[发明专利]一种基于PVD技术的块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷双向纳米梯度材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于PVD技术的块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷双向纳米梯度材料及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：S1：将基片设置于PVD设备转架上，控制靶材工作面与基片正对，且两者的距离为7~20 cm；S2：控制靶材电流密度为150~300 A，基体偏压为0~‑50V，沉积时间3~30 h，氮气压力按六阶段控制，依次沉积即得所纳米梯度材料。本发明通过优化靶材与基片之间的间距、靶材等核心工艺参数，使得基体负变压作用，实现了纳米梯度材料的制备；该纳米梯度材料从表层到心部硬度和应力呈现梯度变化规律特征，表层具有高硬度和耐磨性，心部具有优良的韧性，该材料具有优异的断裂韧性、承载能力及摩擦磨损性能。

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料领域，具体涉及一种基于PVD技术的块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷双向纳米梯度材料及其制备方法。

背景技术

随国民经济的快速发展，人们对陶瓷材料的要求日益增加，这就要求陶瓷材料在具备高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能外，还需求具备有高的断裂韧性、高疲劳性能等。因此，通过陶瓷材料的整体强化，难以实现材料多功能目标。针对多功能目标，可以制备陶瓷材料心部是金属和表层是陶瓷材料。但金属与陶瓷硬度差异大，陶瓷与基体界面容易出现应力集中，严重影响陶瓷材料断裂韧性及疲劳性能。

梯度结构是由一种成分、组织或相(或组元)逐渐向另一成分组织结构或相(或组元)过渡的结构材料。这种结构不仅能有效避免尺寸突变引起的性能突变，还能使材料具有不同特征尺寸的结构相互协调，使材料的整体性能和服役性能得到极大优化和提升，为实现材料强韧性的完美匹配和多功能性提供了一个重要的方向。但如何制备块体的金属陶瓷/金属/金属陶瓷双向梯度纳米材料是研究难点。

物理气相沉积（PVD）技术，是指在真空条件下，用物理的方法，将材料气化成原子、分子或使其电离成等离子体，并通过气相过程，在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜技术。PVD技术，易于控制材料成分和组织结构，已经被广泛用于刀具、模具、零配件表面防护涂层材料的制备。虽然有学者利用多靶共溅射技术，实现了成分和结构梯度变化的金属材料。但由于磁控溅射（PVD技术一种）沉积效率低，沉积材料内应力大，其厚度通常小于10μm，无法实现块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷梯度纳米材料的制备。因此，利用PVD技术制备高纯的块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷梯度纳米材料的制备工艺至今未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中PVD技术无法制备高纯的块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷梯度纳米材料的缺陷，提供一种基于PVD技术的块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷双向纳米梯度材料的制备方法。本发明提供的制备方法通过选用非常规的PVD控制条件，优化靶材与基片之间的间距、靶材电流密度、基体偏压、沉积时间和氮气流量等核心工艺参数，使得基体负变压作用，实现了块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷双向纳米梯度材料的制备；制备得到的块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷双向纳米梯度材料从表层到心部，其硬度和应力呈现梯度变化规律特征，表层具有高硬度和耐磨性，心部具有优良的韧性，该梯度材料具有优异的断裂韧性、承载能力及摩擦磨损性能等。

本发明的另一目的在于提供一种块体金属陶瓷材料。

本发明的另一目的在于上述块体金属陶瓷材料在航天航空、机械制造、汽车或电流领域中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于PVD技术的块体金属陶瓷/金属/金属陶瓷双向纳米梯度材料的制备方法，包括如下步骤：

S1：将基片设置于PVD设备转架上，控制靶材工作面与基片正对，且两者的距离为7~50 cm；