[發明專利]一種具有調制結構的TiAlN/TaN減摩耐磨納米多層涂層的制備方法

在審

• 申請號: 202010694081.5
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111647864A
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 周兵;劉竹波;吳玉程;于盛旺;高潔;王永勝;馬永;黑鴻君
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

本發明公開一種具有調制結構的TiAlN/TaN減摩耐磨納米多層涂層的制備方法。步驟為：將預處理好的硬質合金試樣固定在射頻和直流脈沖磁控濺射鍍膜設備的樣品臺上，分別在相應的濺射靶位裝配高純鉭靶材和鈦鋁合金靶材，并調節好兩靶材與試樣之間的距離；抽真空后通入氬氣，打開離子源對試樣進行離子束濺射清洗；然后關閉離子源，通入氬氣與氮氣并調節比例后，開啟樣品臺偏壓電源、射頻濺射電源和直流脈沖電源，調整濺射功率分別依次制備單層厚度一致的氮化鉭涂層和鈦鋁氮涂層；通過控制樣品臺旋轉電機配備的調速器，改變氮化鉭涂層和鈦鋁氮涂層單層的制備時間，進而獲得調制周期不同的TiAlN/TaN納米多層涂層。該方法制備的TiAlN/TaN納米多層涂層具有較低的摩擦系數和磨損率。

技術領域

本發明涉及一種具有調制結構的TiAlN/TaN減摩耐磨納米多層涂層的制備方法，屬于材料表面改性技術領域。

背景技術

鈦鋁氮（TiAlN）涂層是在TiN涂層的基礎上發展起來的，具有高硬度、高耐磨性與良好的熱穩定性能，是開發多元、多層、納米化耐磨涂層的基礎，常被用作硬質合金刀具涂層。研究發現Al元素的添加使得TiAlN涂層的摩擦系數降低，在高速切削時形成了比TiO₂更耐磨的Al₂O₃，使得涂層耐磨性也得以改善。然而，由于TiAlN涂層與硬質合金基體材料的物理性能的巨大差異，直接在硬質合金上涂覆TiAlN涂層常因涂層硬度高、韌性差而導致涂層粘附性差、易脫落起層等問題，嚴重影響其在摩擦磨損領域中的實際應用。國內外大多數研究中，通常通過引入過渡層來降低涂層與基體之間的物性差異，進而提升其粘附強度改善其摩擦磨損性能。

另外，多層調制涂層的基本結構是由兩種或兩種以上不同的子層相互循環交替生長組成的，相鄰兩子層形成一個周期，厚度之比稱為調制比，其總厚度稱為調制周期。具有調制結構的多層膜擁有許多優異的性能，例如超硬效應、超模效應以及良好的耐磨性能等。因此在TiAlN涂層基礎上制備多層調制結構有望獲得高硬度、高彈性模量、摩擦學性能優異以及高溫抗氧化性能良好的復合涂層。TaN涂層具有高的熱穩定性、高硬度和良好的界面穩定性等特性。將TaN引入硬質涂層材料中作為過渡層，將有望阻止裂紋的產生與擴散，從而提高涂層與基體的粘附性與斷裂韌性。目前，關于TiAlN/TaN多層調制涂層的研究尚未見報道。

因此，在TiAlN涂層基礎上引入TaN層，制備TiAlN/TaN納米多層涂層有望產生超晶格效應，進而改善硬質合金表面涂層的硬度和摩擦磨損性能。

發明內容

本發明旨在提供一種具有調制結構的TiAlN/TaN減摩耐磨納米多層涂層的制備方法，通過本發明所得產品的摩擦磨損性能大幅度改善。

本發明提供了一種具有調制結構的TiAlN/TaN減摩耐磨納米多層涂層的制備方法，在硬質合金表面采用射頻和直流脈沖磁控濺射技術分別依次交替沉積納米厚度的TaN和TiAlN涂層，在保持濺射功率和調制比不變的條件下，通過改變兩種子涂層的厚度，調節各子層內部及界面間原子的擴散與反應，進而實現調控各氮化物子層晶體結構和組成的目的，制備的具有調制結構的TiAlN/TaN納米多層涂層有望產生超晶格效應，獲得優異的力學和摩擦磨損性能。

本發明提供了一種具有調制結構的TiAlN/TaN減摩耐磨納米多層涂層的制備方法，包括以下步驟：

（1）硬質合金試樣預處理：將硬質合金試樣進行機械研磨、拋光，首先在肥皂水中清洗并用去離子水沖洗，然后依次浸入丙酮和酒精中分別進行超聲清洗各10min，冷風吹干備用；

（2）將預處理好的硬質合金試樣固定在射頻和直流脈沖磁控濺射鍍膜設備的樣品臺上，分別在相應的濺射靶位裝配高純鉭靶材和鈦和鋁原子比為1:1的鈦鋁合金靶材（高純鉭靶材對應的射頻濺射，鈦鋁合金靶材對應的直流脈沖磁控濺射），并調節好兩靶材與試樣之間的距離，旋轉樣品臺使試樣正對離子源，關閉鍍膜設備真空室；