178 / 2019-03-24 19:06:26

超硬耐蚀二硼化铬涂层的研究

全体主题 > 物理气相沉积和化学气相沉积薄膜技术

过渡族金属硼化物由于其具有强的共价键和较好的化学惰性越来越引起人们的关注。二硼化铬（CrB2）是一种具有AlB2型结构的陶瓷材料，硼原子与铬原子堆垛排列形成致密的层状结构。它具有许多优异的性能，如高熔点（约2200 ºC），高硬度（块体材料硬度为11-20 GPa），高温相稳定性和优异的耐蚀性。但是由于Cr-B相图复杂，CrB2相区窄，因此在低温下获得CrB2较为困难。
在我们前期的工作中，通过调控制备温度，利用传统直流磁控溅射制备了CrB2涂层，并发现当温度升高时，涂层的择优取向由（001）和（101）混合取向转变为（001）择优取向。涂层结构由疏松多孔的非晶结构转变为致密的纳米柱状晶结构，最终制备出了具有硬度达50.72 GPa和断裂韧性达2.41 MPa m1/2的超硬涂层，此外具有（001）择优取向的涂层兼具了较好的高温温度性（1000 ºC下未发生明显相变）
基于以上结果，我们采用相同工艺在300 ºC下制备了CrB2涂层，研究其相结构和组织形貌，发现其有强的（001）择优取向，且截面组织为致密的纳米柱状晶。其硬度为45.71.6 GPa，利用电化学阻抗谱和极化曲线研究其在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为，涂层的自腐蚀电流密度和腐蚀速率相对于基底均下降了两个数量级，且腐蚀过后没有出现明显的孔洞，对腐蚀产物进行分析，发现其生产的Cr2O3使涂层表面进一步钝化，综上所述，强的（001）取向，致密的纳米柱状晶和腐蚀后表面生成的Cr2O3钝化膜使其具有优异的耐蚀特性，在船舶、油气及水利设备等领域有一定的应用前景。
通过改变靶面磁场，设置一个梯度变化的磁场，研究不同磁场对CrB2涂层结构与性能的影响。研究结果可知，用较少的实验次数制备出性能差异较大的多个样品，实现了对不同性能的快速筛选。且磁场的大小和涂层的力学性能和电化学性能存在一定的联系，涂层的力学性能和电化学性能随着磁场的增加呈现先上升 后下降的趋势，随着磁场的增加，轰击效应增强。涂层的厚度、结晶性得到提高，导致其耐蚀性提高，然而当靶面磁场进一步增加时，晶粒长大导致涂层耐蚀性进一步下降。
在筛选出优选的磁场条件下，通过调控不同的偏压制备CrB2涂层，并研究偏压对涂层组织、结构与性能的影响。研究发现，当涂层在无偏压条件下沉积时，涂层结晶性差，组织疏松，孔隙率高，导致CrB2涂层耐蚀性较差。涂层的耐蚀性在偏压为-50 V时达到最佳，因为此时涂层具有强的（001）取向，且晶粒较小。当偏压进一步增加时，孔隙率增加，表面粗糙度也增大，晶粒长大，导致耐蚀性下降。