[發明專利]一種梯度結構TiAlSiYN多元納米涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201910042017.6
• 申請日: 2019-01-17
• 公開（公告）號: CN109628896B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 鮮廣;范洪遠;趙海波
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/35;C23C14/06;C23C14/02
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本發明公開的梯度結構TiAlSiYN多元納米涂層由成分不同的內層、中間層、外層三個子層構成，由內層至外層各子層中Al含量遞減，依次為15~20at.%、10~15at.%、7~10at.%；Ti含量遞增，依次為28~32at.%、32~36at.%、36~40at.%；各子層中Si含量為1~3at.%，Y含量0.1at.%，剩余為N。本發明還公開了其制備方法，先利用高鋁含量的鈦鋁電弧靶、鈦硅電弧靶和釔濺射靶沉積一段時間；然后關閉高鋁含量的鈦鋁靶、打開中鋁含量的鈦鋁電弧靶，繼續沉積一段時間；最后關閉中鋁含量的鈦鋁靶、打開低鋁含量的鈦鋁電弧靶，再沉積一段時間后結束。本發明的梯度結構TiAlSiYN多元納米涂層與基體結合牢固，同時具有良好的韌性和減摩性能，且制備方法可控性好，易于實施，適合工業化生產應用。

技術領域

本發明屬于切削刀具表面涂層技術領域，具體涉及一種梯度結構TiAlSiYN多元納米涂層的制備方法。

背景技術

在切削刀具表面制備一層硬質涂層不僅可以進一步增強刀具表面硬度和抵抗磨損，而且涂層往往還能阻礙熱擴散和化學擴散。TiAlSiN涂層是在TiAlN三元涂層的基礎上添加少量Si原子發展起來的四元涂層。Si元素在涂層中常以網狀nc-Si₄N₃形式存在，這種連續的非晶相不僅打破了涂層按柱狀結構生長的模式，限制了其被包裹的TiAlN晶粒的生長，使晶粒得到細化，而且還作為界面相阻礙位錯運動和裂紋擴展，因而，TiAlSiN涂層往往具有很高的硬度，甚至具有超硬效應。TiAlSiN涂層另一個特點就是，高溫下Si元素與O元素結合生成的致密SiO₂氧化膜能夠阻礙和減緩環境中O元素繼續向涂層內擴散，所以TiAlSiN涂層還具有良好的抗高溫氧化性能。TiAlSiN涂層的高硬性和高抗氧化性使其非常具有潛在應用價值，特別適合于高速切削、干式切削和精密切削場合，但是，該涂層脆性和內應力大、結合強度低的缺點，限制了其大面積應用。

當前，對TiAlSiN涂層進行增韌改性，使其具備既硬又韌、與基體結合良好的綜合性能，是發揮TiAlSiN涂層性能優勢的重要途經。研究證明，在TiAlSiN四元涂層中摻雜其他組元元素，可以有效改善TiAlSiN涂層的韌性。J. Shi等人（doi:10.1016/j.surfcoat.2011.12.027）報道了一種采用在TiAlSi合金靶材中鑲嵌Cu塊，通過共濺射TiAlSi合金和Cu制備了Cu摻雜的TiAlSiCuN五元涂層，摻雜Cu后，涂層發生了明顯軟化，在涂層中添加1at.%左右的Cu時，涂層硬度降低至23GPa，隨著添加的Cu原子含量的增加，TiAlSiCuN五元涂層的硬度繼續降低；Cu元素能增強涂層與基體的結合，相比于TiAlSiN涂層的臨界載荷32N，TiAlSiCuN涂層的臨界載荷可達50N。該報道未對摻雜前后涂層韌性的變化進行直接對比，單從硬度變化的角度而言，Cu元素具有很好的增韌作用，但該報道采用的濺射鍍膜方法涂層沉積效率較低，并且使用鑲嵌靶很難保證涂層成分均一與穩定。Y是一種化學性質活潑的稀有元素，摻雜在涂層中可以提高涂層的高溫性能，T. Mori等人（doi:10.1016/j.surfcoat.2012.10.050）利用Ti₆₃Al₂₇Si₁₀和Cr₄₅Al₅₃Y₂兩種靶材，通過電弧離子鍍制備了不同調制周期的TiAlSiN/CrAlYN納米多層涂層，該涂層硬度為37GPa左右，這與TiAlSiN單層涂層的硬度一致。同樣，單從硬度變化的角度而言，在TiAlSiN涂層基礎上摻雜Cr、Y兩種元素未發現有增韌現象。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術存在的問題，提供一種梯度結構TiAlSiYN多元納米涂層。

本發明的另一目的是提供一種上述梯度結構TiAlSiYN多元納米涂層的制備方法。