一種高Al含量的AlTiN復(fù)合涂層及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及納米復(fù)合涂層及其制備技術(shù)，具體地說是一種高Al含量的AlTiN納米復(fù)合涂層的制備工藝。采用電弧離子鍍技術(shù)在金屬或硬質(zhì)合金基體上制備AlTiN納米復(fù)合涂層。為更好地調(diào)控涂層中Al元素和Ti元素的含量，選用純金屬Al和Ti（純度均為99.9 wt.%，直徑均為80 mm）作為靶材。純Ti靶和Al靶各4個(gè)，相間地均勻分布在爐體內(nèi)壁上，提高鍍膜均勻性。鍍膜前先通入Ar氣，開啟Ti靶，并對(duì)基體表面進(jìn)行轟擊清洗10~30 min，然后沉積金屬Ti過渡層，最后再通入反應(yīng)氣體N2，將Ti和Al靶同時(shí)起輝，沉積AlTiN涂層。本發(fā)明涉及的AlTiN納米復(fù)合涂層制備工藝簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，并且容易工業(yè)化生產(chǎn)；制備出的AlTiN涂層具有較高的硬度和強(qiáng)度，良好的耐高溫氧化性能和耐蝕性能，組織結(jié)構(gòu)致密、涂層與基體間的結(jié)合力強(qiáng)。
【專利說明】
一種高AI含量的AIT i N復(fù)合涂層及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及涂層制備技術(shù)，具體地說是一種高Al含量的AlTiN復(fù)合涂層的制備工
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O
【背景技術(shù)】
[0002]TiN涂層是最早開發(fā)出的氮化物涂層，因其具有較高的硬度、耐磨性和低的摩擦系數(shù)，至今仍廣泛應(yīng)用于刀具、工模具等應(yīng)用領(lǐng)域。但TiN涂層的抗氧化性能和高溫?zé)岱€(wěn)定性能較差，當(dāng)工作溫度超過500 °(:時(shí)，涂層表面會(huì)形成一層低硬度的疏松T12膜，O2等有害介質(zhì)可通過氧化膜中的孔隙進(jìn)入涂層內(nèi)，使涂層迅速失效。為解決這一問題，通常在TiN涂層中添加Al、Si等元素，利用這些元素的固溶強(qiáng)化或細(xì)化晶粒的作用提高涂層的抗高溫氧化性能、耐蝕性能和硬度。Al原子在TiiiAlxN涂層中位于TiN相的晶格間隙中或替換Ti原子的位置，降低TiiiAlxN涂層的晶格常數(shù)，起到細(xì)化晶粒的作用。因而，TiiiAlxN涂層具有較高的硬度、耐磨性，耐蝕性和抗高溫氧化性能。此外，Al2O3比T12具有更低的吉布斯自由能，在腐蝕環(huán)境下當(dāng)材料中同時(shí)含有Al和Ti時(shí)，會(huì)優(yōu)先形成Α?2θ3。由于Al2O3比T12具有更低的I3BR(Pilling-Bedworth rat1 of oxide)值，因而涂層表面生成AI2O3比生成Ti02產(chǎn)生更低的生長(zhǎng)應(yīng)力，氧化膜更加致密，且與涂層具有更好的結(jié)合力。TiiiAlxN涂層在高溫下生成致密的T12和Al2O3復(fù)合膜，減少切削熱傳遞到刀具，同時(shí)可以阻止腐蝕性介質(zhì)如O2等擴(kuò)散進(jìn)入涂層內(nèi)，防止涂層進(jìn)一步氧化，延長(zhǎng)涂層的使用壽命。
[0003]有研究表明:涂層中Al含量越高，涂層的抗高溫氧化性能會(huì)更好一些。但是，Ti1-χΑΙχΝ涂層中X值高于0.65-0.70(具體某個(gè)值取決于沉積工藝參數(shù))時(shí)，Al與N元素會(huì)形成低硬度的六方相A1N(12 GPa)，降低涂層的硬度、彈性模量等力學(xué)性能。為了防止hcp-AIN相形成，目前大多數(shù)研究者制備的TiiiAlxN涂層，X值小于0.6。為了進(jìn)一步發(fā)揮有效元素Al的作用，本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)在高速鋼和硬質(zhì)合金基片上制備了一種高Al含量的AlJiI—χΝ涂層(X=0.55-0.70) ο該涂層由面心立方體結(jié)構(gòu)的(Al，Ti)Ν相組成，具有較高的硬度、抗高溫氧化性能和耐蝕性能。該涂層特別適合應(yīng)用于現(xiàn)代高速干切削加工領(lǐng)域，進(jìn)一步提高刀具的使役壽命，減少切削液的使用，實(shí)現(xiàn)綠色制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種兼具高硬度、高耐蝕性和高熱穩(wěn)定性能的AlTiN涂層及其制備工藝。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
