[發明專利]一種鑭系稀土氧化物復合TiSiN涂層

在審

• 申請號: 202110952851.6
• 申請日: 2021-08-19
• 公開（公告）號: CN113667931A
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 王博;王詩陽;南勛
• 申請（專利權）人: 嘉興鷙銳新材料科技有限公司
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/50;C23C14/54;C23C14/02;C23C14/35;B23B27/14
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理事務所(普通合伙) 11562
• 代理人: 許佳

本發明涉及一種鑭系稀土氧化物復合TiSiN涂層，屬于刀具涂層制造技術領域。具體的涂層成分含3～8mol.％的鑭系稀土氧化物，其中鑭系稀土元素均勻分布在涂層中。制備過程包括將經過離子刻蝕的基材置于真空室中，安裝鈦源靶材、硅源靶材以及稀土氧化物靶材，氮氣環境下，通過磁控濺射法進行鑭系稀土氧化物復合TiSiN涂層的沉積。本發明提供的鑭系稀土氧化物復合TiSiN涂層，鑭系稀土氧化物與Ti，Si，N元素相容性高，可以被用做耐高溫涂層的增強、增韌添加劑，可顯著提高涂層的耐高溫能力，并且可以在物理氣相沉積設備中一次性完成，不需要增添額外步驟，主要原料均為工業常用元素，具有成本低的優勢。

技術領域

本發明涉及刀具涂層制造技術領域，具體涉及一種鑭系稀土氧化物復合TiSiN涂層。

背景技術

隨著對材料加工效率的要求提高，高主軸轉速和切削線速度伴隨著加工過程中產生的高溫，劇烈磨損，氧化腐蝕等失效形式不斷對機加工刀具造成新的挑戰。涂層被認為是可以大幅提升刀具切削能力的方法，并且涂層刀具的重要性已被業界廣泛認可。三元TiSiN涂層展現出很強的化學惰性和耐磨性，被認為是長壽命高速加工工具的適用涂層。但由于采用物理氣相沉積法制備的三元TiSiN涂層厚度較薄，容易氧化分解，高速加工過程中刀具表面產生大量的熱，對刀具表面形成高溫氧化復合腐蝕效應，而TiSiN最高可承受1000℃的高溫氧化，高于該溫度時，涂層會由于氧化產物的增多，飽和蒸汽壓升高，產生大面積分解和剝落，加速刀具失效，所以TiSiN涂層在耐高溫(≥1200℃)方面無法與化學氣相沉積氧化鋁涂層媲美。

發明內容

基于上述技術問題，本發明提供一種鑭系稀土氧化物復合TiSiN涂層。Ln₂O₃以離子的形式與Ti，Si，N元素共同沉積在工具基體上，形成TiSiLnNO復合涂層，提高涂層的耐高溫能力。

本發明的技術方案之一，一種鑭系稀土氧化物復合TiSiN涂層，涂層成分含3～8mol.％的鑭系稀土氧化物，其中鑭系稀土元素均勻分布在涂層中。

物理氣相沉積難以精確控制過低摻雜量，并且耐高溫效果不明顯，摻雜量過高一方面會導致涂層耐磨性降低，另一方面會導致鑭系稀土元素在晶界偏析，降低涂層結合強度。

進一步地，所述鑭系稀土氧化物包括釔的氧化物，所述鑭系稀土氧化物復合TiSiN涂層厚度為3～5μm。

本發明的技術方案之二，上述鑭系稀土氧化物復合TiSiN涂層的制備方法，包括以下步驟：將經過離子刻蝕的基材置于真空室中，安裝鈦源靶材、硅源靶材以及稀土氧化物靶材，氮氣環境下，通過磁控濺射法進行鑭系稀土氧化物復合TiSiN涂層的沉積。

進一步地，鈦源靶材、硅源靶材持續通入120-180A電流，維持-50V偏壓；稀土氧化物靶材持續通入100A電流，維持-20V偏壓。

通過電流和偏壓控制稀土摻雜量，氧化物靶材屬于陶瓷靶，電流過高易碎裂。

進一步地，所述鈦源靶材、硅源靶材為TiSi靶材，其中硅含量為15～25wt.％。

進一步地，所述真空室真空度為5×10^-4mbar，氮氣流量為500sccm，所述沉積時間60-240min。

進一步地，所述離子刻蝕具體包括以下步驟：

將基材置于真空室中，抽真空至5×10^-4mbar，升溫至450℃，向真空室內通入氬氣，氬氣流量為45sccm，維持偏壓-180V進行離子轟擊得到經過離子刻蝕的基材。

離子刻蝕是物理氣相沉積步驟，可以提高表面能，增大涂層結合力

進一步地，涂層制備過程中，基材保持公轉和自傳，有利于制備均勻涂層。

公轉速度5-10rpm，自轉速度通常為公轉速度的2-3倍。