明涉及表面工程与硬质涂层领域,尤其涉及一种crn涂层、制备方法及应用。
背景技术:
crn涂层由于具有高的硬度、耐蚀性、抗氧化性、热稳定性、结合强度以及低的摩擦系数等优异性能,被广泛用于刀具、模具等领域,作为表面防护材料延长工件的服役寿命。
常规的crn涂层一般为柱状晶和纳米晶结构,其表面硬度为22-25gpa,相对于硬度一般为30-50gpa的多元复合涂层而言,比如tialn、craln、ticraln等,具有明显劣势,但其耐腐蚀性能,耐高温性能较好。因此,如果把crn涂层的硬度提高,将明显延长涂层的使用寿命。
因此,现有技术还有待于改进和发展。
技术实现要素:
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种crn涂层、制备方法及应用,旨在解决目前的crn涂层的硬度低的问题。
本发明的技术方案如下:
一种crn涂层,所述crn涂层为纳米孪晶结构。
所述的crn涂层,其中,所述crn涂层的纳米孪晶结构的密度>1015cm-2。
一种如上所述的crn涂层的制备方法,包括如下:
步骤a、将基底的表面进行等离子体清洗;
步骤b、在惰性气氛下、采用筒形金属等离子体源对cr靶进行放电,在第一偏压下向所述基底的表面沉积cr过渡层;
步骤c、向系统中通入氮气,在所述cr过渡层上沉积crn,得到纳米孪晶结构的crn涂层。
所述的crn涂层的制备方法,其中,所述步骤a包括:
将真空室抽真空至真空度≤10-4pa,然后通入惰性气体,使真空室的气压保持在0.5-5pa,采用气体离子源在第二偏压的作用下对基体进行等离子体刻蚀清洗。
所述的crn涂层的制备方法,其中,所述气体离子源为霍尔离子源或考夫曼离子源。
所述的crn涂层的制备方法,其中,所述步骤b中,对cr靶进行放电的方式为直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射或复合脉冲磁控溅射。
所述的crn涂层的制备方法,其中,所述高功率脉冲磁控溅射的参数为:电压为600-1200v,频率为50-400hz,脉宽为50-1000μs。
所述的crn涂层的制备方法,其中,所述步骤b中,所述第一偏压为直流偏压,电压大小为20v-400v。
所述的crn涂层的制备方法,其中,所述步骤c中,所述氮气与惰性气体的体积比为1:(2-20)。
一种如上所述的crn涂层的应用,将所述crn涂层用于金属、合金或陶瓷材料构件的表面,作为强化层、耐磨层和防腐层。
有益效果:本发明提供了一种如上所述的crn涂层,该涂层由金属铬(cr)和氮(n)二元组成,形成组织结构致密的纳米孪晶结构,大幅提高了传统的柱状晶和纳米晶结构的crn涂层的硬度。
附图说明
图1是实施例1中制备的crn涂层表面的sem图。
图2是实施例1中制备的crn涂层截面的sem图。
图3是实施例1中制备的crn涂层中选取的a点的孪晶结构图(tem图)。
图4是实施例1中制备的crn涂层中选取的b点的孪晶结构图(tem图)。
图5是实施例1中制备的crn涂层中选取的c点的孪晶结构图(tem图)。
图6是实施例1中制备的crn涂层中选取的d点的孪晶结构图(tem图)。
图7是实施例1中制备的crn涂层中选取的a-d点的位错结构图(标尺5nm)。
图8是实施例1中制备的crn涂层中选取的a-d点的位错结构图(标尺2nm)。
具体实施方式
本发明提供了一种crn涂层、制备方法及应用,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供的crn涂层为纳米孪晶结构。纳米孪晶组织结构致密,能大幅提高crn涂层的硬度。优选的纳米孪晶结构的密度>1015cm-2,可使得crn涂层的硬度>35gpa。
本发明的还提供了一种如上所述的crn涂层的制备方法,包括如下:
步骤a、将基底的表面进行等离子体清洗。
具体的,先将真空室抽真空至真空度≤10-4pa,然后通入惰性气体(例如ar气或两种以上惰性气体的混合气体),使真空室的气压保持在0.5-5pa,采用气体离子源在第二偏压的作用下对基体进行等离子体刻蚀清洗,消除基体表面吸附的有机物,放电功率优选为0.5-5kw,第二偏压为直流偏压,偏压大小优选为400v-1200v,刻蚀时间可以为5-30min。其中,气体离子源优选为阳极层离子源,由气体等离子体发生装置产生,可以是霍尔离子源或考夫曼离子源等。