采用電弧離子鍍技術(shù)在金屬或硬質(zhì)合金基體上沉積AlTiN涂層。為更好地調(diào)控涂層中Al和Ti元素的成分，分別采用純Ti金屬和純Al金屬作為革E材(純度均為99.9 ?^.%)。4個(gè)純Ti靶和4個(gè)純Al靶相間地均勻分布在爐子的內(nèi)腔周圍，以保證沉積過程中爐腔內(nèi)具有較高的等離子體濃度。在沉積AlTiN涂層之前，先開啟Ti靶采用高的負(fù)偏壓轟擊清洗基體，之后降低偏壓在基體表面沉積一層10?300nm厚的純金屬Ti層，以提高涂層與基體之間的結(jié)合力。隨后，再開啟純Al靶沉積AlTiN涂層。沉積過程中，嚴(yán)格控制爐腔內(nèi)的沉積壓強(qiáng)、通入Ar和犯氣體的流量和各個(gè)靶的電源功率，以制備出結(jié)構(gòu)致密、高硬度、高韌性的納米復(fù)合涂層AlTiN0
[0006]沉積參數(shù):
將預(yù)處理后的基片放進(jìn)鍍膜室轉(zhuǎn)架上，轉(zhuǎn)架公轉(zhuǎn)速度為5?20 r/min，靶基距約為150mm;采用機(jī)械栗和分子栗抽真空使真空室氣壓達(dá)到I X 10—3 Pa以下，打開加熱系統(tǒng)將爐腔加熱至200?500 °C;打開Ar氣流量閥為50?150 sccm，調(diào)整真空室壓強(qiáng)為0.1?2 Pa，基片加-600?1000V負(fù)偏壓，開啟4個(gè)純Ti靶，靶材電流均為50?150A，對(duì)基體進(jìn)行輝光放電清洗10~30min;隨后調(diào)整負(fù)偏壓至-50?200V，沉積純Ti金屬層約5?10 min;打開N2氣流量閥50?150sccm，調(diào)整真空室壓強(qiáng)為0.5?3 Pa，并控制N2/Ar比在0.5-1.5之間;開啟4個(gè)純Al靶，電流為50?150 A，沉積AlTiN涂層，時(shí)間為30?120 min。沉積時(shí)間的長(zhǎng)短由所需要的涂層厚度決定。
[0007]該納米復(fù)合AlTiN涂層可應(yīng)用于各種金屬及硬質(zhì)合金基體;也可應(yīng)用于陶瓷材料表面。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:
1.本發(fā)明研制的納米復(fù)合AlTiN涂層具有較高的硬度和韌性，摩擦系數(shù)低，耐磨性能好。
[0009]2.本發(fā)明研制的納米復(fù)合AlTiN涂層具有較高的高溫?zé)岱€(wěn)定性能和耐蝕性能，可用于高速干切削加工領(lǐng)域。
[0010]3.本發(fā)明研制的AlTiN涂層厚度均勻且結(jié)構(gòu)致密，與基體具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。
[0011]4.本發(fā)明研制的納米復(fù)合AlTiN涂層制備工藝重復(fù)性好，應(yīng)用范圍廣，具有非常強(qiáng)的實(shí)用性。
【附圖說明】
[0012]圖1為采用電弧離子鍍技術(shù)制備的納米復(fù)合AlTiN涂層的XRD衍射譜圖。
[0013]圖2為采用電弧離子鍍技術(shù)制備的納米復(fù)合AlTiN涂層的表面形貌圖。
[0014]圖3為采用電弧離子鍍技術(shù)制備的納米復(fù)合AlTiN涂層的截面形貌圖。
[0015]圖4為采用納米壓痕技術(shù)測(cè)試的納米復(fù)合AlTiN涂層從表層到里層的硬度值變化曲線圖。
[0016]圖5為高速鋼和納米復(fù)合AlTiN涂層在3.5wt.% NaCl溶液中的電化學(xué)譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面通過實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018]實(shí)施例1
