一种硬质耐磨TaN/MoS2复合涂层及其制备方法

本发明属于涂层领域，具体涉及一种硬质耐磨tan/mos2复合涂层及其制备方法。

背景技术：

1、随着工业技术的发展和应用领域的拓宽，复杂的工作条件对薄膜材料提出了更高的要求，耐磨防护薄膜材料需要同时兼具高硬度和韧性，但现实中硬度提高往往会导致韧性的下降，从而导致薄膜材料的脆性断裂。过渡族金属氮化物(tmns)如tan具有出色的物理化学性能，但在韧性以及摩擦性能方面还有所不足，所以研究者在改善tan涂层方面做了很多尝试。

2、论文“garcía e,flores-martínez m,rivera l p,et al.the effects of theaddition of zr on the mechanical and tribological properties of tan coating[j].journal of materials engineering and performance,2023:1-11”通过在tan薄膜中添加zr虽然改善了其磨损率(1.5×10-6mm3/n*m)，但是硬度降低至仅18gpa。

3、论文“li h,li j,kong j,et al.achieving high toughness and wearresistance for hard tan-ag films actuated by ag[j].international journal ofrefractory metals and hard materials,2023,111:106076.”在tan中添加难溶金属ag原子，在ag含量为1.2at.％时，最佳性能为硬度36.1gpa，磨损率1.9×10-6mm3/n*m。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种硬质耐磨tan/mos2涂层及其制备方法，通过改变掺杂元素mo固溶度和mos2含量制备出一种硬质耐磨的tan/mos2涂层。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种硬质耐磨tan/mos2复合涂层的制备方法，以ta靶和mos2靶作为靶材，n2为反应气体，氩气为溅射气体，通过直流磁控溅射靶材，在基底上获得tan/mos2复合涂层。

3、进一步的，包括如下步骤：

4、步骤(1)：基材预处理：选择单晶100硅片，裁剪成所需尺寸；

5、步骤(2)：溅射沉积cr过渡层；

6、步骤(3)：在cr过渡层表面溅射tan/mos2硬质耐磨涂层：采用直流磁控溅射，设置背底真空度低于4.0×10-3pa，靶基距为60±5mm，工作气压为0.4±0.1pa，氩气流量为36±3sccm，n2流量4±1sccm，ta靶溅射功率为150±10w，mos2靶溅射功率20-80w，溅射温度350±20℃，溅射时间45±5min。

7、进一步的，步骤(2)中溅射沉积cr过渡层的具体为：

8、以99.99％高纯cr圆形块体材料作为磁控溅射靶材，采用射频磁控溅射方法，硅衬底上进行预溅射，制备一层完全覆盖的cr薄膜；具体工艺参数为：背底真空度为4×10-3pa以下，工作气压0.4±0.1pa，99.9％高纯ar气作为溅射气体，溅射功率为200±10w，350±10℃衬底加热，无需施加偏压，控制溅射时间为10±2min。

9、一种硬质耐磨tan/mos2复合涂层，采用上述的方法制备。

10、进一步的，cr过渡层的厚度为200-300nm，tan/mos2涂层的厚度为1.71μm-2.34μm。

11、本发明中创造性的加入的过渡族金属硫化物中的mos2，可以制备出硬度高达39gpa，磨损率低至1.4×10-6mm3/n*m的硬质耐磨涂层。本发明通过调整工作参数，以获得最佳的mos2含量，使硬质tan纳米晶体嵌入mos2非晶基体，大大减少了摩擦，并且适量的mo原子固溶进tan中，从而达到固溶强化作用。mos2含量过少达不到固溶强化作用，mos2含量过多则非晶基体过多会在摩擦时发生晶界滑移导致裂纹扩展。

12、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

13、(1)tan/mos2复合涂层具有高硬度、良好的韧性、低摩擦系数以及低磨损率等特性，是一种性能良好的环境障涂层，可在各种复杂环境下应用。

14、(2)本发明可以通过tan/mos2复合涂层的mo固溶度、晶粒大小、mos2含量的规律调节实现涂层结构的精细调整，从而实现机械性能和摩擦学性能的调整。

15、(3)本发明设计的tan/mos2涂层包含一层金属cr的中间层，cr与si有着较为匹配的晶格，提高涂层与基材的结合强度，使得硬质耐磨tan/mos2涂层与衬底结合强度更高，有效提高涂层的使用寿命。

16、(4)制备工序较简单，具有可靠的重复性，适合工业化、工程化的应用。

技术特征：

1.一种硬质耐磨tan/mos2复合涂层的制备方法，其特征在于，以ta靶和mos2靶作为靶材，n2为反应气体，氩气为溅射气体，通过直流磁控溅射靶材，在基底上获得tan/mos2复合涂层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中溅射沉积cr过渡层的具体为：

4.一种硬质耐磨tan/mos2复合涂层，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的方法制备。

5.根据权利要求4所述的复合涂层，其特征在于，cr过渡层的厚度为200-300nm，tan/mos2涂层的厚度为1.71μm-2.34μm。

技术总结
本发明属于涂层领域，具体涉及一种硬质耐磨TaN/MoS<subgt;2</subgt;复合涂层及其制备方法。本发明以Ta靶和MoS<subgt;2</subgt;靶作为靶材，N<subgt;2</subgt;为反应气体，氩气为溅射气体，通过直流磁控溅射靶材，在基底上获得TaN/MoS2复合涂层；采用40sccm的总流量，固定氮气流量4sccm，氩气流量36sccm。通过改变MoS<subgt;2</subgt;靶材功率改变Mo原子的固溶度和MoS<subgt;2</subgt;含量，通过固溶强化效果增强和晶界强化实现涂层硬度和韧性的提高，同时良好的机械性能和MoS<subgt;2</subgt;强共价键与弱范德华键结合的特殊结构使涂层摩擦学性能得到提升。

技术研发人员：汪慧英,李建亮,卫宁馨,孔见,熊党生,谈华平,朱和国,黄洁雯,吴秋洁
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8