一种梯度多层结构的MeAlN/TiSiN涂层刀具及制备方法

技术领域

本发明属于金属切削刀具技术领域，更具体地，涉及一种梯度多层结构的MeAlN/TiSiN涂层刀具及制备方法。

背景技术

利用物理气相沉积技术(PVD)在刀具表面涂覆具有高硬度、低摩擦、抗氧化、耐磨损的涂层材料可为切削刀具提供良好的防护，延长刀具的使用寿命，目前常用的刀具涂层材料以过渡金属氮化物为主。

TiSiN作为常用的纳米复合结构涂层，呈现出纳米晶TiN与非晶SiNx的两相包覆结构，由于TiN纳米晶粒尺寸小无法形成位错、抵抗变形能力强，而网络状的非晶SiNx相能够限制晶粒生长且抑制晶界滑移，同时非晶的网状结构能够使裂纹发生偏转与分裂，因此纳米复合涂层兼具优异的硬度和韧性。但TiSiN涂层较高的残余应力导致与刀具基体之间的结合强度较低，常引入其他材料与TiSiN构建双层或者纳米多层结构来使用。如CN201611235550.7一种高硬度TiCrN/TiSiN纳米多层结构涂层公开由多个TiCrN层和TiSiN层构成，TiCrN层和TiSiN层依次交替沉积在基体上，靠近基体的一层为TiCrN层，形成具有纳米多层结构的新型涂层。该涂层分别利用面心立方结构的TiCrN层作为模板层和具有纳米复合结构的TiSiN作为调制层，使TiSiN层在面心立方结构的TiCrN层的模板作用下转变为面心立方结构，并与TiCrN层之间形成共格外延生长。该共格生长界面对位错运动有较强的抑制作用，从而使TiCrN/TiSiN纳米多层涂层得到有效的强化。而TiCrN涂层维持良好的热稳定性，需保持较低的Cr含量，但会导致抗氧化性下降；为了维持良好的抗氧化性，则需保持高的Cr含量，但高温情况下Cr-N键容易分解断裂产生Cr

由于纳米多层结构中存在大量界面，可有效偏转裂纹在涂层内部的扩展路径，改善涂层的韧性，且涂层内部各子层之间的共格生长，可提升涂层的硬度。以TiSiN为基础构建MeAlN/TiSiN纳米多层涂层时，TiSiN易与相邻的MeAlN子层发生外延生长、形成共格界面，层间共格界面有助于抑制裂纹的扩展以及TiSiN高温下的晶粒长大，实现涂层韧性和高温稳定性的提升，因此MeAlN/TiSiN纳米多层涂层具有明显的优势。但外延生长形成共格界面时，涂层整体呈现柱状晶生长，TiSiN层中Si以固溶形式存在于TiN晶格中，失去了纳米复合结构原本的性能优势，导致纳米多层涂层的硬度低于TiSiN单层涂层。此外，柱状晶的晶界处存在孔隙缺陷，涂层内部裂纹一旦形成，会沿柱状晶的晶界扩展，导致涂层断裂失效。因此，刀具基体上沉积的涂层存在无法兼具高硬度、强韧性、膜基结合强以及长寿命的问题。

发明内容

本发明为克服现有MeAlN/TiSiN涂层发生外延生长形成共格界面时，TiSiN层中Si以固溶形式存在于TiN晶格中，导致纳米多层涂层的硬度低于TiSiN单层涂层，并且柱状晶的生长形貌促使裂纹沿晶界快速扩展引起涂层断裂，导致刀具基体上沉积的涂层无法兼具高硬度、强韧性、膜基结合强以及长寿命的问题，提供了一种梯度多层结构的MeAlN/TiSiN涂层刀具及制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种梯度多层结构的MeAlN/TiSiN涂层刀具，包括设置在刀具基体上的MeAlN过渡层、设置在MeAlN过渡层上的MeAlN/TiSiN梯度多层以及设置在MeAlN/TiSiN梯度多层上的TiSiN表层。所述MeAlN/TiSiN梯度多层包括至少两个由MeAlN层与TiSiN层交替沉积得到的子层，从MeAlN过渡层至TiSiN表层，子层的晶粒尺寸逐渐减小。

