[發明專利]PVD氧化物涂層制備方法

在審

• 申請號: 201710305307.6
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN107365963A
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 趙海波;梁紅櫻
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/08
• 代理公司: 成都虹橋專利事務所(普通合伙)51124
• 代理人: 張競

技術領域

本發明涉及一種PVD氧化物涂層制備方法，尤其是一種涉及氧化物涂層制備領域的氧化物涂層制備方法。

背景技術

在高速加工或干式切削過程中，切削溫度成為影響涂層刀具使用壽命的主要原因，因此提高薄膜的高溫性能、保證涂層刀具的紅硬性成為近幾年PVD(Physical Vapor Deposition) 技術的開發熱點。PVD最常用的技術可以分為三大類：真空蒸發鍍(Vacuum Evaporating)、磁控濺射(Magnetron Sputtering)、陰極電弧離子鍍(Arc Ion Plating)。

通過PVD方法可以獲得高硬度的涂層，目前的研究，其硬度達到3500HV以上并非不可能。但PVD的沉積溫度通常位于600℃以下，在高溫環境中，涂層的分解、硬度的下降不可避免。在不影響PVD整體制備技術路線的前提下，對PVD硬質涂層形成溫度、熱擴散保護是一種行之有效的方法。即在硬質涂層上建立一層同等級別的膜層(微米)，隔絕溫度的傳導、元素的擴散，形成對硬質涂層的保護，延長涂層刀具的服役周期。

理論研究表明氧化鋁類涂層具有良好的熱阻斷和化學耐磨性，因此自2000年以來，PVD 氧化物涂層的研究已逐步展開。PVD工藝運行在一個較低的溫度條件下，要形成良好的氧化物涂層，會遇到的一些困難。例如低的沉積率、低的離化性，氧化物涂層的致密性、固溶性、結合性、導電性等問題。

對于PVD氧化鋁類涂層的研究主要有瑞典的University、德國的Institute of Materials Research、University of Hannover、澳大利亞的Vienna University of Technology、瑞士的Institut de Physique de la Matière Condensée、日本的Nagaoka University of Technology、 Kobe Steel，LTD、中國的上海交通大學、法國的Nancy-University等。

利用PVD方法制備氧化物涂層是一項重大的技術突破。相對于氮化物涂層，氧化物涂層最大的特點是具有隔熱性及化學惰性。隔熱性可以對氮化物涂層等形成隔絕保護，而化學惰性則可隔斷刀具與工件的相互擴散及化學磨損。按照魏德曼——弗萊茨定律(wiede mann-Franz Law)，在不太低的溫度下，金屬的導熱系數與電導率之比正比于溫度。因此可以推論，良好的隔熱性及化學惰性，取決于氧化物涂層的絕緣性。

對于PVD離子鍍技術而言，其最基本的原理在于通過蒸發原子的離子化，在電場的作用下，促使正離子加速駛向待涂覆工件表面，從而獲得理想的涂層結構及性能。此過程包含2 個概念，一是蒸發原子應更多的離化；二是待涂覆工件應為導體，以便電場的施加。

目前PVD氧化物的制備方法比較凌亂，大多以濺射方式為主，包括DC、MS、RF等，濺射源可以抑制材料靶面的“中毒”現象、多元成分濺射能力強。但由于離化率、離子能量相對較低，并不利于高品質氧化物涂層的生成。采用濺射方法制備氧化物涂層主要癥結在于，氧化物與氮化物結合性欠佳，沉積速率太低，不利于實際應用。

AIP有助于離化的發生，對于O₂也不例外，但在O₂過量或原有的電場發生變化時，O₂更易于在陰極靶面上發生反應，生成氧化物，從而造成陰極放電的失敗，不能正常輸出所需要的元素，即為“中毒”。目前PVD的氧化物以氧化鋁主為，Al、AlTi材料相對更易與O₂發生反應，因此常規的做法是在Al材料中添加一定含量的Cr，以阻止靶面的氧化。但氧化鉻穩定性相對較差，會導致氧化物涂層性能的改變。

綜上所述，采用現有技術的方法形成絕緣氧化物涂層存在以下幾個問題：

一、O₂更易于在陰極靶面上發生反應，生成氧化物，從而造成陰極放電的失敗，不能正常輸出所需要的元素，產生蒸發源材料靶面的“中毒”現象；

二、絕緣體正電荷的積聚所產生的電場阻礙了沉積的進行；

三、離子能量低，不足以實現金屬氮化物到絕緣氧化物涂層的過渡，并獲得良好的結合力；

四、在相對低的溫度條件下，如何調控α-Al₂O₃的生長的問題。

由于以上原因，在現有技術的條件下，通常的離子鍍技術并不適合絕緣氧化物涂層的制備。

發明內容