一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层及其制备方法
文献发布时间：2024-04-18 19:44:28
技术领域
本发明属于刀具涂层和表面防护涂层技术领域，尤其涉及一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层及其制备方法。
背景技术
随着高强钢、冷硬铸铁、高温合金、钛合金、碳纤维复合材料等难加工材料的广泛应用，以及高速切削、强力切削和干切削等现代切削技术的迅速发展，作为切削加工过程中的核心部件——刀具的工作环境日益苛刻。其切削刃需承受高温(300 ~ 1200 ℃)、高压(100 ~ 10000 N/mm
随着机械加工速度和加工精度的不断提升，传统的TiAlN、AlTiN和CrAlN涂层在高速加工各种难切削材料时，常发生明显氧化和烧蚀，且硬度也无法满足需要。中国发明专利ZL202110097546.3公开了一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层及其制备方法，该涂层可以在航空润滑油环境中大大提高钢基体的耐磨损性能。中国专利CN202210431786.7公开了一种纳米复合高熵氮化物涂层及其复合沉积方法，TiAlCrNbVSiN高熵氮化物具有优秀的热稳定性、高温抗氧化和高温耐磨减摩性能，可用于金属零件的高速切削加工。然而，上述高熵氮化物涂层的韧性较差，且涂层与基体之间的结合力低，易在压应力载荷作用下失效。为了解决上述问题，本发明提出一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层，既能保证涂层的高硬度、高耐磨、高抗氧化性能，又能提升涂层的韧性和膜基结合强度。
发明内容
鉴于现有单层高熵氮化物涂层韧性和膜基结合强度不足的问题，本发明提出一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层，既能保证涂层的高硬度、高耐磨、高抗氧化性能，又能提升涂层的韧性和膜基结合强度，可以满足现代高速高精加工对刀具的需求。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层的制备方法。
为解决现有技术问题，本发明所述的一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层，其特征在于：该涂层由下到上包括衬底基体、Ti轰击植入层、TiN过渡层以及纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层；纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层是由调制比为2:1:1的TiAlCrZrNbSiN中间层、TiAlSiN中间层与TiN中间层交替沉积而成，调制周期为8~15nm；TiAlCrZrNbSiN的原子百分比含量：Ti 15~20 at.%，Al 15~20 at.%，Cr 15~20at.%，Zr 6~10 at.%，Nb 6~10 at.%，Si 8~10 at.%，N 10~35 at.%；TiAlSiN的原子百分比含量：Ti 25~30 at.%，Al 25~30 at.%，Si 14~16 at.%，N 24~36 at.%；TiN的原子百分比含量：Ti 45~55 at.%，N 45~55 at.%。
所述衬底基体为高速钢或硬质合金刀具基体。
所述TiN过渡层的厚度为50~100nm，纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层的厚度为2~4μm。
一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1 预处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入无水乙醇和丙酮中超声清洗10~20min，去除表面油污，采用真空干燥箱干燥10小时后迅速放入镀膜机真空室内的工件转架上，预抽本底真空至5~7×10
S2 溅射清洗：充入氩气，调整气压至3~5Pa，开启直流偏压电源，调节基体偏压至-400V，对腔体进行辉光溅射清洗20~30min；
S3 Ti离子轰击：调整氩气气压至0.5~1Pa，打开Ti靶，调节靶材功率至200~300W，轰击基体5~10min，得到Ti轰击植入层；
S4 TiN过渡层沉积：关闭氩气，充入氮气调节气压至0.5~1Pa，沉积10~15min，得到TiN过渡层；
S5 纳米多层沉积：同时打开Ar、N
S6 后处理：关闭TiAlCrZrNbSi靶、TiAlSi靶和Ti靶，关闭气体和偏压电源，保温30~60min后结束镀膜。
本发明具有的有益效果：
（1）本发明采用直流磁控溅射制备了TiAlCrZrNbSiN高熵氮化物，其中Cr元素能够提高氮化物的高温性能，Zr元素能够提高氮化物的硬度和刚度，Si、Nb元素则对氮化物的韧性有益。
（2）该纳米多层涂层具有共格关系，层界面处发生共格畸变，产生较大的拉压交变应力场，阻碍位错移动，使涂层具有超高硬度和优异的耐磨性。
（3）该纳米多层涂层中包含TiAlCrZrNbSiN高熵氮化物层，纳米结构的高熵氮化物可以保证涂层的高硬度、高耐磨性能以及优异的热稳定性和高温抗氧化性。
（4）该纳米多层涂层中TiN和TiAlSiN中间层具有较好的韧性，与TiAlCrZrNbSiN高熵氮化物层形成共格关系，可以保证涂层具有较好的韧性和膜基结合强度，延长刀具在高载荷作用下的使用寿命。
（5）本发明的涂层刀具既具有高硬度、良好的热稳定性和抗氧化性，又具有较好的韧性和膜基结合强度。干切削时，刀具涂层能够承受较大载荷，因而可显著提升刀具的切削性能和使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
本发明所述的一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层，其特征在于：该涂层由下到上包括衬底基体、Ti轰击植入层、TiN过渡层以及纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层；纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层是由调制比为2:1:1的TiAlCrZrNbSiN中间层、TiAlSiN中间层与TiN中间层交替沉积而成，调制周期为8nm；TiAlCrZrNbSiN的原子百分比含量：Ti 15 at.%，Al 15 at.%，Cr 15 at.%，Zr 6 at.%，Nb 6at.%，Si 8 at.%，N 35 at.%；TiAlSiN的原子百分比含量：Ti 25 at.%，Al 25 at.%，Si 14at.%，N 36 at.%；TiN的原子百分比含量：Ti 45 at.%，N 55 at.%。
