TiWAlN硬質(zhì)薄膜及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種TiWAlN硬質(zhì)薄膜及其制備方法，是以高純Ti靶、W靶、Al靶為靶材，采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上的，薄膜分子式表示為Ti(W，Al，N)，厚度在1-3μm；沉積時(shí)，真空度優(yōu)于3.0×10-5Pa，以氬氣起弧，氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體進(jìn)行沉積，濺射氣壓0.3Pa，氬氮流量比10:(1-3)；Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率80-100W，Al靶濺射功率為0-100W。所得硬質(zhì)涂層綜合具備了高硬度，高耐磨性的優(yōu)良特點(diǎn)。
【專利說明】TiWAIN硬質(zhì)薄膜及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種涂層及其制備方法，特別是一種TiWAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜及制備方法，屬于陶瓷涂層【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，特別是高速、高溫極端服役條件下高性能切削加工方式的出現(xiàn)，要求刀具表面的涂層應(yīng)具有更高的硬度，優(yōu)良的摩擦磨損性能，并兼具較好的抗高溫氧化性能。然而，現(xiàn)有的刀具涂層雖然具有較高硬度，但它們的摩擦磨損性能都不理想，同時(shí)由于高溫氧化導(dǎo)致薄膜從刀具表面脫落，大大降低了刀具的使用性能，急劇縮短了其使用壽命，無法滿足現(xiàn)代切削加工更高的要求。近年來很多學(xué)者研究了 Al元素對薄膜性能的影響，發(fā)現(xiàn)向薄膜中添加Al元素，不僅提高了薄膜的抗氧化性能，同時(shí)薄膜的力學(xué)性能和摩擦磨損性能均得到改善，然而，對于Al元素在薄膜抗氧化過程中形成的氧化物Al2O3結(jié)構(gòu)由非晶向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變以及其對摩擦磨損性能影響方面很少有討論。目前，市場上還沒有發(fā)現(xiàn)TiWAlN薄膜被用作刀具涂層材料。因此，與當(dāng)代加工制造業(yè)所要求的理想高硬度耐磨損涂層相比，此種硬質(zhì)涂層具有很好的研究價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種TiWAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜及制備方法，克服現(xiàn)有TiN系硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜及多層膜摩擦磨損性能不理想等缺點(diǎn)，具有較高生產(chǎn)效率，兼具高硬度和優(yōu)異的摩擦磨損性能，可作為高速、干式切削的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)薄膜。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]一種TiWAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，是以高純Ti靶、W靶、Al靶為靶材，采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上的，薄膜分子式表示為Ti (W，Al，N)，厚度在
1-3 μ m0
[0006]Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率為80-100W，Al靶濺射功率為0-100W ；當(dāng)Ti靶功率250W，W靶功率為90W，A1靶功率為75W時(shí)，薄膜具有高硬度(35.7GPa)、最佳的摩擦磨損性能。
[0007]一種TiWAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于，以高純Ti靶、W靶、Al靶為靶材，利用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上沉積得到；沉積時(shí)，真空度優(yōu)于3.0Xl(T5Pa，以氬氣起弧,氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體進(jìn)行沉積,濺射氣壓0.3Pa，氬氮流量比10: (1-3) ；Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率80_100W，A1靶濺射功率為0-100W ;較佳地，Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，Al靶濺射功率0-100W ;較佳地，Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，Al靶濺射功率為25-100W ;更佳地，Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，Al靶濺射功率50-100W ;最佳地，Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，Al靶濺射功率75W，此時(shí)，薄膜硬度高達(dá)35.7GPa，干切削實(shí)驗(yàn)下，磨損率為1.79 X 10_8mm3/Nmm。