进一步地，所述子层的晶粒大小的变化范围为100nm-5nm。

本发明在刀具基体表面沉积MeAlN过渡层，改善涂层与刀具基体之间的结合，然后在MeAlN过渡层上沉积多个MeAlN层与TiSiN层交替的子层，构成MeAlN/TiSiN梯度多层，最后在MeAlN/TiSiN梯度多层上沉积TiSiN表层。本发明中的MeAlN/TiSiN梯度多层将每层涂层之间热膨胀系数的差异控制在一个较小的范围内，即控制第一梯度子层与其上的第二梯度子层之间热膨胀系数差异小，逐层渐变，第n-1梯度子层与其上的第n层热膨胀系数差异小，第n层梯度子层与其上的TiSiN层热膨胀系数差异小，从而优化涂层内部应力分布，实现涂层热膨胀系数和结构的梯度变化，提升MeAlN过渡层与TiSiN表层之间的界面结合，充分发挥TiSiN表层的优势。

进一步地，所述MeAlN过渡层厚度为0.2～1μm，所述MeAlN/TiSiN梯度多层的厚度为1～5μm，所述TiSiN表层厚度为0.3～2μm。

进一步地，所述从MeAlN过渡层至TiSiN表层，各子层中的MeAlN的含量下降，TiSiN的含量上升。

进一步地，所述MeAlN/TiSiN梯度多层的子层中MeAlN层与TiSiN层交替沉积一次得到交替单元，每个交替单元的厚度为5～50nm，通过调控每一个交替单元中MeAlN层与TiSiN层的厚度，诱导MeAlN和TiSiN层之间发生共格外延生长，可实现涂层硬度提升。

进一步地，每个交替单元中的所述MeAlN层和所述TiSiN的厚度比为1：5至5：1。

进一步地，所述MeAlN过渡层和MeAlN/TiSiN梯度多层中的MeAlN各元素原子百分比为：Al:15～30at.％，Me:15～30at.％，N:45～55at.％，Me包括元素Ti、Cr、Zr、Ta、Mo、Nb、V中的一种或几种。

进一步地，所述MeAlN/TiSiN梯度多层和TiSiN表层中的TiSiN各元素的原子百分比为：Ti:30～45at.％，Si:1～25at.％，N:45～54at.％。

本发明中各涂层的层与层之间成分与结构相接近，可减少层间界面处的界面能，有利于形成在各层的界面处成共格或者半共格界面，因此该涂层刀具表现出高硬度、强结合的特性。

一种梯度多层结构的MeAlN/TiSiN涂层刀具的制备方法，涂层通过电弧离子镀技术在刀具基体上沉积，步骤包括：

S1.将刀具基体装载至反应腔中，反应腔抽真空，加热，对刀具基体进行离子清洗；

S2.在预处理后的刀具基体表面沉积MeAlN过渡层；

S3.在MeAlN过渡层上交替沉积多层MeAlN层和TiSiN层，构成MeAlN/TiSiN梯度多层；

S4.在MeAlN/TiSiN梯度多层上沉积TiSiN表层。

进一步地，S1中刀具基体的温度为300～600℃，沉积腔室压力为0.5～5.0Pa；S2中MeAlN过渡层的沉积偏压为-20V～-150V；S3中MeAlN/TiSiN梯度多层沉积偏压为-40V～-250V；S4中TiSiN表层沉积偏压控制在-30V～-150V。

与现有技术相比，有益效果是：

本发明通过在MeAlN过渡层和TiSiN表层之间设置MeAlN和TiSiN交替组成的梯度多层，控制涂层热膨胀系数变化，优化涂层内部应力分布，提升MeAlN过渡层与TiSiN表层之间的界面结合。同时梯度多层中MeAlN和TiSiN层之间发生共格外延生长，可实现涂层硬度提升。

