CN109930108A - 一种高温耐磨自润滑TiB2基涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面处理防护领域，公开了一种高温耐磨自润滑TiB₂基涂层及其制备方法和应用。所述TiB₂基涂层是将x元素和y元素固溶在TiB₂晶体中，所述x元素为钇或镧；所述y元素为钒、钼或钨。本发明通过在TiB₂基涂层中同时引入x金属元素和y金属元素，涂层表面具有抗粘结、高温自润滑等功能，降低TiB₂涂层刀具在高速切削钛合金时的摩擦磨损和金属粘着，使得涂层更适用于更苛刻的应用环境，实现更佳的表面防护效果。

Description

一种高温耐磨自润滑TiB2基涂层及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于表面处理防护技术领域，更具体地，涉及一种高温耐磨自润滑TiB₂基涂层及其制备方法和应用。

背景技术

TiB₂是一类过渡族金属硼化物，具有一系列优异的物化性能，比如高的红硬性、高熔点、高的耐磨性和耐腐蚀性、优异的化学稳定性和惰性，使得TiB₂涂层在很多高温恶劣环境下具有巨大潜在应用优势，如钛合金切削、高温热压成形等方面。但TiB₂涂层在高温环境易与氧反应，生成B₂O₃和TiO₂等氧化产物。TiO₂结构疏松，性能差；B₂O₃熔点低，高温易挥发，这使得TiB₂涂层高温摩擦磨损性能较差，极大限制了其在实际工业上的应用。对工模具表面硬质保护涂层，对涂层要求一方面在高温下能起到润滑作用，降低摩擦系数；另一方面要求涂层具有很高的强韧性，能抵御磨损，延长零件使用寿命。这就要求涂层在高温下能保持很高的结构稳定性，维持机械强度，同时在摩擦过程中能在表面能形成软性的润滑层，降低摩擦系数，降低能耗。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明提供了一种高温自润滑TiB₂基涂层。

本发明的另一目的在于提供一种上述高温自润滑TiB₂基涂层的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述高温自润滑TiB₂基涂层的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种高温耐磨自润滑TiB₂基涂层，所述TiB₂基涂层是将x元素和y元素固溶在TiB₂晶体中，所述x元素为钇或镧；所述y元素为钒、钼或钨。

优选地，所述x元素含量为0.5～10％、y元素含量为0～5％，其余含量为TiB₂晶体。

所述的高温耐磨自润滑TiB₂基涂层的制备方法，包括以下具体步骤：

S1.用酒精超声清洗基体，再用去离子水漂洗，干燥压缩氮气吹干；

S2.将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空至真空度6.0×10^–3～5.0 ×10^–3Pa，开启离子源，向离子源通入120sccm氩气，设置离子源功率1～2kW，设置工件支架偏压为800～1000V，工作时间为20～40min分钟进行离子束刻蚀；

S3.向真空室通入氩气，同时开启离子源和三个磁控溅射源，其中一个磁控溅射源装载TiB₂靶材，另两个磁控溅射源装载金属靶材A和金属靶材B；控制真空室整体气压为0.4～0.6Pa；设置磁控溅射功率1kW～2kW；将基体的偏压设置为60～80V，沉积时间为3～4小时，沉积得高温耐磨自润滑TiB₂基涂层；

S4.关闭电源，待真空室的温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成高温耐磨自润滑TiB₂基涂层。

优选地，步骤S3中所述金属靶材A为钇靶或镧靶；所述金属靶材B为钒靶、钼靶或钨靶。

优选地，步骤S3中所述金属靶材A和金属靶材B的纯度为99.2％～99.8％。

述的高温耐磨自润滑TiB₂基涂层在机械零部件、刀具或模具表面防护领域中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明在TiB₂基涂层中同时引入x金属元素和y金属元素，在增强涂层的柔韧性和附着力的同时，改善涂层高温抗摩擦磨损性能和抗氧化性能，使得涂层适用于更苛刻的应用环境，如机械零部件、刀具、模具等产品表面的防护。

2.本发明TiB₂基涂层表面具有抗粘结、高温自润滑等功能，降低TiB₂涂层刀具在高速切削钛合金时的摩擦磨损和金属粘着，使得涂层更适用于更苛刻的应用环境，实现更佳的表面防护效果。

附图说明

图1为本发明TiB₂基涂层结构示意图。

图2为实施例1所制备的TiB₂基涂层常温和在500℃摩擦磨损试验图。

图3为实施例1所制备的TiB₂基涂层在500℃摩擦磨损形貌SEM照片。

具体实施方式

下面结合具体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。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。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

