CN109161845B - 一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN109161845B
CN109161845B CN201811089085.XA CN201811089085A CN109161845B CN 109161845 B CN109161845 B CN 109161845B CN 201811089085 A CN201811089085 A CN 201811089085A CN 109161845 B CN109161845 B CN 109161845B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
tibon
nano composite
coating
tibo
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811089085.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN109161845A (zh
Inventor
邹长伟
李达
梁枫
田灿鑫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lingnan Normal University
Original Assignee
Lingnan Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lingnan Normal University filed Critical Lingnan Normal University
Priority to CN201811089085.XA priority Critical patent/CN109161845B/zh
Publication of CN109161845A publication Critical patent/CN109161845A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109161845B publication Critical patent/CN109161845B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3485—Sputtering using pulsed power to the target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

本发明涉及一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用。所述纳米复合涂层包括在基体表面依次设置的TiN过渡层和纳米复合层，所述纳米复合层包括TiN过渡层表面依次交替设置的TiBON层和TiBO层。本发明提供的纳米复合涂层以TiN为过渡层，增强纳米复合层与基体之间的连接，增加整体涂层的结合力；TiBON层和TiBO层组成的纳米复合层兼具高硬度及低摩擦系数，在海洋环境具有自润滑特性，并且TiBON层和TiBO层的依次交替可以降低涂层的应力，进一步提高耐磨性和耐腐蚀特性。实验结果表明，本发明提供的耐磨自润滑纳米复合涂层的硬度可达32 GPa，应用该涂层的海洋装备部件寿命可提高5倍以上。

Description

一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于硬质涂层技术领域，具体涉及一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用。
背景技术
硬质涂层是进行材料表面强化、发挥材料潜力、提高生产效率的有效途径，它是表面涂层的一种，是指通过物理或化学方法在基地的表面沉积的显微硬度大于某一特定值的表面涂层。硬质涂层已经被广泛应用于切削业、模具工业、地质钻探、纺织工业、机械制造以及航空航天领域，并发挥着越来越重要的作用。其中，硬质涂层在切削业的应用，不仅可以加工普通切削工具如刀具、钻头等难以加工的材料，而且可以提高切削的精准度，发挥出超硬、强韧、耐磨、自润滑等优势，被认为是切削史上的一次革命。但是，由于海水中具有高浓度的Cl-、SO42-、HCO3-等酸根离子，对金属材料的海洋机械有较强的腐蚀破坏作用，极容易导致机械零部件甚至机械主体的失效，这就要求开采石油的机械、海洋运输的船体等具有较好的耐腐蚀特性。经过多年来的研究，发现对材料进行表面处理尤其是在其表面形成一层耐腐蚀性强的保护层是最有效、成本最低的方法，因此，研究在海水环境下的耐腐蚀薄膜就成为了目前海洋资源开发的重中之重。
