一种Al改性WB2涂层及其制备方法

一种al改性wb2涂层及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及硬质耐磨涂层领域，具体涉及一种al改性wb2涂层及其制备方法。


背景技术：

2.超硬材料被广泛应用于切削加工业、模具工业、地质钻探以及航空航天等领域。但是随着现代工业的高速发展，使得某些传统刀具材料无法满足日趋复杂的切削性能要求。因此，通过在工件表面涂镀合适厚度的硬质涂层，可以得到具有高硬度、高韧性、高耐磨性、高红硬性以及高化学稳定性等诸多优良性能的系统，进而拓展材料的使役范围，有效提高服役寿命。
3.近年来，alb2型wb2被认为是一种极具潜力的超硬涂层，成为了新的研究热点。理论计算表明，alb2型wb2是一种高压相，因此研究人员使用粉末冶金法制备该相的尝试均以失败告终。2013年，jiang等通过直流磁控溅射的方法，首次成功制备了光滑致密、高硬度的alb2型wb2涂层，并对其相关物理性能进行了研究。为了改善alb2型wb2涂层的性能，研究人员曾尝试在alb2型wb2涂层的基础上掺杂c、n等小分子非金属元素来改善涂层性能，但是目前缺乏金属元素掺杂的研究。
4.al元素经常被用作传统氮化物硬质耐磨涂层的掺杂元素，来提升涂层的力学性能和抗氧化性能，例如：tin涂层中掺杂al元素制备的tialn涂层较简单的tin涂层，综合性能有明显提升，并已广泛应用于工业生产中。因此，通过al元素的掺杂制备al改性alb2型wb2涂层，可提升该涂层的综合性能，这对于硬质硼化物涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种al改性wb2涂层及其制备方法，该涂层可以显著提高刀具或者工件表面硬度和耐磨性。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种al改性wb2涂层，该al改性wb2涂层为al元素掺杂的alb2型wb2涂层，涂层厚度为1～4μm，al掺杂量为0～23.5at.％且大于0，涂层硬度在30gpa以上，涂层的平均摩擦系数为0.45～0.5，磨损率低至2.2
×
10-7
mm3/nm。
8.所述的al改性wb2涂层的制备方法，该al改性wb2涂层使用wb2型wb2靶材和al靶材，采用直流磁控溅射技术，并通过控制al靶电流、基底偏压和沉积温度，在yg8硬质合金基底上制备而成。
9.所述的al改性wb2涂层的制备方法，包括如下步骤：
10.(1)预处理过程：涂层沉积之前需对基底进行预处理，具体为：先将基底打磨至ra＝0.4μm，然后对试样基底进行超声清洗，在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗10～20分钟，清洗后使用丙酮和无水乙醇淋洗，并使用高压普通氮气吹扫净残留酒精至基底表面洁净；将基底放入直流磁控溅射设备的真空腔体内，待腔体内真空度达到4
×
10-3
～1
×
10-2
pa时，
通入氩气，氩气气压控制在1～3pa，再开启基底偏压至-1000v，使氩气发生辉光放电，对基底进行辉光清洗30～40分钟；
11.(2)采用直流磁控溅射技术沉积al改性wb2涂层，工艺参数为：氩气气压为0.3～0.7pa，wb2靶材功率设定为200～300w，al靶电流为0～500ma，基底偏压为-50～-200v，靶基距为50～100mm，沉积温度为300～500℃；
12.(3)沉积结束后，停止通入氩气，关闭基底偏压电源，关闭磁控溅射电源，继续抽真空，样品随炉冷却至50℃以下，将样品从腔体内取出。
13.所述的al改性wb2涂层的制备方法，步骤(2)中，根据所需涂层厚度设置沉积时间。
14.本发明的设计思想是：
15.本发明在alb2型wb2硬质涂层的基础上，通过al元素的掺杂改性，形成了纳米晶/非晶复合结构，提高了涂层的硬度。同时，涂层内的非晶al2o3相的存在，可以显著降低涂层的摩擦系数，提升涂层的耐磨性。
