[發明專利]一種自適應減摩納米多相多層超硬薄膜及其制備方法

在審

• 申請號: 202010539992.0
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111471972A
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 閻紅娟;張淑婷;司麗娜;劉峰斌;豆照良;楊曄;李鴻;李春陽
• 申請（專利權）人: 北方工業大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 北京華仁聯合知識產權代理有限公司 11588
• 代理人: 尹春雷

一種自適應減摩納米多相多層超硬薄膜及其制備方法，屬于超硬薄膜技術領域。超硬薄膜由過渡層和工作層組成；過渡層位于基體與工作層之間，過渡層成分為TiN；工作層由若干層調制周期層組成，單層調制周期層由一層模板層和一層調制層組成，模板層成分為TaMeN，Me選自Mo、V、W元素中的一種或幾種，調制層成分為TiSiN。采用濺射方法制備超硬薄膜，在基體上沉積TiN層作為過渡層；然后周期性交替沉積TaMeN層與TiSiN層。本發明具有結合強度高、高溫切削時摩擦學性能好、硬度高等特點，可用于高速切削高溫合金、鈦合金刀具涂層。

技術領域

本發明屬于超硬薄膜技術領域，涉及一種自適應減摩納米多相多層超硬薄膜及其制備方法，適用于高速干式切削的納米多相多層復合刀具涂層，可顯著提高刀具耐磨性、耐高溫性和使用壽命。

背景技術

高溫合金因具有優異的高溫強度、耐腐蝕性和抗氧化性，被廣泛應用于航空航天、石油化工、天然氣等領域，用于制造航空發動機、各種工業燃氣輪機等熱端部件。但是高速切削高溫合金時切削載荷大(1GPa)、加工硬化傾向大、切削區域溫度高(1000℃)、散熱困難、刀具磨損嚴重等問題，嚴重制約了其加工效率和加工質量，使其成為典型難加工材料之一。航空航天對高溫合金零件性能、加工精度的要求越來越高，高速切削高溫合金給刀具切削性能帶來了巨大的挑戰。涂層技術為提高刀具硬度、耐磨性、加工效率等提出了有效的解決途徑。

與單層刀具涂層相比，納米多層膜由兩種不同的材料按一定的周期交替沉積生長，耦合兩種材料的優點，充分發揮兩種材料的協同作用，可制備高硬度和高耐磨性的納米多層膜。TiAlN/AlN、TiAlN/ZrN納米多層膜耐磨性和硬度均優于TiAlN單層膜，但是TiAlN/ZrN納米多層膜經800℃退火后，TiAlN面心立方結構分解為FCC結構的TiN相和HCP結構的AlN相，且出現了TiO₂、Al₂O₃、ZrO₂氧化物，硬度隨之降低；同樣TiSiN/TiN、TiAlN/TiAlSiN納米多層膜在高溫摩擦時TiSiN與空氣中H₂O和O₂發生化學反應得到TiO₂、Si(OH)₂、SiO₂、Al₂O₃等氧化物，硬度由38.9GPa下降至33.9GPa。綜上所述，高溫時物相分解和氧化降低了納米多層涂層高溫摩擦學性能和硬度，成為限制納米多層涂層刀具高速切削高溫合金加工質量和成本的突出問題。

發明內容

為了解決高速切削過程中，高溫時涂層化學降解發生氧化反應，降低涂層摩擦學性能和硬度等，致使涂層切削性能和使用壽命下降等問題，本發明提供一種具有高硬度、良好高溫耐磨性的自適應減摩納米多相多層膜及其制備方法，該納米多相多層膜具有高硬度、耐高溫、摩擦系數隨著溫度升高而降低的特點。采用該技術制備的納米多相多層膜可顯著提高刀具涂層硬度和高溫摩擦學性能，延長刀具使用壽命2倍以上。

本發明的發明人經過大量的研究工作，發現Mo、V、W等元素在高溫時氧化生成Magnéli相結構氧化物，具有自潤滑功能；具有兩相結構的TiSiN納米復合膜，硬度高達80GPa；結合兩種材料的優點，TaMeN層(Me為Mo、V、W等元素)作為固體潤滑劑，TiSiN層強化涂層硬度，制備TaMeN/TiSiN納米多相多層膜，實現高溫自適應減摩性能，同步提高納米多相多層膜的摩擦學性能和硬度。

本發明提供一種自適應減摩納米多相多層超硬薄膜，其特征在于，所述超硬薄膜由過渡層和工作層組成；過渡層位于基體與工作層之間，過渡層成分為TiN；工作層由若干層調制周期層組成，單層調制周期層由一層模板層和一層調制層組成，模板層成分為TaMeN，Me選自Mo、V、W元素中的一種或幾種，調制層成分為TiSiN。