[發明專利]一種鈦合金切削用復合功能刀具涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201610165058.0
• 申請日: 2016-03-18
• 公開（公告）號: CN105734505B
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發明（設計）人: 李國建;隋旭東;江陳杰;王凱;王強
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C23C14/34
• 分類號: C23C14/34;C23C14/08;C23C14/06
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于難加工材料切削用刀具保護涂層技術領域，特別涉及一種鈦合金切削用復合功能刀具涂層及其制備方法。

背景技術

鈦合金屬于高強輕質材料，擁有良好的耐熱性和耐腐蝕性能，在航空、航天、汽車、化學及生物等領域有著廣泛的應用。特別是在航空航天領域，鈦合金材料的應用比例成逐年增加的趨勢。用鈦合金材料制造飛機零部件，不僅可以延長飛機使用壽命，而且可以減輕其重量，降低燃料消耗，從而大大提高其飛行性能。

然而鈦合金優異的性能也導致其可加工性非常差，其中鈦合金材料較低的熱導率、較大的化學反應活性以及較低的彈性模量是造成鈦合金切削加工困難的主要原因。尤其是鈦合金材料的化學活性大，特別當溫度超過500℃時，鈦合金會變得異常活躍，其會與切削刀具材料發生化學反應，造成嚴重的粘刀現象，進而導致刀具磨損情況加劇，減少切削刀具的使用壽命。

目前，國內外用來切削加工鈦合金的刀具材料主要包括涂層和未涂層硬質合金、立方氮化硼和聚晶金剛石等。其中，立方氮化硼和聚晶金剛石刀具由于價格過于高昂，制約了其鈦合金切削應用；未涂層硬質合金刀具低速切削鈦合金時擁有較好的切削效果，高速切削效果不理想；涂層硬質合金刀具兼具基體良好的硬度和韌性，同時表面涂覆一層或多層耐磨損、耐高溫和抗氧化的涂層，能有效的切削加工鈦合金，因而應用范圍最廣。但是，目前用于鈦合金切削的商業化刀具涂層(如TiCN、TiAlN、TiAlSiN等)在切削加工時，都容易與鈦及其合金發生粘結反應，造成粘刀現象嚴重，在切削界面處形成切屑瘤。這些切屑瘤在后續的切削中會脫離刀具，同時帶走部分刀具材料，加劇刀具的磨損。綜上所述，需要開發一種與鈦合金粘結反應活性小的刀具涂層，從而降低鈦及其合金切削時的粘刀現象，降低刀具的磨損量，延長刀具的使用壽命。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供一種鈦合金切削用復合功能刀具涂層及其制備方法。本發明所制備的刀具涂層能夠有效降低鈦合金切削加工時涂層與工件材料之間的粘結現象，并能有效延長涂層刀具的使用壽命，使用所制備的刀具涂層非常適合加工鈦及其合金。

一種鈦合金切削用復合功能刀具涂層，包括底層涂層和頂層涂層：

底層涂層：所含元素按原子百分數為，鈦為10～40at.％，鋁為5～20at.％，鉭為2～18at.％，氮為40.16～55at.％，厚度為1～4μm；

頂層涂層：所含元素按原子百分數為，氧為50～78.02at.％，鉭為8～35at.％，鋁0～10at.％，鈦0～10at.％，厚度為50～1500nm。

一種鈦合金切削用復合功能刀具涂層的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，刀具基體的預處理：

對刀具基體進行濕噴砂處理，清洗后，在80～150℃下烘干5～15min，放入真空室；

步驟2，刀具基體輝光濺射清洗：

當真空室的真空度大于等于3×10^-3Pa時，升溫至350～500℃，向真空室中通入高純Ar氣，調節真空室的壓強為0.5～2Pa，在加脈沖負偏壓500～1000V，占空比20～80％的條件下，輝光濺射清洗15～30min；

步驟3，底層涂層的制備：

沉積條件為：向真空室內通入流量為20～50sccm的N₂氣，同時調節Ar氣流量為30～50sccm，溫度為400～500℃，負偏壓為20～180V，真空度為0.3～0.9Pa；

在上述沉積條件下，采用純度為99.99％的純鈦靶材，沉積厚度為150～300nm的純Ti過渡層；

沉積條件不變，采用方法(1)或方法(2)，制備底層涂層：

(1)采用鈦鋁鉭合金靶材，沉積厚度為1～4μm底層涂層；

(2)采用鈦鋁合金靶材和純鉭靶材共濺射的方法，制備厚度為1～4μm底層涂層；

步驟4，頂層涂層的制備：

底層涂層制備完畢后，關閉N₂氣，向真空室中通入流量為15～50sccm的高純O₂氣，真空度和負偏壓不變，采用鈦鋁鉭合金靶材或純鉭靶材，沉積厚度為50～1500nm的頂層涂層；

步驟5，隨爐降溫至120℃后，取出刀具，常溫冷卻。