[發明專利]一種AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復合超硬強韌涂層材料及制備方法

在審

• 申請號: 201410483296.7
• 申請日: 2014-09-22
• 公開（公告）號: CN104213075A
• 公開（公告）日: 2014-12-17
• 發明（設計）人: 楊兵;萬強;陳燕鳴;丁輝
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/16;C23C14/02;C23C14/32
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明涉及一種AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復合超硬強韌涂層材料及制備方法，屬于涂層材料技術領域。

背景技術

隨著高強度鋼、高溫合金以及復合材料等難加工材料使用量的急劇增加以及高速切削、干切削和微潤滑切削工藝大量使用，對切削刀具提出了更高的技術要求。在實際切削應用中，切削區域的溫度常高于常規硬度為20-30GPa的TiN、TiCN、TiAlN?等刀具涂層的熱分解溫度，?因而導致刀具氧化磨損嚴重而失效^[1]。將超硬納米涂層材料鍍于金屬切削刀具表面，正適應了現代制造業對金屬切削刀具的高技術要求，切削刀具基體保持了其較高的強度，鍍于表面的涂層又能發揮它“超硬、強韌、耐磨、自潤滑”的優勢，賦予刀具高硬度、低導熱等新特性，提高刀具在高速高?溫條件下工作的可靠性，從而大大提高切削刀具加工過程中的耐用度和適應性。

作為納米晶涂層的典型代表，Me-Si-N（Me為一元或者多元過渡金屬）刀具涂層具有優異的抗氧化性、耐高溫、高硬度和優良的切削性能，目前已進行了大量的研究，但大多集中在涂層的多元合金化以及將其與多晶涂層材料的多層化，涂層硬度、韌性以及切削性能有待進一步提高。將多種Me-Si-N納米晶-非晶涂層材料復合構筑納米多層結構，充分利用納米晶-非晶強化導致的超硬效應以及多層膜結構界面導致的韌化效應，在保持材料高硬度基礎上大幅度提高涂層韌性、硬度及耐溫性，是目前超硬刀具涂層材料領域發展的前沿。

超硬涂層材料包括納米多層膜和納米晶復合膜兩大類。這類材料不但具有異于其組成物的特殊的力學性能，還因材料可多樣性組合以及優異的可剪裁性具有良好的應用前景。超硬涂層的高硬度主要通過高應力或者納米結構獲得。高應力材料高溫時由于應力的釋放會導致硬度下降，影響切削性能。而納米結構材料的小晶粒限制晶粒粗化和獨特的晶界滑移效應使涂層具有優良的熱穩定性。納米多層膜是由兩種或兩種以上具有不同成分或結構的材料在垂直于薄膜一維方向上以納米量級相互交替沉積生長而形成的多層結構。由于超硬效應帶來的高硬度以及多層結構帶來的高韌性，是目前耐磨涂層的重要研究方向之一。納米晶復合膜是由兩種材料形成的一種界面相包裹基體相的三維網狀結構薄膜。S.Veprek對該類薄膜的設計思想進行發展并展開了大量的研究工作。2000年獲得了硬度超過金剛石的80-105GPa?的TiN/Si₃N₄納米復合膜。盡管迄今為止沒有其它研究小組重復出該高硬度。但大量實驗表明超過40GPa的硬度能在該體系中穩定達到。與納米多層膜相比，納米晶復合膜的研究時間相對較短，但由于比多層膜表現更高的硬度和更好的高溫性能，且其制備技術相對簡單，易于工業化生產，是應用前景更加廣闊的一類超硬薄膜，也是目前超硬薄膜研究領域的熱點之一。

作為諸多納米晶復合膜中研究最為廣泛的涂層體系，Me-Si-N涂層極大改善了刀具的高溫性能，是最新一代的超硬涂層材料。當Me-N晶體尺寸小于10nm?時，位錯增殖源難于啟動，而晶界非晶態相又可阻止晶體位錯的遷移，即使在較高的應力下，位錯也不能穿越非晶態晶界。這種結構薄膜的硬度可以達到40GPa?以上，且當溫度達到900℃～1100℃時，其顯微硬度仍可保持在30GPa?以上；常見的涂層如TiSiN、ZrSiN、CrSiN、TiAlSiN、TiCrSiN、TiAlSiN、TiAlCrSiN等。

對?Me-Si-N納米涂層的研究更多地集中在其合金化和將其與常規二元（CrN、TiN）或者三元(TiAlN、CrAlN)涂層的多層化。多元合金化對涂層硬度貢獻較少，但由于改變表面氧化膜的微觀結構，對涂層的抗氧化性提高較為明顯。而納米多層結構的采用不但可以提高涂層的硬度、耐溫性，同時還可以提高涂層的韌性。此外，涂層的切削性能影響因素較多，切削的材料、涂層成分以及加工冷確條件等都會對涂層切削性能造成較大影響。整體而言，對Me-Si-N材料的多層化會顯著提高其硬度和改善其耐溫和切削性能，這主要是納米多層膜相比納米復合膜則具有更好的韌性。如果將納米多層結構和納米晶復合結構兩者進行結合構建納米晶多層結構涂層，不但可充分發揮兩種結構的優勢，使涂層不但具有超硬和高耐磨特性，同時由于多層結構的采用可以大幅度提升涂層的韌性和高溫性能，有望開發出新型的納米晶多層結構切削刀具涂層。

發明內容

基于背景技術，本發明提供了一種AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復合超硬強韌涂層材料及制備方法，該涂層不但具有較好的耐磨性能，同時由于多層結構使用使其具有良好的耐高溫性能。