本发明中表层的TiSiN通常呈现出纳米晶TiN与非晶SiNx的两相包覆结构，非晶的网状结构能够使裂纹发生偏转与分裂，促使纳米复合涂层表现较高的韧性。MeAlN/TiSiN梯度多层中大量的层间界面以及MeAlN与TiSiN各子层之间因外延生长而产生的交变应力场，可使微裂纹发生偏转、分裂以及尖端钝化，提升涂层韧性。本发明通过调控MeAlN和TiSiN的成分、厚度比以及沉积工艺在MeAlN/TiSiN层中抑制裂纹在外延生长的MeAlN/TiSiN层中沿柱状晶的晶界快速扩展，实现晶粒尺寸的梯度变化，利用粗晶组织的塑性变形能力，抑制纳米晶粒组织的局域化变形和裂纹萌生，使纳米晶组织表现出良好的塑性变形能力，可保证涂层高硬度的同时兼具强韧性。本发明所述的梯度多层涂层刀具，可以耦合纳米多层和纳米复合结构优势，能够显著延长刀具的服役寿命。

附图说明

图1为梯度多层结构的MeAlN/TiSiN涂层的结构示意图；

图2为实施例1制备的梯度多层结构的TiAlN/TiSiN涂层的截面SEM图；

图3为实施例1和对比例1所制备涂层的划痕测试结果；

图4为实施例1和对比例1所制备涂层的硬度、弹性模量及H

图5为实施例1和对比例1制备涂层车刀片车削加工304不锈钢的寿命。

具体实施方式

下面结合实施例进一步解释和阐明，但具体实施例并不对本发明有任何形式的限定。若未特别指明，实施例中所用的方法和设备为本领域常规方法和设备，所用原料均为常规市售原料。

实施例1

本实施例提供一种梯度多层结构的TiAlN/TiSiN涂层刀具，如图1所示，包括TiAlN过渡层、TiAlN/TiSiN梯度多层和TiSiN表层，其中TiAlN过渡层和TiAlN/TiSiN梯度多层中的TiAlN各个元素原子百分比为Al：25at.％，Ti：25at.％，N：50at.％，TiAlN/TiSiN梯度多层中的TiSiN以及TiSiN表层的各元素原子百分比为：Ti:35at.％，Si:15at.％，N:50at.％。

制备步骤包括：

S1.将硬质合金刀具基体进行超声清洗、烘干后，送入涂层炉中，对刀具基体进行离子清洗。

S2.通入N

S3.接着点燃TiSi靶，调整N

S4.最后关闭TiAl靶，在靶电流密度为1.5A/cm

实施例2

本实施例提供一种梯度多层结构的CrAlN/TiSiN涂层刀具，包括CrAlN过渡层、CrAlN/TiSiN梯度多层和TiSiN表层，其中CrAlN过渡层和CrAlN/TiSiN梯度多层中的CrAlN各个元素原子百分比为Al：30at.％，Cr：20at.％，N：50at.％，CrAlN/TiSiN梯度多层中的TiSiN以及TiSiN表层的各元素原子百分比为：Ti:42at.％，Si:10at.％，N:48at.％。

制备步骤包括：

S1.将硬质合金刀具基体进行超声清洗、烘干后，送入涂层炉中，对刀具基体进行离子清洗。

S2.通入N

S3.接着点燃TiSi靶，调整N

S4.最后关闭CrAl靶，在靶电流密度为1.0A/cm

实施例3

本实施例提供一种梯度多层结构的TiAlCrN/TiSiN涂层刀具，包括TiAlCrN过渡层、TiAlCrN/TiSiN梯度多层和TiSiN表层，其中TiAlCrN过渡层和TiAlCrN/TiSiN梯度多层中的TiAlCrN各个元素原子百分比为Ti:15at.％，Al：20at.％，Cr：15at.％，N：50at.％，TiAlCrN/TiSiN梯度多层中的TiSiN以及TiSiN表层的各元素原子百分比为：Ti:33at.％，Si:20at.％，N:47at.％。