1.复合镀膜机准备：本实施选择采用复合磁控溅射镀膜机，包括一个真空室、三个磁控溅射源、一个离子源和同时能旋转的工件支架，工件支架安装在真空室内部；在其中两个磁控溅射源分别装载纯度为99.8％的钇靶和纯度为99.8％的钒靶，另外一个磁控溅射源装载纯度为99.8％的TiB₂靶；

2.样品预清洗处理：利用酒精超声波清洗待镀膜样品，然后用去离子水漂洗，用干燥压缩氮气吹干；

3.将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空，至真空度5.0×10^–3Pa以下，开启离子源，向离子源通入120sccm氩气，设置离子源功率2kW，设置工件支架偏压1000V，工作时间为40min；

4.同时开启装备有单质钇靶的磁控溅射、装备有单质钒靶的磁控溅射，同时向真空室通入氩气控制腔压为0.4Pa；设置磁控溅射功率2kW；将基体的偏压设置为60V，沉积时间为3h，制得钇和钒金属掺杂高温耐磨自润滑TiB₂基涂层；

5.关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，该基体表面形成高温耐磨自润滑TiB₂基涂层。

图1为本发明TiB₂基涂层结构示意图。其中，圆形代表掺杂元素x(x＝Y或La)，三角形代表掺杂元素y(y＝V、Mo或W)，其余部分为TiB₂涂层。本实施例所形成的TiB₂基涂层中，x金属元素钇的原子百分比含量为10％、y金属元素钒的原子百分比含量为5％，TiB₂的原子百分比含量为85％；TiB₂基涂层中TiB₂以晶体形式存在，掺杂钇元素和钒元素以固溶形式存在TiB₂晶体中。

图2为本实施例所制备的TiB₂基涂层常温和在500℃摩擦磨损试验图。从图2中可知，常温下TiVYB涂层相较于TiB₂涂层的摩擦磨损系数略低，在500℃下TiVYB涂层的摩擦系数较TiB₂涂层的摩擦磨损系数出现明显下降；图3为本实施例所制备的TiB₂基涂层在500℃摩擦磨损形貌SEM照片。其中，(a)为TiB₂，(b)为TiVYB，从图3中可知，TiB₂涂层的磨痕形貌出现明显分层沟壑，TiVYB涂层相较于TiB₂涂层磨痕形貌均匀，磨痕宽度也较窄。图2和图3说明掺杂V和Y元素在高温环境下形成了自润滑相，减低了涂层的磨损率，改善了TiB₂基涂层的高温摩擦性能。

实施例2

1.镀膜机准备：本实施选择采用的离子束复合磁控溅射镀膜机，包括一个真空室、三个磁控溅射源、一个离子源和同时能旋转的工件支架，工件支架安装在真空室内部；在其中两个磁控溅射源分别装载纯度为99.5％的镧靶和纯度为99.5％的钼靶，另外一个磁控溅射源装载纯度为99.5％的TiB₂靶；

2.样品(基体)预清洗处理：利用酒精超声波清洗待镀膜样品(基体)，然后用去离子水漂洗，用干燥压缩氮气吹干；

3.将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空，至真空度5.0×10^–3Pa以下，开启离子源，向离子源通入120sccm氩气，设置离子源功率1.5kW，设置工件支架偏压900V，工作时间为30min；

4.同时开启装备有单质镧靶、装备有单质钨靶和装备TiB₂靶的磁控溅射源，同时向真空室通入氩气，控制腔体气压为0.5Pa；磁控溅射功率3kW；将基体的偏压设置为70V，沉积时间为4h，制得镧和钼金属掺杂高温自润滑TiB₂基涂层；

5.关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，该基体表面形成高温耐磨自润滑TiB₂基涂层。

本实施例所形成的TiB₂基涂层中，x金属元素镧的原子百分比含量为8％、y金属元素钼的原子百分比含量为4％，TiB₂的原子百分比含量为88％；TiB₂基涂层中TiB₂以晶体形式存在，掺杂镧元素和钼元素以固溶形式存在TiB₂晶体中。

实施例3

1.复合镀膜机准备：本实施选择采用的离子束复合磁控溅射镀膜机，包括一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和同时能旋转的工件支架，工件支架安装在真空室内部；在其中两个磁控溅射源分别装载纯度为99.6％的钇靶和纯度为99.6％的钨靶，另外一个磁控溅射源装载纯度为99.6％的TiB₂靶；