16.本发明具有以下优点及有益效果：
17.1、本发明是在硬质合金表面合成的al改性wb2涂层，涂层硬度可达30gpa以上，具有良好的摩擦学性能(摩擦系数～0.45，磨损率低至2.2
×
10-7
mm3/nm)。
18.2、本发明证明了wb2高压相及其掺杂在低温低压条件下合成的可能性。
19.3、本发明所涉及的al改性wb2涂层可应用与刀具或工件表面的防护，并能有效延长其使用寿命。
20.4、本发明采用直流磁控溅射的工艺，在通过调控al靶电流、基底偏压和沉积温度等参数，在yg8硬质合金上制备了al改性wb2涂层。该涂层有较高的硬度，较好的减磨、耐磨性能。本发明所涉及的涂层，可显著提高工件或刀具表面的硬度及耐磨性，对于硼化物硬质涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。
附图说明
21.图1为不同al靶电流下制备的al改性wb2涂层的元素含量图。
22.图2为不同al靶电流下制备的al改性wb2涂层的x射线衍射谱。
23.图3为不同al靶电流下制备的al改性wb2涂层al2p轨道的x射线光电子能谱。
24.图4为不同al靶电流(0、50ma、100ma、200ma、300ma、400ma)下制备的al改性wb2涂层的截面扫描电子显微镜形貌图。
25.图5为不同al靶电流下制备的al改性wb2涂层的硬度h和杨氏模量e图。
26.图6为不同al靶电流下制备的al改性wb2涂层的磨损率和平均摩擦系数图。
具体实施方式
27.在具体实施过程中，本发明提供一种al改性alb2型wb2涂层的制备方法，al改性alb2型wb2涂层为具有alb2结构的al掺杂wb2涂层，al掺杂量为0～23.5at.％(优选为2.2～8.3at.％)；该涂层选用wb2型wb2靶材和al靶材，并通过控制al靶电流、基底偏压和沉积温度，在yg8硬质合金基底上制备而成。
28.所述al改性alb2型wb2涂层采用直流磁控溅射技术制备，包括如下步骤：
29.(1)预处理过程：沉积前，先对基底进行预处理，具体为：将基底打磨至ra＝0.4μm，
然后对试样基底进行超声清洗，在丙酮和无水乙醇中分别超声清洗15分钟，清洗后使用丙酮和无水乙醇淋洗，并使用高压普通氮气吹扫净残留酒精至基底表面洁净；
30.(2)将基底放入直流磁控溅射设备的真空腔体内，待腔体内真空度达到4
×
10-3
～1
×
10-2
pa时，通入氩气，氩气气压控制在1～3pa，再开启基底偏压至-1000v，使氩气发生辉光放电，对基底进行辉光清洗30分钟；
31.(3)沉积al掺杂wb2涂层过程工艺参数为：氩气气压为0.3～0.7pa，wb2靶材功率设定为200～300w，al靶电流为0～500ma，基底偏压为-50～-200v，靶基距为50～100mm，沉积温度为300～500℃，溅射时间为120～150分钟，涂层厚度为1～4μm。
32.(4)沉积结束后，停止通入氩气，关闭基底偏压电源，关闭磁控溅射电源，继续抽真空，样品随炉冷却至50℃以下，将样品从腔体内取出。
33.al改性alb2型wb2涂层硬度在30gpa以上(优选为30～35gpa)，涂层的平均摩擦系数为0.45～0.5，其磨损率远低于纯wb2涂层，磨损率低至2.2
×
10-7
mm3/nm(优选为2.2
×
10-7
～2.5
×
10-7
mm3/nm)。
34.下面，结合实施例及附图详述介绍本发明。
35.实施例1：
36.基底采用yg8硬质合金。镀膜前表面线经过研磨、抛光、超声清洗和干燥的预处理过程后，放入真空腔体内的样品台上，带真空腔体内真空度达到4
×
10-3