制备步骤包括：

S1.将硬质合金刀具基体进行超声清洗、烘干后，送入涂层炉中。待温度及真空度达到设定条件时，对刀具基体进行离子清洗。

S2.通入N

S3.接着点燃TiSi靶，调整N

S4.最后关闭TiAlCr靶，在靶电流密度为1.5A/cm

实施例4

本实施例提供一种梯度多层结构的TiAlN/TiSiN涂层刀具，包括TiAlN过渡层、TiAlN/TiSiN梯度层和TiSiN表层，其中TiAlN过渡层和TiAlN/TiSiN梯度层中的TiAlN各个元素原子百分比为Ti:15at.％，Al：20at.％，Cr：15at.％，N：50at.％，TiAlN/TiSiN梯度多层中的TiSiN以及TiSiN表层的各元素原子百分比为：Ti:45at.％，Si:7at.％，N:48at.％。

制备步骤包括：

S1.将硬质合金刀具基体进行超声清洗、烘干后，送入涂层炉中，对刀具基体进行离子清洗。

S2.通入N

S3.接着点燃TiSi靶，调整N

S4.最后关闭TiAl靶，在靶电流密度为1.0A/cm

对比例1

本实施例提供一种梯度多层结构的TiAlN/TiSiN涂层刀具，包括TiAlN过渡层、TiAlN/TiSiN梯度层和TiSiN表层，其中TiAlN过渡层和TiAlN/TiSiN梯度层中的TiAlN各个元素原子百分比为Al：25at.％，Ti：25at.％，N：50at.％，TiAlN/TiSiN梯度层中的TiSiN以及TiSiN表层的各元素原子百分比为：Ti:35at.％，Si:15at.％，N:50at.％。

制备步骤包括：

S1.硬质合金刀具基体进行超声清洗、烘干后，送入涂层炉中，对刀具基体进行离子清洗。

S2.通入N

S3.接着点燃TiSi靶，调整N

S4.最后关闭TiAl靶，在靶电流密度为1.5A/cm

如图2所示的实施例1中制备的TiAlN/TiSiN涂层的截面SEM图。从图中可以看出，涂层主要由TiAlN过渡层，TiAlN/TiSiN梯度多层，以及顶层TiSiN涂层构成，其中过渡层TiAlN厚度约为200nm，TiAlN/TiSiN梯度多层厚度约为1.3μm，其中TiAlN/TiSiN梯度多层由2层晶粒尺寸不同的TiAlN/TiSiN层构成，第一层TiAlN/TiSiN层晶粒较粗，厚度约0.5μm。第二层TiAlN/TiSiN层晶粒细小，厚度约0.8μm，顶层TiSiN厚度约为500nm。

对实施例1和对比例1所制备的硬质合金刀具进行划痕测试，在硬质合金基体沉积涂层，采用半径200μm的洛氏压头，加载力范围为0-100N，划痕长度为4mm，之后在显微镜下观察划痕的形貌。如图3所示，实施例1中梯度多层结构的TiAlN/TiSiN涂层结合力大于60N，而对比例1中未存在梯度结构的TiAlN/TiSiN涂层结合力仅约43N。由此可见梯度多层结构能够有效提高涂层的结合强度。

由图4可知，实施例1中梯度多层结构的TiAlN/TiSiN涂层硬度为37.3±1.9GPa，与对比例1中未存在梯度结构的TiAlN/TiSiN涂层硬度相当。而实施例1中梯度多层结构的TiAlN/TiSiN涂层的H

由图5可得，在加工304不锈钢时实施例1中梯度多层结构的TiAlN/TiSiN涂层寿命约3600m，比对比例中TiAlN/TiSiN涂层的～2900m提升了约25％，体现出了明显的优势。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。