经过大量的研究发现高分子材料和陶瓷材料在水润滑条件下都有其各自的缺点，所以为了满足水润滑摩擦部件低摩擦系数和低磨损率的要求，在金属零部件表面制备一层厚度只有几微米甚至几百纳米、磨合期短同时具有良好水润滑摩擦特性的纳米复合薄膜就成为了一种较好的解决方法。然而，纳米复合薄膜的种类很多，并不是所有的硬质薄膜都具有良好的水润滑摩擦学特性，有很多薄膜在水润滑条件下的摩擦学性能(摩擦系数和磨损率)较干摩擦条件下更差，并且由于结合力的问题，容易发生剥落而很快失效。
因此，研究不同硬质薄膜的水润滑摩擦学特性，得到一种兼具高硬度、耐腐蚀性及耐磨性的涂层具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中硬质薄膜在水润滑摩擦学特性上的缺陷和不足，提供一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层。本发明提供的纳米复合涂层中多层纳米复合结构的TiBON/TiBO涂层兼具硬度计耐腐蚀性，同时在海水摩擦环境下生成硼酸盐，具有自润滑功能，进一步降低摩擦系数，提高耐磨性；多层纳米复合结构硼氧化物可以降低涂层内应力，提升结合力和使用寿命，在海洋装备表面防护领域具有重要的应用价值。
本发明的另一目的在于提供上述纳米复合涂层的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述纳米复合涂层在海洋装备表面防护中的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层，包括在基体表面依次设置的TiN过渡层和纳米复合层，所述纳米复合层包括TiN过渡层表面依次交替设置的TiBON层和TiBO层；所述TiBON层为包括TiN、TiB2纳米晶、非晶BN和非晶氧化物TiO2的纳米复合结构，所述TiBON层中钛元素的原子百分数为29～40％，硼元素的原子百分数为16～22％，氧元素的原子百分数为7～16％，氮元素的原子百分数为35～46％；所述TiBO层为包括TiB2纳米晶和非晶氧化物TiO2的纳米复合结构；所述TiBO层中，钛元素的原子百分数为30～40％，硼元素的原子百分数为9～25％，氧元素的原子百分数为40～52％。
本发明所指的非晶氧化物是指TiO2。
以氮硼基薄膜为代表的硬质薄膜具有许多优异的理化性质，尤其是其高硬度、抗磨损、抗氧化和耐腐蚀特性，其在水环境中表现出的独特减摩降磨性能为江河航运、海上作业、水利器件等相关行业的大力发展开阔新的视野。然而硬度的提升并不是评价硬质纳米复合涂层的唯一指标，对于在海洋环境应用的场合，提高涂层的耐腐蚀性及耐磨性更重要。
TiN过渡层能够提高纳米复合层与基体之间的结合力，增强涂层的使用效果，提高涂层的使用寿命。
TiBON层的作用是：该层具有优良的耐磨特性及低摩擦系数，同时兼具高硬度及自润滑特性。
TiBO层的作用是：该层具有优良的耐磨特性、低应力及低摩擦系数，同时兼具高硬度及自润滑特性。
TiBON层和TiBO层的依次交替周期排列，能够降低涂层的应力，增加涂层的晶面结构及晶界，进一步提高耐磨性和耐腐蚀特性。
本发明提供的纳米复合涂层以TiN为过渡层，增强纳米复合层与基体之间的连接，增加整体涂层的结合力；TiBON层和TiBO层组成的纳米复合层兼具高硬度及低摩擦系数，在海洋环境具有自润滑特性，并且TiBON层和TiBO层的依次交替可以降低涂层的应力，进一步提高耐磨性和耐腐蚀特性。实验结果表明，本发明提供的耐磨自润滑纳米复合涂层的硬度可达32GPa，应用该涂层的海洋装备部件寿命可提高5倍以上。
优选地，每层TiBON层和TiBO层的厚度分别独立地选自2～50nm。
更为优选地，每层TiBON层和TiBO层的厚度分别独立地选自10～30nm。
更为优选地，每层TiBON层和TiBO层的厚度分别独立地选自15～25nm。
优选地，所述TiBON层的数量为10～100层。
更为优选地，所述TiBON层的数量为20～80层，
更为优选地，所述TiBON层的数量为40～50层。
优选地，所述TiBON层中，钛元素的原子百分数为32％，硼元素的原子百分数为19％，氧元素的原子百分数为13％，氮元素的原子百分数为36％。