本實(shí)施例為在經(jīng)拋光處理的高速鋼片上沉積Al TiN涂層，試樣尺寸為25 X 30X1 mm?；群笤诒⒕凭驼麴s水中各超聲清洗20分鐘，然后用高純氮?dú)獯蹈?，再放置于真空室?nèi)正對(duì)革E材的試樣架上，轉(zhuǎn)架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速選為10 r/min，革E基距為150 mm。鍍膜過程在AIP-650型電弧離子鍍膜機(jī)上進(jìn)行，靶材分別選用純金屬Ti和Al(純度均為99.9 wt.%)，工作氣體和反應(yīng)氣體分別選用高純Ar和N2(純度均為99.999%)。
[0019]先將真空室的本底真空抽至1.0X10—3 Pa以下；打開加熱系統(tǒng)，升溫至400 °C，然后在真空室內(nèi)通入Ar氣80 sccm至鍍膜腔室內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到I Pa，加-700 V負(fù)偏壓，開啟4個(gè)純Ti靶(靶電流選為70 A)對(duì)試樣表面進(jìn)行輝光放電清洗，放電清洗時(shí)間15 min;隨后降低偏壓至-100 V，先沉積金屬Ti過渡層，沉積時(shí)間為10 min，通入反應(yīng)氣體N2(純度99.999%)80sccm，保持氮?dú)饬髁勘萅2/Ar為1，工作氣壓為2 Pa，同時(shí)開啟4個(gè)Al靶，調(diào)節(jié)Al靶電流為80A，沉積納米復(fù)合AlTiN涂層;鍍膜時(shí)間持續(xù)60 min。
[0020]圖1為本發(fā)明工藝下制備的納米復(fù)合AlTiN涂層的XRD衍射譜圖，可以看出AlTiN涂層由面心立方結(jié)構(gòu)的(Al，Ti)N涂層組成，沒有硬度低的六方相AlN生成。涂層的擇優(yōu)取向晶面為(111)方向。
[0021]圖2為納米復(fù)合AlTiN涂層的表面形貌圖，涂層表現(xiàn)為典型電弧離子鍍涂層特征，組織結(jié)構(gòu)致密均勻，表面有少量的大顆粒生成。EDS測(cè)試涂層表面成分組成為30.58 at.%Al, 15.76 at.% Ti和53.66 at.% N。其中Al/(A1+Ti)原子百分比為0.65。
[0022]圖3為納米復(fù)合AlTiN涂層的截面形貌圖，涂層的厚度約為2.8μπι，涂層與基體結(jié)合良好。
[0023]圖4為采用納米壓痕技術(shù)測(cè)試的納米復(fù)合AlTiN涂層從表層到里層的硬度值變化曲線圖。隨著納米壓痕探針的壓入，測(cè)試涂層硬度值先快速增加，達(dá)到一個(gè)平臺(tái)值，隨后由于基底效應(yīng)硬度逐漸降低。一般取平臺(tái)值作為涂層的平均硬度值。由圖可知，納米復(fù)合AlTiN涂層的硬度約為33.9 GPa。
[0024]圖5為高速鋼和AlTiN涂層在3.5wt.% NaCl溶液中的電化學(xué)譜圖。從圖中可以看到，AlTiN涂層的容抗弧半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高速鋼的容抗弧半徑，表現(xiàn)出更好的耐蝕性能。這主要由于AlTiN涂層在腐蝕過程中能在涂層表面形成致密的Al2O3和T12復(fù)合氧化膜，阻止腐蝕性介質(zhì)進(jìn)一步擴(kuò)散進(jìn)入涂層和基體內(nèi)。
[0025]實(shí)施例2
本實(shí)施例為在經(jīng)拋光處理的硬質(zhì)合金基片YG8上沉積AlTiN涂層，試樣尺寸為25 X 25 X2 mm?；群笤诒⒕凭驼麴s水中各超聲清洗20 min，然后用高純氮?dú)獯蹈?，再放置于真空室?nèi)正對(duì)革E材的試樣架上，轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速選為10 r/min，革E基距為150 mm。鍍膜過程在AIP-650型電弧離子鍍膜機(jī)上進(jìn)行，靶材分別選用純金屬Ti和Al (純度均為wt.99.9%)，工作氣體和反應(yīng)氣體分別選用Ar和N2(純度均為99.999%)。
