[發(fā)明專利]一種在合金刀具上制作超硬高熵合金氮化物涂層的方法

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• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111560582A
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 夏原;許億;李光
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院力學(xué)研究所
• 主分類號: C23C14/02
• 分類號: C23C14/02;C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 北京和信華成知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

本發(fā)明提供一種在合金刀具上制作超硬高熵合金氮化物涂層的方法，包括如下步驟：對待涂層的合金刀具分別進行除油、除銹以及清洗處理，隨后烘干；將清洗后的合金刀具放置于真空室內(nèi)，對真空室進行抽真空操作，然后對合金刀具進行輝光清洗；輝光清洗結(jié)束后，調(diào)整氬氣流量，開啟HiPIMS電源并調(diào)整預(yù)定參數(shù)；通過外加電源給合金刀具提供預(yù)定參數(shù)；然后濺射AlCrTiVZr靶材，沉積時間1min?10min后，在合金刀具表面形成AlCrTiVZr過鍍層；保持既有的濺射條件不變，逐漸通入反應(yīng)氣體氮氣，沉積后在合金刀具的表面形成高熵合金氮化物涂層。本發(fā)明所制備的(AlCrTiVZr)N涂層為單一的FCC晶體結(jié)構(gòu)且趨向于納米化，其硬度可達超硬水平41.8GPa，表面粗糙度降低至2nm以下，遠超出本領(lǐng)域技術(shù)人員的預(yù)想范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬涂層領(lǐng)域，特別是涉及一種超硬(AlCrTiVZr)N高熵合金氮化物涂層的制備方法。

背景技術(shù)

隨著切削加工技術(shù)的快速發(fā)展，高速、大功率機床以及難加工材料的使用越來越廣泛。同時，國民環(huán)保意識的加強則進一步提高了切削冷卻潤滑液的使用成本。因此，切削加工技術(shù)對切削刀具材料性能提出了更高的要求。而刀具涂層的出現(xiàn)則緩解了切削加工技術(shù)快速發(fā)展與切削刀具材料性能落后的矛盾。選擇合適的刀具涂層一方面可實現(xiàn)對難加工材料的切削，如高溫合金、鈦合金及顆粒增強復(fù)合材料等，另外一方面還可降低對刀具材料的消耗，提高被加工材料的尺寸精度和表面質(zhì)量。

突破傳統(tǒng)涂層的材料選擇思路，采用多主元高熵合金氮化物作為涂層材料可使得刀具的綜合性能得到更大的提高。高熵合金氮化物(AlCrTiVZr)N涂層具有與高熵合金相同的科學(xué)概念。與傳統(tǒng)氮化物相比，(AlCrTiVZr)N涂層在熱力學(xué)上有高熵效應(yīng)，在動力學(xué)上有緩慢擴散效應(yīng)，在結(jié)構(gòu)上具有晶格畸變效應(yīng)，在性能上具有雞尾酒效應(yīng)。以上“四大效應(yīng)”有效降低了(AlCrTiVZr)N涂層中金屬間脆性化合物的形成，有利于形成簡單固溶體，且使得結(jié)構(gòu)傾向于納米化甚至非晶化，從而具有高硬度、高加工硬化、高耐磨性、高熱穩(wěn)定性以及高耐蝕性等優(yōu)異性能。

目前高熵合金氮化物(AlCrTiVZr)N涂層常用的制備技術(shù)為磁控濺射(HiPIMS)。磁控濺射具有低溫沉積、表面光滑、鍍膜面積大、無宏觀顆粒等諸多優(yōu)點，然而由于常規(guī)磁控濺射較低的金屬離化率(5％)，濺射金屬絕大多數(shù)以原子的形態(tài)存在，所制備的(AlCrTiVZr)N涂層往往具有疏松的柱狀晶微觀結(jié)構(gòu)以及存在著大量的微孔，從而導(dǎo)致薄膜硬度降低(小于15GPa)。由此可見，磁控濺射制備(AlCrTiVZr)N涂層不可避免地存在一些缺陷，并成為其進一步產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容

本文發(fā)明的目的是提供一種超硬(AlCrTiVZr)N涂層的制備的新方法，利用該方法能夠制備兼具超高硬度、低表面粗糙度以及致密微觀結(jié)構(gòu)的超硬涂層。

具體地，本發(fā)明提供一種在合金刀具上制作超硬高熵合金氮化物涂層的方法，包括如下步驟：

步驟100，對待涂層的合金刀具分別進行除油、除銹以及清洗處理，隨后烘干；

步驟200，將清洗后的合金刀具放置于真空室內(nèi)，對真空室進行抽真空操作，然后對合金刀具進行輝光清洗；

步驟300，輝光清洗結(jié)束后，調(diào)整氬氣流量，使得真空室氣壓為0.3Pa～1Pa，開啟HiPIMS電源并調(diào)整參數(shù)為：電壓值-450V～-1000V，脈沖頻率為50hz～500hz，脈沖寬度為50～500μs；通過外加電源給合金刀具提供的參數(shù)為：電壓值-50V～-300V，頻率20Khz～100Khz，占空比50％～90％；然后濺射AlCrTiVZr靶材，沉積時間1min-10min后，在合金刀具表面形成AlCrTiVZr過鍍層；

步驟400，保持既有的濺射條件不變，逐漸通入反應(yīng)氣體氮氣，流量值為4sccm-40sccm，沉積時間60min-180min，最終在合金刀具的表面形成高熵合金氮化物涂層。