优选地，所述TiBON层的晶粒度为2～15nm。
更为优选地，所述TiBON层的晶粒度为3～8nm。
优选地，所述TiBO层中，钛元素的原子百分数为33％，硼元素的原子百分数为19％，氧元素的原子百分数为48％。
优选地，所述TiBO层的晶粒度3～12nm。
更为优选地，所述TiBO层的晶粒度为4～6nm。
优选地，所述TiN过渡层中，钛元素的原子百分数为50～58％，氮元素的原子百分数为42～50％；所述厚度TiN过渡层为100～800nm。
更为优选地，所述TiN过渡层的厚度为200～500nm。
更为优选地，所述TiN过渡层的厚度为300～400nm。
优选地，所述基体为铝钛合金或不锈钢。
更为优选地，所述基体为Ti-6Al-4V合金。
应当理解的是，本发明对所述Ti-6Al-4V的成分没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的用于发动机及海洋装备的高温耐腐蚀部件的Ti-6Al-4V合金即可。
上述纳米复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
S1：在基体表面沉积TiN过渡层；
S2：在S1所得的TiN过渡层的表面依次交替沉积TiBON层和TiBO层，即得海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层。
优选地，所述TiBON层通过如下过程制备得到：以TiB2为沉积靶材，通入N2和O2，沉积得到所述TiBON层；所述N2和O2的体积比为1:2～4:1。
优选地，所述TiBO层通过如下过程制备得到：以TiB2为沉积靶材，通入Ar和O2，沉积得到所述TiBO层，所述Ar和O2的体积比为1:2～3:1。
优选地，S1中利用阴极电弧离子镀技术在基体表面沉积TiN过渡层。
本发明对所述TiN过渡层的阴极电弧离子镀技术的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的阴极电弧离子镀技术的技术方案即可。
优选地，所述阴极电弧离子镀技术的参数为：基体转速2～8rpm，溅射温度300～500℃，反应气体氮气，沉积气体压力1.0～1.8Pa，偏压100～180V，靶电流40～100A，沉积时间10～30min。
优选地，所述阴极电弧离子镀技术的参数为：基体转速3～6rpm，溅射温度400～450℃，反应气体氮气，沉积气体压力1.3～1.5Pa，偏压130～160V，靶电流60～75A，沉积时间15～25min。
优选地，S2中利用高功率脉冲磁控溅射技术依次交替沉积TiBON层和TiBO层。
在本发明中，所述高功率脉冲磁控溅射沉积能够进一步使涂层具有优异的膜基结合力，降低涂层内应力，提高耐磨性及涂层硬度。
更为优选地，所述高功率脉冲磁控溅射技术的过程为：打开TiB2靶，沉积TiBO层；然后再开启N2流量阀，沉积TiBON层；重复沉积TiBO层和TiBON层至所述纳米复合层沉积完成。
优选地，所述沉积TiBO层的参数为：溅射气体氩气，反应气体氧气，氩气和氧气总气压0.4～1.2Pa，氩气和氧气气压比为1～3:3～1，基体转速2～10rpm，溅射温度300～500℃，靶材平均电流3～8A，靶材峰值电流300～800A，靶材峰值电压300～800V，占空比1～8％。
更为优选地，所述沉积TiBON层的参数为：溅射气体氩气，反应气体氧气和氮气，氩气和氧气总气压0.6～1.0Pa，氮气和氧气气压比1～2:2～1，基体转速3～6rpm，溅射温度300～500℃，靶材平均电流2～6A，靶材峰值电流400～700A，靶材峰值电压500～800V，占空比3～6％。
优选地，S2在交替沉积后，还包括将所述沉积的产物冷却的步骤。
优选地，所述冷却在沉积的气氛中进行。
优选地，所述冷却的终点温度为低于120℃。
优选地，所述冷却的终点温度为低于80℃。
优选地，S1前还包括对所述基体依次进行预处理、溅射清洗和活化的步骤。
本发明对所述预处理的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的预处理的技术方案即可。
优选地，所述预处理的过程为洗涤和干燥。
优选地，所述洗涤为在丙酮和无水乙醇中依次超声；所述在丙酮和无水乙醇中超声的时间独立地为15～30min。
更为优选地，所述在丙酮和无水乙醇中超声的时间均为20min。
优选地，所述干燥为利用洁净的压缩空气吹干。
