[發明專利]用于基底表面處理的納米復合涂層及其制備方法和裝置

有效

• 申請號: 201210240424.6
• 申請日: 2012-07-12
• 公開（公告）號: CN102776474A
• 公開（公告）日: 2012-11-14
• 發明（設計）人: 王守仁;張海平;田希杰;王英姿;喬陽;宋令惠;王敏
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/34
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205
• 代理人: 崔同磊

技術領域

本發明涉及用于基底表面處理的納米復合涂層技術領域，具體地說是一種用于基底表面處理的納米復合涂層及其制備方法和裝置。

背景技術

用于基底表面處理的納米多層涂層是指由特征維度尺寸為納米數量級(1～100nm)的組元鑲嵌于不同的基底上所形成的多層涂層材料,使得位錯難以在納米晶內部形成，即使形成也難以運動，有時也把不同組元構成的多層膜如超晶格也稱為納米多層涂層。

在眾多應用于表面強化的Ti系納米涂層材料中，TiN是出現最早，也是被最早應用的一種納米涂層材料，然而后來出現TiAlN納米涂層又是較有代表性的一種，也被認為是最有前途、最新的表面強化涂層材料。TiAlN納米涂層擁有比TiN涂層更高的硬度并有效的克服了TiN涂層應用溫度不高、脆性大及不耐沖擊等缺點，以TiAlN為基的多元化和納米技術涂層更成為研究的熱點，并已在汽車、模具和航空等諸多領域上顯示出極其廣闊的應用前景，作為一種先進的涂層材料,在航空航天方面也有很多應用,例如航天發動機的內層耐磨層,航空發動機壓氣機葉片抗沖蝕和抗鹽霧腐蝕鍍層。TiAlN納米涂層具有硬度高、氧化溫度高、熱硬性好、附著力強、摩擦系數小和導熱率低等優良特性，顯示出其是制作刀具等高速耐磨工件的優良材料。

然而，如果能夠在TiN、TiAlN基礎上設計出一種制備簡單，性能更優的全新的硬度高、摩擦系數小的優質納米涂層，將會得到更為廣闊的應用。

發明內容

本發明的技術任務是解決現有技術的不足，提供一種制備簡單、硬度高、摩擦系數小的用于基底表面處理的納米復合涂層及其制備方法和裝置。

本發明的技術方案是按以下方式實現的，一種用于基底表面處理的納米復合涂層，所述用于基底表面處理的納米復合涂層包括附著在基底表面上的Ti過渡層和納米復合涂層，所述納米復合涂層由TiN涂層、TiAlN涂層、CrTiAlN涂層交替排列組成，所述Ti過渡層設置在里層，納米復合涂層設置在表層。

在本發明中，基底為汽車、模具和航空等領域中高速耐磨工件的統稱，采用上述技術方案，首先在基底上涂覆一層Ti過渡層，然后制備TiN涂層時開啟Ti靶，制備TiAlN涂層時開啟Ti靶、Al靶，制備CrTiAlN涂層時同時開啟Ti靶、Al靶、Cr靶，其靶開啟是在前一個開啟的基礎上而開啟的，當一圈制備完成后再制取TiN涂層時又只開啟Ti靶而關閉Al和Cr靶，然后再重復依次開啟，最終制得TiN涂層、TiAlN涂層、CrTiAlN涂層交替排布的納米復合涂層。上述結構減小了納米多層涂層直接與基底材料涂覆時產生的過大熱膨脹系數差異，因而增加了納米多層涂層與基底材料結合強度，保證其硬度的加強和摩擦系數減小，可以提供一種新型高硬度、低摩擦系數的優質納米復合涂層。

作為改進，所述的納米復合涂層包括4～10層。采用本改進方案，可以保證結構膜的厚度達到所需的要求。

一種制備用于基底表面處理的納米復合涂層的裝置，其結構包括抽真空機構、氣體輸入機構、起重機構、冷卻循環機構、控制機構、反應室，其特征在于：所述反應室內部的四個側面上均設置有靶座，靶座上安裝有工作靶，在反應室上蓋的下側還連接有工件夾持工具，該工件夾持工具包括定位盤，在定位盤的圓周上均勻安裝有至少四個工件夾緊裝置。

采用上述裝置制備用于基底表面處理的納米復合涂層時，采用的工件夾持工具為行星輪夾具，控制凸輪在濺射過程中的曲面廓形，基于離子濺射沉積技術鍍膜的凸輪機構，替代現有凸輪表面熱處理技術，解決凸輪廓形面磨損嚴重、后序加工工作量大和凸輪變形量大等難點，離子濺射后的凸輪機構使用壽命長，加工成本低，摩擦磨損小，減少拆卸更換次數，實現有效地在凸輪廓形面上制備納米多層涂層材料。

作為改進，所述工作靶上配套的槽殼為尼龍槽殼。本改進方案利用尼龍材料制作靶的槽殼與金屬靶座相比保證了磁場的正確性，減少了金屬長期在磁場下被磁化所帶來的磁場情況改變。

作為改進，所述工件夾緊裝置上開設有卡槽并通過定位螺栓固定在定位盤上，在工件夾緊裝置用于夾緊工件的卡槽壁上還設置有壓緊螺栓。本改進方案可保證工件能穩定牢固的安裝在卡槽上。

一種制備用于基底表面處理的納米復合涂層的方法，其特征在于：包括以下步驟：

1）.基底材料準備：首先準備一用于沉積納米復合涂層的基底材料，預處理后備用；

2）.磁控濺射設備預處理：將磁控濺射設備的反應室清潔后裝入Ti靶、Al靶和Cr靶，然后將經過預處理的基底材料固定于磁控濺射設備反應室內；