[0008]前述的TiWAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于，在基體上預(yù)先沉積純Ti作為過渡層。
[0009]本發(fā)明的TiWAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜是采用高純Ti靶、W靶和Al靶共焦射頻反應(yīng)濺射，沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上制備得到的，薄膜厚度在1-3 μ m，濺射反應(yīng)過程中，Al靶功率在0-100W之間，當(dāng)Al靶功率為75W時(shí)，薄膜的硬度高達(dá)35.7GPa，干切削實(shí)驗(yàn)下，磨損率為1.79X10-8mm3/Nmm，這種硬質(zhì)涂層綜合具備了高硬度，高耐磨性的優(yōu)良特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0010]圖1為本發(fā)明實(shí)施例所得TiWAlN復(fù)合膜中Ti，W和Al原子百分含量。由于實(shí)驗(yàn)儀器對N原子含量檢測不準(zhǔn)確，因此將Ti，W和Al原子含量歸一化，即原子總含量設(shè)定為100%。隨著Al靶濺射功率升高，薄膜中Al原子含量增大，而Ti和W原子含量相應(yīng)地減少。當(dāng)Al靶濺射功率從OW逐漸升至25W，50W, 75W和100W，薄膜中對應(yīng)的Al原子含量分別Oat.%，5.26at.%，10.39at.%，15.91at.%和 23.08at.%。
[0011]圖2為本發(fā)明實(shí)施例所得TiWAlN復(fù)合膜的XRD圖譜。由圖可知，Al原子含量在0-10.39at.%范圍時(shí)，薄膜由面心結(jié)構(gòu)的TiWAlN相、六方結(jié)構(gòu)的Ti2N相和面心立方結(jié)構(gòu)的W2N相組成。當(dāng)Al原子含量增大到15.91at.%時(shí)，六方結(jié)構(gòu)的Ti2N相消失；當(dāng)Al原子含量為23.08at.%時(shí)，固溶到薄膜中的Al原子達(dá)到飽和，過量的Al原子與氮?dú)夥磻?yīng)生成六方結(jié)構(gòu)的AlN相，此時(shí)薄膜由面心立方結(jié)構(gòu)的TiWAlN相和W2N相及六方結(jié)構(gòu)的AlN相組成。
[0012]圖3為本發(fā)明實(shí)施例所得TiWAlN復(fù)合膜硬度(GPa)和殘余應(yīng)力(GPa)與Al原子含量(at.% )關(guān)系。隨著Al含量增加，薄膜硬度顯著升高，當(dāng)Al含量為15.91at.% (Al靶功率75W)時(shí)，薄膜硬度高達(dá)35.7GPa;當(dāng)Al含量高于15.91at.%時(shí)，隨著Al含量提高，薄膜硬度逐漸下降。
[0013]圖4為本發(fā)明實(shí)施例所得TiWAlN復(fù)合膜室溫干切削實(shí)驗(yàn)下平均摩擦系數(shù)和磨損率(mm3/Nmm)與Al原子含量(at.% )的關(guān)系。由圖可見，隨著Al含量增加，TiWAlN復(fù)合膜的摩擦系數(shù)逐漸增大，而磨損率先減小后增大，當(dāng)Al含量為15.91at.% (Al靶功率75W)時(shí)，薄膜的磨損率獲得最小值，為1.79X 10_8mmVNmm。
[0014]圖5為本發(fā)明實(shí)施例所得TiWAlN復(fù)合膜(Al含量為15.91at.% )干切削實(shí)驗(yàn)下平均摩擦系數(shù)和磨損率(mm3/Nmm)與溫度(V )變化關(guān)系。由圖知，隨著溫度升高，TiffAlN復(fù)合膜的摩擦系數(shù)先增大后減小，而磨損率一直增大。當(dāng)溫度升至400°C時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到最大，為0.683 ;當(dāng)溫度達(dá)到500°C時(shí)，摩擦系數(shù)急劇減小，當(dāng)溫度升至700°C時(shí)，薄膜的摩擦系數(shù)降至最低，0.389。
[0015]圖6為本發(fā)明實(shí)施例所得TiWAlN復(fù)合膜(Al含量為15.91at.% )在不同溫度下的XRD圖譜。由圖可知，當(dāng)溫度為400°C時(shí)，圖譜中沒有氧化物的衍射峰出現(xiàn)；當(dāng)溫度升至500°C時(shí)，薄膜中出現(xiàn)了 T12, Al2O3和WO3的衍射峰。當(dāng)溫度繼續(xù)升至700°C時(shí)，T12, Al2O3和WO3的衍射峰增強(qiáng)，表明薄膜進(jìn)一步發(fā)生氧化。
[0016] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例所得TiWAlN復(fù)合膜(Al含量為15.91at.% )的TG曲線。由圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度低于430°C左右時(shí)，隨著溫度升高，薄膜的重量緩慢增加，表明少量的O原子進(jìn)入薄膜內(nèi)，此時(shí)薄膜中形成非晶Al2O3相；當(dāng)溫度超過430°C左右時(shí)，薄膜的重量急劇升高，表明薄膜發(fā)生了明顯氧化，此時(shí)Al2O3相由非晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫w結(jié)構(gòu)，這一結(jié)果與500°C和700°C下出現(xiàn)了 Al2O3的晶體XRD衍射峰(圖6)相一致。

