通过构建TiB?/ZrB?纳米多层结构提高TiB?涂层的力学性能和耐磨性

《Surface and Coatings Technology》：Enhancing mechanical properties and wear resistance of TiB 2 coating by building TiB 2/ZrB 2 nanomultilayer structure

　　

摘要

本文通过交替沉积TiB₂和ZrB₂制备了TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层，并将其微观结构、力学性能和耐磨性能与TiB₂涂层和ZrB₂涂层进行了对比研究。结果表明，TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层沿(0001)晶面表现出强烈的择优取向。尽管TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层的硬度略低于TiB₂涂层，但仍高达48 GPa。划擦试验表明，TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层的附着强度约为TiB₂涂层的五倍，这归因于残余压应力的降低。与TiB₂涂层相比，TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层的韧性显著提升。TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层具有更优异的综合力学性能，耐磨性显著增强，磨损失率降低了71%。本研究证明了TiB₂/ZrB₂纳米多层结构在提升TiB₂涂层力学性能和耐磨性方面具有重要意义。

引言

过渡金属硼化物具有高熔点、高硬度、高耐磨性以及优良的电导率和热导率等显著特性，常被用作刀具保护涂层[1]、[2]、[3]。其中，TiB₂涂层凭借其高硬度、高熔点、良好的热稳定性和耐磨性等优势，在保护难加工材料（如钛合金）的切削刀具方面展现出重要的应用潜力[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。在加工钛合金时，TiB₂涂层因形成B₂O₃润滑摩擦膜而显著减少积屑瘤和冷焊现象[9]、[10]。然而，采用物理气相沉积（PVD）技术制备的TiB₂涂层残余压应力过高，导致与基体的附着性能差[11]、[12]。此外，TiB₂涂层固有的高硬度往往伴随着高脆性，从而导致韧性低[13]。TiB₂涂层韧性低且与基体附着性能差，容易在加工过程中引发脆性剥落，这一缺陷限制了其在钛合金加工中的更广泛应用。

Hahn等人[14]、[15]报道，由两种同构组分周期性交替纳米层构成的纳米多层结构是在保持陶瓷涂层高硬度的同时提高其韧性的有效途径之一。该纳米多层结构已被广泛应用于提高氮化物硬质涂层的韧性[16]、[17]、[18]、[19]，并已扩展至六方过渡金属二硼化物涂层[20]、[21]、[22]。Hahn等人[23]、[24]揭示了此类纳米多层涂层中界面处的相干应力增强涂层韧性的机制。此外，已有报道指出，纳米多层涂层中的界面通过阻碍裂纹扩展来提高涂层的附着强度[25]、[26]。

鉴于ZrB₂和TiB₂均属于六方AlB₂型结构，且两者a轴晶格失配度为4.64%[27]、[28]，构建具有相干应力的TiB₂/ZrB₂纳米多层结构以提高TiB₂涂层的韧性被认为是一种可行的策略。然而，目前关于沉积在硬质合金基体上的TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层的力学性能研究，以及与钛合金磨球配对时的摩擦学性能研究仍然缺乏。

本研究采用磁控溅射技术在硬质合金基体上制备了TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层，并以TiB₂单层涂层和ZrB₂单层涂层作为参照样品。系统研究了三种涂层的微观结构、力学性能和摩擦学性能。本研究旨在阐明TiB₂/ZrB₂纳米多层架构在提升TiB₂涂层综合力学性能及改善其加工钛合金时的耐磨性方面的作用。

章节摘要

实验细节

采用频率为40 kHz的中频磁控溅射技术，分别在WC-6 wt% Co硬质合金基体上沉积了TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层以及TiB₂和ZrB₂单层涂层。每种涂层各沉积了六个重复试样。在下文中，它们分别简称为TiB₂/ZrB₂涂层、TiB₂涂层和ZrB₂涂层。基体表面经抛光至镜面光洁度。在涂层沉积之前，

化学成分与微观结构

TiB₂、ZrB₂和TiB₂/ZrB₂涂层的截面形貌和表面形貌如图2所示。所有涂层均呈现致密结构，表面特征平滑。根据三种涂层厚度的变化推断，ZrB₂的沉积速率略高于TiB₂，这与文献[23]中的报道一致。采用EPMA检测的三种涂层的化学成分如表1所示。TiB₂涂层

结论

通过交替溅射化学计量比的TiB₂靶材和ZrB₂靶材沉积制备了TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层。对TiB₂涂层、ZrB₂涂层和TiB₂/ZrB₂纳米多层涂层的微观结构、硬度、附着强度、韧性和耐磨性进行了系统的对比研究。结论如下：

• (1)
  与TiB₂涂层相比，ZrB₂涂层的残余应力降低。TiB₂/ZrB₂纳米多层

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利益冲突声明

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致谢

作者对以下机构提供的资助表示衷心感谢：国红工具系统（无锡）有限公司（24H0315）、教育部材料与表面技术重点实验室（编号：xxx-2025-zd005）以及四川省重大科技项目（2025ZDZX0109）。

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