优选地，所述溅射清洗的参数为：基体转速2～8rpm，溅射温度300～500℃，溅射气体氩气，溅射气体压力0.3～1.2Pa，偏压800～1200V，溅射清洗时间10～30min。
在本发明中，所述溅射清洗能够提高基体与TiN过渡层之间的结合能力。
更为优选地，所述溅射清洗的参数为：基体转速4～6rpm，溅射温度350～400℃，溅射气体氩气，溅射气体压力0.5～0.8Pa，偏压900～1100V，溅射清洗时间20～35min。
优选地，利用Ti阴极电弧靶进行活化；所述活化的参数为：基体转速2～9rpm，溅射温度300～500℃，溅射气体氩气，溅射气体压力0.8～1.5Pa，偏压400～800V，靶电流40～100A，沉积时间5～25min。
在本发明中，所述活化通过Ti离子轰击基体表面，增加基体表面的粒子的能量状态，生成金属层，增强涂层与基体的结合力。
优选地，所述活化的参数为：基体转速3～6rpm，溅射温度400～450℃，溅射气体氩气，溅射气体压力1.0～1.2Pa，偏压500～700V，靶电流60～80A，沉积时间10～15min。
上述纳米复合涂层在海洋装备表面防护中的应用也在本发明的保护范围内。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的纳米复合涂层以TiN为过渡层，增强纳米复合层与基体之间的连接，增加整体涂层的结合力；TiBON层和TiBO层组成的纳米复合层兼具高硬度及低摩擦系数，在海洋环境具有自润滑特性，并且TiBON层和TiBO层的依次交替可以降低涂层的应力，进一步提高耐磨性和耐腐蚀特性。实验结果表明，本发明提供的耐磨自润滑纳米复合涂层的硬度可达32GPa，应用该涂层的海洋装备部件寿命可提高5倍以上。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的耐磨自润滑纳米复合涂层XRD衍射图像。
图2为本发明实施例1提供的耐磨自润滑纳米复合涂层TEM图像；
图3为本发明实施例2提供的耐磨自润滑纳米复合涂层(b)及对比例3(a)的摩擦磨损图像。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种纳米复合涂层(涂层1)，其制备方法如下。
将经预处理后的Ti-6Al-4V基体均匀固定在支架上，装入镀膜机中，调节工件支架转速为3rpm，抽至本底真空1.0×10-3Pa，同时打开加热器，升温至300℃；打开氩气流量阀，调节真空室约为0.3Pa，基体加负偏电压1200V，进行辉光溅射清洗10min；
然后降低基体负偏电压至400V，开启氩气流量阀，控制气体压力0.8Pa，开启Ti阴极电弧靶，调节靶电流为40A，沉积温度500℃，以Ti离子高能轰击基体5min以活化基体表面；关闭氩气流量阀，打开氮气流量阀，基体偏压降至100V，镀膜压力1.0pa,基体温度500℃，靶电流40A，沉积TiN过渡层10min；通入氩气和氧气控制总气压在0.6Pa，氮气/氧气比例为1/2，工件架转速3rpm，打开TiB2靶，调节高功率脉冲磁控溅射平均电流3A，峰值电流700A，峰值电压500V，占空比3％，沉积TiBON层5分钟；关闭氮气流量阀，控制氩气/氧气比例为1/3，靶材平均电流3A，靶材峰值电流800A，靶材峰值电压300V，占空比1％，沉积TiBO 5分钟。这样交替性开启和关闭氮气流量阀，沉积TiBON/TiBO层60min，关闭电源，关闭流量阀，完成镀膜后，基体随炉降温至80℃后取出常温冷却即可。
制备出的样品表面涂层命名为涂层1，涂层的XRD图像和TEM透射电镜图像如图1和图2所示。图1可以很明显的看到纳米晶TiN和TiB2的X射线衍射峰，未发现BN和氧化物的衍射峰，可推测其为非晶相；图2可以看出纳米晶粒和非晶基体的结构。因此，整体涂层为一种TiN、TiB2纳米晶、非晶BN和非晶氧化物的纳米复合结构。
涂层1各层原子百分比及厚度如下：
TiN过渡层：钛52at.％，氮48at.％；厚度120nm；
TiBON层：钛30at.％，硼20at.％，氧14at.％和氮36at.％；厚度10nm；
TiBO层：钛35at.％，硼16at.％和氧49at.％；厚度12nm。
实施例2
本实施例提供一种纳米复合涂层(涂层2)，其制备方法如下。
将经预处理后的Ti-6Al-4V基体均匀固定在支架上，装入镀膜机中，调节工件支架转速为3rpm，抽至本底真空1.0×10-3Pa，同时打开加热器，升温至300℃；打开氩气流量阀，调节真空室约为1.2Pa，基体加负偏电压1200V，进行辉光溅射清洗35min；