所述衬底基体为高速钢或硬质合金刀具基体。
所述TiN过渡层的厚度为50nm，纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层的厚度为2μm。
一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1 预处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入无水乙醇和丙酮中超声清洗10~20min，去除表面油污，采用真空干燥箱干燥10小时后迅速放入镀膜机真空室内的工件转架上，预抽本底真空至5×10
S2 溅射清洗：充入氩气，调整气压至3Pa，开启直流偏压电源，调节基体偏压至-400V，对腔体进行辉光溅射清洗20min；
S3 Ti离子轰击：调整氩气气压至0.5Pa，打开Ti靶，调节靶材功率至200W，轰击基体10min，得到Ti轰击植入层；
S4 TiN过渡层沉积：关闭氩气，充入氮气调节气压至0.5Pa，沉积15min，得到TiN过渡层；
S5 纳米多层沉积：同时打开Ar、N
S6 后处理：关闭TiAlCrZrNbSi靶、TiAlSi靶和Ti靶，关闭气体和偏压电源，保温30min后结束镀膜。
实施例二
本发明所述的一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层，其特征在于：该涂层由下到上包括衬底基体、Ti轰击植入层、TiN过渡层以及纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层；纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层是由调制比为2:1:1的TiAlCrZrNbSiN中间层、TiAlSiN中间层与TiN中间层交替沉积而成，调制周期为15nm；TiAlCrZrNbSiN的原子百分比含量：Ti 20 at.%，Al 20 at.%，Cr 20 at.%，Zr 10 at.%，Nb10 at.%，Si 10 at.%，N 10 at.%；TiAlSiN的原子百分比含量：Ti 30 at.%，Al 30 at.%，Si16 at.%，N 24 at.%；TiN的原子百分比含量：Ti 55 at.%，N 45 at.%。
所述衬底基体为高速钢或硬质合金刀具基体。
所述TiN过渡层的厚度为100nm，纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层的厚度为4μm。
一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1 预处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入无水乙醇和丙酮中超声清洗20min，去除表面油污，采用真空干燥箱干燥10小时后迅速放入镀膜机真空室内的工件转架上，预抽本底真空至7×10
S2 溅射清洗：充入氩气，调整气压至5Pa，开启直流偏压电源，调节基体偏压至-400V，对腔体进行辉光溅射清洗30min；
S3 Ti离子轰击：调整氩气气压至1Pa，打开Ti靶，调节靶材功率至300W，轰击基体5min，得到Ti轰击植入层；
S4 TiN过渡层沉积：关闭氩气，充入氮气调节气压至1Pa，沉积15min，得到TiN过渡层；
S5 纳米多层沉积：同时打开Ar、N
S6 后处理：关闭TiAlCrZrNbSi靶、TiAlSi靶和Ti靶，关闭气体和偏压电源，保温60min后结束镀膜。
实施例三
本发明所述的一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层，其特征在于：该涂层由下到上包括衬底基体、Ti轰击植入层、TiN过渡层以及纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层；纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层是由调制比为2:1:1的TiAlCrZrNbSiN中间层、TiAlSiN中间层与TiN中间层交替沉积而成，调制周期为10nm；TiAlCrZrNbSiN的原子百分比含量：Ti 18 at.%，Al 18 at.%，Cr 18 at.%，Zr 8 at.%，Nb 8at.%，Si 9 at.%，N 21 at.%；TiAlSiN的原子百分比含量：Ti 28 at.%，Al 28 at.%，Si 15at.%，N 29 at.%；TiN的原子百分比含量：Ti 50 at.%，N 50 at.%。
所述衬底基体为高速钢或硬质合金刀具基体。
所述TiN过渡层的厚度为80nm，纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层的厚度为3μm。
一种纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1 预处理：将刀具基体材料研磨抛光，依次放入无水乙醇和丙酮中超声清洗15min，去除表面油污，采用真空干燥箱干燥10小时后迅速放入镀膜机真空室内的工件转架上，预抽本底真空至6×10
S2 溅射清洗：充入氩气，调整气压至4Pa，开启直流偏压电源，调节基体偏压至-400V，对腔体进行辉光溅射清洗25min；
S3 Ti离子轰击：调整氩气气压至0.8Pa，打开Ti靶，调节靶材功率至250W，轰击基体8min，得到Ti轰击植入层；
S4 TiN过渡层沉积：关闭氩气，充入氮气调节气压至0.8Pa，沉积12min，得到TiN过渡层；
S5 纳米多层沉积：同时打开Ar、N
S6 后处理：关闭TiAlCrZrNbSi靶、TiAlSi靶和Ti靶，关闭气体和偏压电源，保温50min后结束镀膜。
上述实施例制备所得纳米多层TiAlCrZrNbSiN/TiAlSiN/TiN涂层的性能如下：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。