2.样品(基体)预清洗处理：利用酒精超声波清洗待镀膜样品(基体)，然后用去离子水漂洗，用干燥压缩氮气吹干；

3.将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空，至真空度5.0×10^–3Pa以下，开启离子源，向离子源通入120sccm氩气，设置离子源功率1kW，设置工件支架偏压800V，工作时间为30min；

4.同时开启装备有单质钨靶、装备有单质镍靶和装备TiB₂靶的磁控溅射源，同时向真空室氩气，控制腔体气压为0.6Pa，磁控溅射功率1.5kW，将基体的偏压设置为80V，沉积时间为3h，制得钇和钨金属掺杂高温耐磨自润滑TiB₂基涂层：

5.关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，该基体表面形成高温耐磨自润滑TiB₂基涂层。

本实施例所形成的TiB₂基涂层中，x金属元素钇的原子百分比含量为6％、y金属元素钨的原子百分比含量为3％，TiB₂原子百分比含量为91％；TiB₂基涂层中TiB₂以晶体形式存在，掺杂钇元素和钨元素以固溶形式存在TiB₂晶体中。

实施例4

1.复合镀膜机准备：本实施选择采用的离子束复合磁控溅射镀膜机，包括一个真空室、三个磁控溅射源、一个离子源和同时能旋转的工件支架，工件支架安装在真空室内部；在其中两个磁控溅射源分别装载纯度为99.8％的镧靶和纯度为99.8％的钼靶，另外一个磁控溅射源装载纯度为99.8％的TiB₂靶；

2.样品(基体)预清洗处理：利用酒精超声波清洗待镀膜样品(基体)，然后用去离子水漂洗，用干燥压缩氮气吹干；

3.将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空，至真空度5.0×10^–3Pa以下，开启离子源，向离子源通入120sccm氩气，设置离子源功率2kW，设置工件支架偏压1000V，工作时间为30min；

4.同时开启装备有单质镧靶、装备有单质钼靶和装备TiB₂靶的磁控溅射源，控制腔体气压0.5Pa；设置磁控溅射功率2kW；将基体的偏压设置为70V，沉积时间为2h，制得镧和钼金属掺杂高温耐磨自润滑TiB₂基涂层；

5.关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，该基体表面形成高温耐磨自润滑TiB₂基涂层。

本实施例所形成的TiB₂基涂层中，x金属元素镧的原子百分比含量为4％、y金属元素钼的原子百分比含量为2％，TiB₂原子的原子百分比含量为96％；TiB₂基涂层中TiB₂以晶体形式存在，掺杂镧元素和钼元素以固溶形式存在TiB₂晶体中。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高温耐磨自润滑TiB₂基涂层，其特征在于，所述TiB₂基涂层是将x元素和y元素固溶在TiB₂晶体中，所述x元素为钇或镧；所述y元素为钒、钼或钨。

2.根据权利要求1所述的高温耐磨自润滑TiB₂基涂层，其特征在于，所述x元素含量为0.5～10％、y元素含量为0～5％，其余含量为TiB₂晶体。

3.根据权利要求1或2所述的高温耐磨自润滑TiB₂基涂层的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

S1.用酒精超声清洗基体，再用去离子水漂洗，干燥压缩氮气吹干；

S2.将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空至真空度6.0×10^–3～5.0×10^–3Pa，开启离子源，向离子源通入120sccm氩气，设置离子源功率1～2kW，设置工件支架偏压为800～1000V，工作时间为20～40min分钟进行离子束刻蚀；

S3.向真空室通入氩气，同时开启离子源和三个磁控溅射源，其中一个磁控溅射源装载TiB₂靶材，另两个磁控溅射源装载金属靶材A和金属靶材B；控制真空室整体气压为0.4～0.6Pa；设置磁控溅射功率1kW～2kW；将基体的偏压设置为60～80V，沉积时间为3～4小时，沉积得高温耐磨自润滑TiB₂基涂层；

S4.关闭电源，待真空室的温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成高温耐磨自润滑TiB₂基涂层。

4.根据权利要求3所述的高温耐磨自润滑TiB₂基涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述金属靶材A为钇靶或镧靶；所述金属靶材B为钒靶、钼靶或钨靶。

5.根据权利要求3所述的高温耐磨自润滑TiB₂基涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述金属靶材A和金属靶材B的纯度为99.2％～99.8％。

6.权利要求1或2所述的高温耐磨自润滑TiB₂基涂层在机械零部件、刀具或模具表面防护领域中的应用。