然后降低基体负偏电压至800V，开启氩气流量阀，控制气体压力0.5Pa，开启Ti阴极电弧靶，调节靶电流为40A，沉积温度500℃，以Ti离子高能轰击基体5min以活化基体表面；关闭氩气流量阀，打开氮气流量阀，基体偏压降至100V，镀膜压力1.0pa,基体温度500℃，靶电流40A，沉积TiN过渡层10min；通入氩气和氧气控制总气压在0.6Pa，氮气/氧气比例为1/2，工件架转速3rpm，打开TiB2靶，调节高功率脉冲磁控溅射平均电流3A，峰值电流700A，峰值电压500V，占空比8％，沉积TiBON层5分钟；关闭氮气流量阀，控制氩气/氧气比例为1/3，靶材平均电流3A，靶材峰值电流800A，靶材峰值电压300V，占空比6％，沉积TiBO 5分钟。这样交替性开启和关闭氮气流量阀，沉积TiBON/TiBO层100min，关闭电源，关闭流量阀，完成镀膜后，基体随炉降温至120℃后取出常温冷却即可。
制备出的样品表面涂层命名为涂层2，图3位实施例2中耐磨自润滑纳米复合涂层(b)及对比例3(a)的摩擦磨损图像。从图中可以很明显的看出在海洋环境中涂层2的耐磨性优于对比例3。
涂层2的原子百分比及厚度如下：
TiN过渡层：钛51at.％，氮49at.％；厚度400nm；
TiBON层：钛32at.％，硼19at.％，氧13at.％和氮36at.％；厚度25nm；
TiBO层：钛33at.％，硼19at.％和氧48at.％；厚度30nm。
实施例3
本实施例提供一种纳米复合涂层(涂层3)，其制备方法如下。
将经预处理后的Ti-6Al-4V基体均匀固定在支架上，装入镀膜机中，调节工件支架转速为5rpm，抽至本底真空1.0×10-3Pa，同时打开加热器，升温至400℃；打开氩气流量阀，调节真空室约为1.2Pa，基体加负偏电压1200V，进行辉光溅射清洗20min；
然后降低基体负偏电压至800V，开启氩气流量阀，控制气体压力0.5Pa，开启Ti阴极电弧靶，调节靶电流为80A，沉积温度500℃，以Ti离子高能轰击基体15min以活化基体表面；关闭氩气流量阀，打开氮气流量阀，基体偏压降至120V，镀膜压力1.0pa,基体温度500℃，靶电流60A，沉积TiN过渡层10min；通入氩气和氧气控制总气压在0.6Pa，氮气/氧气比例为2/1，工件架转速3rpm，打开TiB2靶，调节高功率脉冲磁控溅射平均电流3A，峰值电流700A，峰值电压500V，占空比3％，沉积TiBON层5分钟；关闭氮气流量阀，控制氩气/氧气比例为3/1，靶材平均电流3A，靶材峰值电流800A，靶材峰值电压300V，占空比3％，沉积TiBO 8分钟。这样交替性开启和关闭氮气流量阀，沉积TiBON/TiBO层90min，关闭电源，关闭流量阀，完成镀膜后，基体随炉降温至120℃后取出常温冷却即可。
制备出的样品表面涂层命名为涂层3，其涂层原子百分比及厚度如下：
TiN过渡层：钛55at.％，氮45at.％；厚度380nm；
TiBON层：钛30at.％，硼20at.％，氧15at.％和氮35at.％；厚度18nm；
TiBO层：钛40at.％，硼15at.％和氧45at.％；厚度9nm。
应当理解的是，通过控制沉积的条件可以得到其它原子百分比及厚度的TiN过渡层、TiBON层和TiBO层，在此不再赘述。
对比例1
采用实施例1所述方法在Ti-6Al-4V合金基体上制备的仅含钛氮缓冲层的样品，命名为涂层4。
对比例2
采用实施例1所述方法在Ti-6Al-4V合金基体上制备的仅含钛氮缓冲层和TiBON层的样品，命名为涂层5。
对比例3
采用实施例1所述方法在Ti-6Al-4V合金基体上制备的仅含钛氮缓冲层和TiBO层的样品，命名为涂层6。
检测实施例1～3及对比例1～3所获得的涂层的性能，结果如表1。
表1实施例1～3及对比例1～3涂层性能检测结果
编号 硬度(<u>GPa</u>) 结合力(N) 海水摩擦系数
涂层1 24 63 0.08
涂层2 32 65 0.12
涂层3 18 60 0.12
涂层4 20 45 0.56
涂层5 22 46 0.42
涂层6 24 37 0.48
