[發明專利]一種基體表面的TiAlN/TiAlCN多層膜涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201010594825.2
• 申請日: 2010-12-09
• 公開（公告）號: CN102011090A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 汪愛英;陳鋒光;孫麗麗
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/35
• 代理公司: 寧波市天晟知識產權代理有限公司 33219
• 代理人: 張文忠;任漢平

技術領域

本發明涉及材料表面鍍膜技術領域，尤其涉及一種基體表面的TiAlN/TiAlCN多層膜涂層及其制備方法。

背景技術

TiAlN涂層具有高硬度、高耐磨性、良好的抗高溫氧化性能，極大地提高了機械加工的效率；同時，具有TiAlN涂層的工件的使用壽命比具有傳統TiN涂層和不具有涂層的工件大幅提高，因此在材料表面改性領域得到了廣泛的應用。然而，作為陶瓷材料的TiAlN因為位錯運動的限制，導致韌性低，限制了厚膜的制備以及機械加工過程中容易造成TiAlN涂層的剝落失效，因此制備更厚膜層的TiAlN薄膜成為目前研發的主要方向。大量刀具切削實驗證明，更多的情況是刀具涂層在被磨損之前因為涂層層狀剝離導致刀具失去保護，因此韌性以及與韌性關系密切的結合力問題是亟需解決的重要問題。

與含N的硬質薄膜如TiN、TiAlN相比，含C、N的硬質薄膜如TiCN、TiAlCN等在高速切削和干切削方面表現出高耐磨性和具有更低摩擦系數，因而在刀模具以及機械零部件表面處理方面得到大量應用。但是，含C、N的硬質薄膜在抗高溫氧化性和高溫硬度方面比含N硬質薄膜低。

目前學術界和工業界主要研究TiAlN和TiAlCN單層膜，例如劉浩等人通過周期性向相反方向連續調節C2H2和N2流量，用陰極電弧制備了含C梯度的TiAlCN涂層。Jeon?G.Han等人通過陰極電弧離子鍍制備了TiAlN/TiAlCN多層膜，該多層膜的縱向和橫向抗沖擊能力比TiAlN單層膜高，但是由于采用陰極電弧離子鍍方法沉積薄膜，沉積速率較快，層間厚度較大，雖然周期性向相反方向斷續改變C2H2和N2流量，層間依然是C過渡，層間沒有形成晶格外延，導致單層內缺陷增加，內應力積累。

因此，研究和制備具有高硬度、低內應力以及高韌性的多層膜涂層是目前科技工作者的研究熱點。

發明內容

本發明的技術目的是針對現有技術的不足，提供一種基體表面的TiAlN/TiAlCN多層膜涂層及其制備方法，該TiAlN/TiAlCN多層膜涂層具有高硬度、低內應力以及高韌性。

本發明實現上述技術目的所采用的技術方案為：一種基體表面的TiAlN/TiAlCN多層膜涂層，基體與TiAlN/TiAlCN多層膜涂層之間為過渡涂層，其特征是：所述的TiAlN/TiAlCN多層膜涂層由TiAlN膜與TiAlCN膜交替層疊形成周期排列；所述的TiAlN/TiAlCN多層膜涂層的一個周期中，TiAlN膜與TiAlCN膜的厚度之和為1納米～20納米；所述的TiAlCN膜的C原子的原子百分含量為0.1％～5％。

與現有技術相比，本發明一種基體表面的TiAlN/TiAlCN多層膜涂層將晶格參數不同的兩種膜，即TiAlN膜與TiAlCN膜交疊形成周期排列的多層膜涂層，利用層間餓耦合效應克服了單層膜存在的缺點，例如緩解單層膜內應力隨著膜厚的增加而增大、涂層和基體結合力差以及涂層本身開裂等問題，通過TiAlN膜和TiAlCN膜的晶格常數微小差異，達到緩解TiAlN/TiAlCN多層膜涂層中單層晶格畸變，降低內應力積累以及阻止裂紋擴展，實現具有高韌性的更厚膜層；進而，本發明將一個周期中的TiAlN膜與TiAlCN膜的厚度之和控制在1納米～20納米，即調制周期為1納米～20納米，從而降低了薄膜點缺陷和位錯，凸顯了納米尺寸效應，極大地提高了TiAlN/TiAlCN多層膜涂層的硬度和韌性；最后，本發明將TiAlCN膜的C原子的原子百分含量控制在小于5％的范圍內，一方面可以造成TiAlCN的晶格相對于TiAlN的晶格的微小增大，實現TiAlN層和TiAlCN層晶格常數微小差異；另一方面可以避免過多的C造成C析出產生DLC破壞TiAlCN晶體結構的完整性以及局部外延的條件，其中DLC是類金剛石碳的英文縮略。因此，本發明的TiAlN/TiAlCN多層膜涂層是一種具有高硬度、低內應力以及高韌性的厚膜層，提高了膜層的結合力以及多層膜涂層的耐磨、耐沖擊和抗腐蝕性能，從而提高了基體的切削效率與抗腐蝕性、延長了基體的使用壽命。

本發明一種基體表面的TiAlN/TiAlCN多層膜涂層的制備方法包括如下步驟：

步驟1：鍍膜腔體內通入氣壓為0.1Pa～2Pa的氬氣，基體上施加-200V～-1600V的脈沖偏壓，利用線性陽極層離子源電離氬離子刻蝕基體表面10分鐘～30分鐘，線性陽極層離子源電流為1A～3A；

步驟2：鍍膜腔體內通入氮氣和氬氣，保持氮氣分壓在0.2Pa～2Pa，氬氣分壓在0.1Pa～1Pa，腔體內溫度控制在350℃～500℃，用高功率脈沖磁控濺射技術制備過渡涂層；