步骤b、在惰性气氛下、采用筒形金属等离子体源对cr靶进行放电,在第一偏压下向所述基底的表面沉积cr过渡层。
具体的,优选纯度≥99.9%的cr靶材,筒形金属等离子体源为基于磁控溅射原理的筒形溅射阴极,其结构可参考现有技术(专利申请号为201410268732.9),本发明不再赘述。对cr靶进行放电的方式可以是直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射(hipims)或复合脉冲磁控溅射。本发明优选高功率脉冲磁控溅射,优选的参数为:电压600-1200v,频率50-400hz,脉宽50-1000μs。所述第一偏压为直流偏压,电压大小优选为20v-400v。由于cr过渡层的存在,本发明的crn涂层与基底的结合强度>40n,涂层附着力好。
步骤c、向系统中通入氮气,在所述cr过渡层上沉积crn,得到纳米孪晶结构的crn涂层。
具体的,在基底上形成cr过渡层后,向真空室中通入氮气,优选的,氮气与惰性气体的体积比为1:(2-20)。沉积10min-120min左右,可获得1-10μm左右厚度的纳米孪晶结构的crn涂层。
纳米孪晶结构是卢柯院士首次发现,并能够对材料在不改变成分的前提下大幅度进行强化的一种结构,但该结构目前只能在cu、ni及其合金中高密度存在,并不能在陶瓷涂层中产生。本发明采用筒形金属等离子体源结合磁控溅射技术,对金属离子的纯化和能量的精确控制,可实现高密度纳米孪晶结构在crn陶瓷涂层中的生成。
更优的,在上述技术方案的基础上,本发明可采用现有的改进设备(专利号为201510899888.1)获得高离化率的沉积离子束流,同时通过该设备的等离子体引出系统,保证高能量离子在沉积过程中的稳定性,提高涂层沉积速率。可进一步提高纳米孪晶crn涂层的组织致密性和位错密度,提高涂层的硬度,减小涂层表面的粗糙度。
本发明的还提供了一种如上所述的crn涂层的应用,将纳米孪晶结构的crn涂层用于金属、合金或陶瓷材料构件的表面,作为强化层、耐磨层和防腐层,相比合金涂层,本发明提供的纳米孪晶结构的crn涂层不仅硬度高、附着力好,而且有优良的耐腐蚀性,可显著延长工件的服役寿命。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
1)抽真空将磁控溅射设备的真空室通过抽气系统抽真空,使其背底真空度达到10-4pa。
2)气体等离子体清洗向真空室中通入ar气,使真空室气压保持在1pa左右,使用阳极层离子源在偏压的作用下对基体进行等离子体刻蚀清洗,消除基体表面吸附的有机物,阳极层离子源功率为1kw,偏压选择直流偏压,大小为600v,刻蚀时间为20min。
3)cr过渡层制备采用筒形金属等离子体源对cr靶进行hipims放电,cr靶纯度为99.9%-99.99%,hipims放电电压为900v,频率为100hz,脉宽为200μs,并在低偏压的配合下进行cr过渡层沉积,偏压选择直流偏压,大小为100v,沉积时间为5min。
4)crn涂层制备向真空系统中缓慢通入氮气(n2),使得惰性气体与n2比例为5/1,沉积crn涂层,沉积时间为40min,得到涂层厚度为4μmcrn涂层。
结构表征与性能测试
对实施例1制备的样品进行sem测试,由图1可知形成了致密的纳米结构,图2的截面图中可以看到清晰的cr过渡层和crn层。图3-图6证实了crn涂层中形成了纳米孪晶结构,图7-图8显示了crn涂层中的位错结构。本发明进一步通过机械性能测试,结果显示,样品的表面硬度可以达到35.1gpa。
综上所述,本发明提供了一种crn涂层、制备方法及应用,通过采用筒形金属等离子体源结合磁控溅射技术,对金属离子的纯化和能量的精确控制,可实现高密度纳米孪晶结构在crn陶瓷涂层中的生成;本发明制备的纳米孪晶结构的crn涂层不仅硬度高、附着力好,而且有优良的耐腐蚀性,沉积在工件表面,可显著延长工件的服役寿命。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。