pa时，打开气体质量流量控制器，通入氩气到3.0pa，基底加脉冲占空比为30％，频率为50khz，-1000v的脉冲直流偏压，使氩气发生辉光放电，清洗基底30分钟，对基底进行辉光清洗的作用是：除去基底表面的吸附杂质，以提高涂层于基底的结合力。之后进入涂层沉积过程，具体工艺参数为：氩气工作气压为0.4pa，wb2靶材功率设定为250w，改变al靶电流分别至0、50ma、100ma、200ma、300ma、400ma，基底偏压为-50v，靶材与基底之间的距离保持为70mm，沉积温度为450℃控制溅射时间在120～150分钟内，保证涂层厚度为3.6μm左右。沉积结束后，停止通入氩气，关闭基底偏压电源，关闭磁控溅射电源，继续抽真空，样品随真空腔体冷却至50℃以下，将样品从腔体内取出。
37.涂层的元素含量如图1所示，从图中可以看出，随着al靶电流的增加，涂层中al元素含量逐渐从0增加到23.5at.％。
38.涂层的x射线衍射(xrd)图谱如图2所示，al靶电流为0时沉积的纯wb2涂层表现为(001)和(002)择优取向；当al靶电流不高于100ma时，(001)和(002)衍射峰仍然是涂层的主要择优取向。此外，还出现了宽且弱的(101)衍射峰，这表明部分最初沿着密集堆积平面生长的原子转向了更高能量的平面。当al含量达到200ma时，涂层的(001)和(002)衍射峰完全消失，只剩下了较弱的(101)衍射峰。当涂层的al靶电流在300～400ma之间时，涂层的全部wb2衍射峰均消失，涂层表现为非晶态。
39.对于al靶电流为50～400ma时，涂层没有任何关于al单质或者化合物的衍射峰，为了确定al元素的存在形式，使用x射线光电子能谱仪(xps)来分析al元素的化学键组成。al2p轨道分峰结果见图3。当al靶电流不高于300ma时，只存在结合能为74.0ev的al-o键，这说明al元素被腔体内残留的氧气氧化为非晶态al2o3。随着al靶电流的增加，al2p轨道增加了72.8ev的al-al键，表明残余的氧气被消耗尽后，多余的al元素以非晶态al单质状态存在。
40.采用扫描电子显微镜(sem)观察涂层的断面形貌，结果见图4。涂层的厚度均在3.5～3.7μm之间，所有的涂层均呈现致密无缺陷的状态。在al靶电流为0～100ma的涂层界面可以观察到轻微的柱状晶结构，但是由于涂层均为较小的纳米晶，柱状晶结构不明显。对al靶电流在200～400ma之间的涂层，由于其主要为非晶态，涂层主要表现为致密结构，无明显衬度。
41.使用纳米压痕仪在连续刚度模式(csm)下检测所沉积涂层的硬度h和杨氏模量e。为避免基底效应的影响，取压痕深度200～250nm内的平均值作为涂层的硬度和杨氏模量。结果如图5所示，随着al靶电流的增加，涂层硬度和杨氏模量均呈先增加后降低的趋势，在al靶电流为50ma时分别达到最大值34.4gpa和445.1gpa，这是由于少量al的掺杂起到了固溶强化的作用，并且纳米晶的wb2和非晶al2o3形成了纳米晶/非晶复合结构，非晶态al2o3的钉扎的作用抑制了位错的运动，提高了涂层的硬度。随着al靶电流的增加，软质相含量的增加降低了涂层的硬度。同时结合xrd结果，由于(101)取向和非晶态的wb2涂层硬度均低于(001)取向的wb2涂层，同意造成了涂层硬度的降低。
42.使用球盘式摩擦磨损试验机评估涂层的摩擦学性能。载荷为2n，对磨副为al2o3磨球，转速为200转/分钟，时间为120分钟。如图6所示，不同al靶电流下制备的al改性wb2涂层的磨损率和平均摩擦系数。al靶电流在50～400ma之间涂层的摩擦系数在0.45～0.5之间，远低于纯wb2，说明非晶态的al2o3相有减磨效果。对于al改性wb2涂层，由于具有相对较高的硬度，以及非晶态al2o3相的减磨效果，对磨副的磨损过程中产生的磨屑较少，由磨屑造成的磨损降低，使得其磨损率远低于纯wb2涂层。
43.实施例结果表面，本发明通过磁控溅射技术在非平衡条件下制备了al改性wb2涂层，该涂层呈现了高硬度以及优异的耐磨性，可显著改善刀具或工件表面的硬度及耐磨性，对于超硬硼化物涂层的理论研究和实际应用具有重要意义。