由以上对比例及实施例可以看出，本发明提供的耐磨自润滑纳米复合涂层硬度高，海水环境摩擦系数低，并且涂层与基体的结合力强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层，其特征在于，包括在基体表面依次设置的TiN过渡层和纳米复合层，所述纳米复合层包括在TiN过渡层表面依次交替设置的TiBON层和TiBO层；所述TiBON层为包括TiN、TiB2纳米晶、非晶BN和非晶氧化物TiO2的纳米复合结构，所述TiBON层中钛元素的原子百分数为29～40％，硼元素的原子百分数为16～22％，氧元素的原子百分数为7～16％，氮元素的原子百分数为35～46％；所述TiBO层为包括TiB2纳米晶和非晶氧化物TiO2的纳米复合结构；所述TiBO层中，钛元素的原子百分数为30～40％，硼元素的原子百分数为9～25％，氧元素的原子百分数为40～52％。
2.根据权利要求1所述纳米复合涂层，其特征在于，每层TiBON层和TiBO层的厚度分别独立地选自2～50nm。
3.根据权利要求1所述纳米复合涂层，其特征在于，所述TiBON层的数量为10～100层。
4.根据权利要求1所述纳米复合涂层，其特征在于，所述TiBON层中，钛元素的原子百分数为32％，硼元素的原子百分数为19％，氧元素的原子百分数为13％，氮元素的原子百分数为36％。
5.根据权利要求1所述纳米复合涂层，其特征在于，所述TiBO层中，钛元素的原子百分数为33％，硼元素的原子百分数为19％，氧元素的原子百分数为48％。
6.根据权利要求1所述纳米复合涂层，其特征在于，所述TiN过渡层中，钛元素的原子百分数为50～58％，氮元素的原子百分数为42～50％；所述TiN过渡层的厚度为100～800nm。
7.权利要求1～6任一所述纳米复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在基体表面沉积TiN过渡层；
S2：在S1所得的TiN过渡层的表面依次交替沉积TiBON层和TiBO层，即得海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层。
8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述TiBON层通过如下过程制备得到：以TiB2为沉积靶材，通入N2和O2，沉积得到所述TiBON层；所述N2和O2的体积比为1:2～4:1。
9.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述TiBO层通过如下过程制备得到：以TiB2为沉积靶材，通入Ar和O2，沉积得到所述TiBO层，所述Ar和O2的体积比为1:2～3:1。
10.权利要求1～6任一所述纳米复合涂层在海洋装备表面防护中的应用。
CN201811089085.XA 2018-09-18 2018-09-18 一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用 Active CN109161845B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811089085.XA CN109161845B (zh) 2018-09-18 2018-09-18 一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811089085.XA CN109161845B (zh) 2018-09-18 2018-09-18 一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109161845A CN109161845A (zh) 2019-01-08
CN109161845B true CN109161845B (zh) 2020-06-05

Family

ID=64879799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811089085.XA Active CN109161845B (zh) 2018-09-18 2018-09-18 一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109161845B (zh)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004042149A (ja) * 2002-07-09 2004-02-12 Hitachi Tool Engineering Ltd 被覆切削工具及
JP5240604B2 (ja) * 2008-04-18 2013-07-17 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆切削工具