【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明的制備方法，具體如下:
[0018]TiffAlN復(fù)合膜的制備是在JGP-450高真空多靶磁控濺射設(shè)備上完成的。該磁控濺射儀有三個(gè)濺射靶，分別安裝在三個(gè)水冷支架上，三個(gè)不銹鋼擋板分別安裝在三個(gè)靶前面，通過電腦自動(dòng)控制。純Ti靶(99.99% )、純W革巴(99.9% )和Al靶(99.99% )分別安裝在三個(gè)獨(dú)立的射頻陰極上，靶材直徑為75mm。將高速鋼等硬質(zhì)合金或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，向真空室內(nèi)充入純度均為99.999%的Ar、N2混合氣體，通過在高速鋼等硬質(zhì)合金或陶瓷的基體上采用純Ti靶、純W靶和Al靶進(jìn)行雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射方法沉積生成TiffAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜。沉積TiWAlN薄膜之前，通過擋板隔離基片與離子區(qū)，首先用Ar離子對靶材進(jìn)行濺射lOmin，以去除靶材表面的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)帶入薄膜中。在基體上沉積10nm的純Ti作為過渡層，以增強(qiáng)膜基結(jié)合力。濺射時(shí)間為2h，薄膜厚度為1_3 μ m。
[0019]其中，選用襯底為單晶Si片(100)對薄膜的成分、相結(jié)構(gòu)和硬度進(jìn)行研究；選用襯底為不銹鋼的復(fù)合膜進(jìn)行摩擦磨損性能的研究。襯底分別在丙酮和無水乙醇超聲波中各清洗lOmin，以清除基體表面的油污與灰塵，快速烘干后裝入真空室可旋轉(zhuǎn)的基片架上。靶材到基片的距離約為11cm。真空室本底真空優(yōu)于3.0 X 10_5Pa后，通入純度為99.999%的氬氣起弧。工作氣壓保持在0.3Pa，同時(shí)Ar、N2流量比保持10:2。固定Ti靶功率為250W，W靶濺射功率為90W，制備一系列不同Al靶功率(0-100W)的TiWAlN薄膜。
[0020]表1所示的實(shí)施例1-5考察了不同Al靶獲得的TiWAlN薄膜的硬度、干切削實(shí)驗(yàn)下的摩擦系數(shù)和磨損率。
[0021]表1
[0022]

【權(quán)利要求】
1.一種TiWAlN硬質(zhì)薄膜，其特征在于是以高純Ti靶、W靶、Al靶為靶材，采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上的，薄膜分子式表示為Ti (W，Al，N)，厚度在1-3 μ m ;當(dāng)Ti靶功率250W，W靶功率為90W，Al靶功率為75W時(shí)，薄膜具有高硬度(35.7GPa)、最佳的摩擦磨損性能。
2.—種TiWAlN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于，以高純Ti靶、W靶、Al靶為靶材，利用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上沉積得到；沉積時(shí)，真空度優(yōu)于3.0X l(T5Pa，以氬氣起弧,氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體進(jìn)行沉積，濺射氣壓0.3Pa,氬氮流量比10: (1-3) ；Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率80-100W，Al靶濺射功率為0-100W。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWAlN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，Al靶濺射功率0-100W。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWAlN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，Al靶濺射功率為25-100W。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWAlN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，Al靶濺射功率50-100W。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWAlN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，Al靶濺射功率75W，此時(shí)，薄膜硬度高達(dá)35.7GPa，干切削實(shí)驗(yàn)下，磨損率為 1.79 X 10 8mm3/Nmnin
7.根據(jù)權(quán) 利要求2所述的TiWAlN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于，在基體上預(yù)先沉積純Ti作為過渡層。
【文檔編號】C23C14/34GK104073770SQ201410282805
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】喻利花, 許俊華, 董鴻志 申請人:江蘇科技大學(xué)