[0026]先將真空室的本底真空抽至1.0X10—3 Pa以下。打開加熱系統(tǒng)，升溫至450 °C，然后在真空室內(nèi)通入Ar氣100 sccm至鍍膜腔室內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到I Pa，加-800 V負(fù)偏壓，開啟4個(gè)純Ti革[K革E電流選為60 A)對(duì)試樣表面進(jìn)行輝光放電清洗，放電清洗時(shí)間15 min;隨后降低偏壓至-100 V，先沉積金屬Ti過渡層，沉積時(shí)間為10 min，通入反應(yīng)氣體N2(純度99.999%)100sccm，保持N2/Ar流量比為1，工作氣壓為2 Pa，同時(shí)開啟4個(gè)Al靶，調(diào)節(jié)Al靶電流為80 A，沉積納米復(fù)合AlTiN涂層;鍍膜時(shí)間持續(xù)60 min。
[0027]涂層的相組成和組織結(jié)構(gòu)與實(shí)施案例I中AlTiN涂層相同，由面心立方結(jié)構(gòu)的(Al，Ti )N涂層組成。EDS測(cè)試涂層表面元素成分為:28.35 at.% Al, 15.37 at.% Ti和56.28at.% 1其中六1/(六1+11)原子百分比為0.648。厚度約為2.7 口111，硬度高達(dá)35.3 GPa0
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高Al含量的AlTiN涂層，其特征在于:AlTiN涂層與基體之間有一層10?300 nm厚的純Ti金屬層，以提高涂層與基體之間的結(jié)合力，涂層總的厚度為2?10 μπι。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于:A1含量為25?35at.%, Ti含量為15?20at.%, N含量為45?55 at.%，其中Al/(A1+Ti)= 0.55?0.7。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlTiN涂層，其特征在于:所述AlTiN涂層為面心立方結(jié)構(gòu)的(Al,T i)N相，涂層的衍射峰位于TiN和AlN相衍射峰的中間，但離AlN相衍射峰更近一些。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AlTiN涂層的制備工藝，其特征在于:采用AIP-650型電弧離子鍍膜儀在高速鋼和硬質(zhì)合金上沉積具有高硬度、高耐蝕性能的AlTiN涂層。5.按照權(quán)利要求2所述的AlTiN涂層的制備工藝，其特征在于:基體材料經(jīng)過除油和干燥預(yù)處理后，放入正對(duì)革G材的轉(zhuǎn)架上，轉(zhuǎn)架可以同時(shí)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)速度為5?40 r/min，革巴基距約為150 mm。6.按照權(quán)利要求2所述的AlTiN涂層的制備工藝，其特征在于:采用機(jī)械栗和分子栗抽真空；當(dāng)真空室氣壓優(yōu)于I X 10—3 Pa時(shí)，打開加熱系統(tǒng)將爐腔加熱至200?500 °C。7.按照權(quán)利要求2所述的AlTiN涂層的制備工藝，其特征在于:真空室溫度達(dá)到200?500弋后，打開Ar氣流量閥，氣流量為50?150 sccm，調(diào)整節(jié)流閥使真空室壓強(qiáng)為0.1?2 Pa，基片加-600?1000 V負(fù)偏壓，開啟4個(gè)純Ti靶，靶材電流均為50?150 A，對(duì)基體進(jìn)行輝光濺射清洗10?30 min。8.按照權(quán)利要求2所述的AlTiN涂層的制備工藝，其特征在于:沉積純Ti金屬層，負(fù)偏壓為-10?200 V，真空室壓強(qiáng)為0.1?2 Pa，僅開啟4個(gè)純Ti靶，時(shí)間約5?20 min。9.按照權(quán)利要求2所述的AlTiN涂層的制備工藝，其特征在于:沉積AlTiN涂層時(shí)，NdPAr氣流量為50?150 sccm，調(diào)整節(jié)流閥使真空室壓強(qiáng)為0.5-3 Pa，控制N2/Ar比在0.5-1.5之間；同時(shí)開啟4個(gè)純Al靶和純Ti靶，電流均為50?150 A，沉積AlTiN涂層，時(shí)間為30?120 min。
【文檔編號(hào)】C23C14/06GK105908126SQ201610545111
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年7月12日
【發(fā)明人】范其香, 吳正環(huán), 王鐵鋼, 劉艷梅, 李彤, 張濤
【申請(qǐng)人】天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)