CN101798678B (zh) * 2010-03-29 2012-04-25 天津师范大学 一种磁控溅射技术制备的新型超硬TiB2/c-BN纳米多层薄膜
JP6143158B2 (ja) * 2012-12-28 2017-06-07 住友電工ハードメタル株式会社 表面被覆部材およびその製造方法
CN103898467A (zh) * 2014-04-18 2014-07-02 常州多晶涂层科技有限公司 一种纳米复合TiCrBN涂层及其制备方法
CN105256273A (zh) * 2015-11-08 2016-01-20 宜昌后皇真空科技有限公司 一种氮硼钛/氮硅铝钛纳米复合多层涂层刀具及其制备方法
CN107190243A (zh) * 2017-05-15 2017-09-22 广东工业大学 一种TiB2/AlTiN复合涂层及其制备方法与应用
CN107557782A (zh) * 2017-10-24 2018-01-09 大连理工大学 钛合金表面激光原位合成TiBx‑TiN/Ti3Al复合涂层及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109161845A (zh) 2019-01-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108728793B (zh) 一种强韧耐蚀CrAlN/Cr2AlC多层膜涂层及其制备方法
CN104002516B (zh) 一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/MoS2多层涂层及其制备方法
WO2019072084A1 (zh) 一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具
CN107354438B (zh) 一种圆锯片表面的复合纳米涂层
CN110438442B (zh) 一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅双相超硬涂层及其沉积方法
CN105671499B (zh) 一种耐磨耐蚀CrAlSiN复合涂层及其制备方法
CN106191794A (zh) 钛合金表面超硬减摩耐磨复合膜层的覆层方法及钛合金材料
CN103029366A (zh) 一种含有NiCrN三元涂层的制品及制备方法
WO2019072083A1 (zh) 一种柔性硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具
CN107190243A (zh) 一种TiB2/AlTiN复合涂层及其制备方法与应用
CN103522627A (zh) 一种阀门密封件表面的复合涂层及其制备方法
CN105839054A (zh) 一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层及其制备方法
CN108251797A (zh) 一种钛合金切削刀具用TiAlN/CrN多层涂层及其制备方法
CN110438465B (zh) 金属基体表面抗磨蚀防护涂层及其制备方法与应用
CN114574827B (zh) 一种含碳高熵合金薄膜及其制备方法与应用
CN103938157B (zh) 一种ZrNbAlN超晶格涂层及制备方法
WO2023004752A1 (zh) 一种周期性多层结构涂层带锯条及其制备方法和应用
CN113046703B (zh) 一种高硬度纳米复合涂层及其制备方法与应用
CN110117774A (zh) 一种tc4钛合金表面涂层及其制备方法和tc4钛合金产品
CN102673043A (zh) 一种纺织钢领用高硬度、低摩擦系数耐磨涂层及其沉积方法
CN107354437B (zh) 一种提高圆锯片切削速度的多层复合涂层
CN109161845B (zh) 一种海洋环境耐磨自润滑纳米复合涂层及其制备方法和应用
CN103045998B (zh) 一种含有CrNiTiAlN五元涂层的制品的制备方法
CN203697597U (zh) 一种阀门密封件表面的复合涂层
CN111074213B (zh) 仿贝壳堆垛型珍珠层的纳米复合涂层、其制备方法及应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant