[發(fā)明專利]一種鈦合金切削用成分梯度TiAlXN涂層刀具及其制備方法

有效

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• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107201499B
• 公開（公告）日: 2019-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李國建;江陳杰;隋旭東;秦靖宜;王凱;王強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/34;C23C14/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李娜;李馨

本發(fā)明屬于難加工材料切削用刀具保護(hù)涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈦合金切削用高硬度高結(jié)合力合金化元素X成分梯度TiAlXN刀具涂層及其制備方法。一種鈦合金切削用成分梯度TiAlXN涂層刀具的制備方法，所述方法在磁控濺射裝置中進(jìn)行，采用TiAl合金靶材和至少一個X靶材共濺射的方法：保持TiAl合金靶材功率不變，X靶材功率以恒定速率增加，制備TiAlXN成分梯度涂層，所述TiAlXN涂層中的X成分的含量由靠近刀具基體的一側(cè)至遠(yuǎn)離刀具基體的一側(cè)由低到高連續(xù)增加。本發(fā)明所制備的成分梯度TiAlXN涂層心部層合金化元素X含量低、表面層X含量高，能夠大幅提高TiAlXN涂層與基體結(jié)合力，并對涂層力學(xué)性能影響較小，增加涂層對刀具的保護(hù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于難加工材料切削用刀具保護(hù)涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈦合金切削用高硬度高結(jié)合力合金化元素X成分梯度TiAlXN刀具涂層及其制備方法。

背景技術(shù)

鈦合金具有強(qiáng)度大、重量輕、耐熱性強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)良特性，被稱為2l世紀(jì)的戰(zhàn)略金屬，也被稱為新崛起的第三代金屬，是具有發(fā)展前途的新型工程材料之一。鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)以及石油化工等工業(yè)部門中。目前，航空航天工業(yè)是鈦合金的主要消費(fèi)領(lǐng)域。

隨著高速切削技術(shù)發(fā)展以及對薄壁整體零部件要求提高，鈦合金可加工性能差的缺點(diǎn)被無限放大。高強(qiáng)度、低熱導(dǎo)率、高化學(xué)反應(yīng)活性以及低彈性模量是造成鈦合金切削加工困難的主要原因。特別是鈦合金高強(qiáng)度要求刀具涂層硬度高，低彈性模量在刀具切削時會造成刀具顫振現(xiàn)象嚴(yán)重，要求刀具涂層有高的結(jié)合力。

近些年來，TiAlN基硬質(zhì)涂層由于其優(yōu)良的力學(xué)和高溫抗氧化性能，被推薦用來加工鈦合金等難加工材料。隨著高速切削和微潤滑等新型加工技術(shù)在鈦合金切削中的應(yīng)用，要求涂層具有更高的硬度和熱穩(wěn)定性。基于這點(diǎn)，有研究者提出了涂層合金化其他元素的方法。例如，Ta元素添加形成TiAlTaN涂層可以提高涂層抗氧化性；Si元素添加形成TiAlSiN涂層可以形成非晶包裹納米晶的獨(dú)特結(jié)構(gòu)涂層的硬度和熱穩(wěn)定性顯著提高。實(shí)際生產(chǎn)加工中，并不是涂層的某一性能越高越好，而是涂層的綜合性能指標(biāo)更加重要。單純的高硬度和高抗氧化性并不能解決鈦合金高速切削加工問題，特別是合金化其他元素使涂層硬度增高同時會導(dǎo)致其脆性變大，降低了涂層的膜基結(jié)合力。再加上切削鈦合金這類彈性模量較低的材料時，刀具顫振現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)大面積剝落現(xiàn)象，而剝落的涂層會形成磨粒加速刀具的磨損。由此可見，在提高涂層硬度的條件下，保持高的結(jié)合力對刀具切削性能有重大的影響。

綜上所述，需要開發(fā)一種熱穩(wěn)定性好、硬度高同時膜基結(jié)合力好的刀具涂層，提升刀具性能，降低刀具的磨損量，延長刀具的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決多元刀具涂層高硬度時結(jié)合力低的問題，提供一種鈦合金切削用成分梯度刀具涂層及其制備方法。本發(fā)明所制備的成分梯度TiAlXN涂層心部層合金化元素X含量低、表面層X含量高，能夠大幅提高TiAlXN涂層與基體結(jié)合力，并對涂層力學(xué)性能影響較小，增加涂層對刀具的保護(hù)，上述合金化元素X包括但不限于Ta、Si、Cr、Y、Nb、V、Zr等或其組合。該涂層適用于難加工材料切削加工用。本發(fā)明梯度涂層通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種鈦合金切削用成分梯度TiAlXN涂層刀具的制備方法，所述方法在磁控濺射裝置中進(jìn)行，采用TiAl合金靶材和至少一個X靶材共濺射的方法：保持TiAl合金靶材功率不變，X靶材功率以恒定速率增加，制備TiAlXN成分梯度涂層，所述TiAlXN涂層中的X成分的含量由靠近刀具基體的一側(cè)至遠(yuǎn)離刀具基體的一側(cè)由低到高連續(xù)增加，

其中，X為Ta、Si、Cr、Y、Nb、V、Zr中的1～4種，當(dāng)X為多種元素的組合時，各X元素的原子數(shù)相同。

本發(fā)明所述“磁控濺射裝置”為現(xiàn)有技術(shù)公開的具有多靶共濺射功能的磁控濺射裝置，可商業(yè)購得。

上述技術(shù)方案中，所述X為多種元素的組合時，各X元素的原子數(shù)相同。以當(dāng)X為3種元素的組合時為例，各原素原子數(shù)之比為1:1:1。