一種AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層材料，由結(jié)合層、過渡層、支撐層以及高溫強(qiáng)韌耐磨層構(gòu)成，其制備方法是：采用弧光離子源對(duì)經(jīng)過化學(xué)清洗的基體進(jìn)行刻蝕清洗，然后采用電弧離子鍍方法依次沉積結(jié)合層、過渡層、硬化層、支撐層以及超強(qiáng)韌耐高溫耐磨層。本發(fā)明充分利用納米晶-非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)的超硬特性和高耐溫特性，將AlTiSiN和AlCrSiN兩種納米晶涂層材料聯(lián)合構(gòu)建納米晶-非晶多層涂層材料。涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不但有成分漸變，同時(shí)還具有硬度梯度漸變，所制備的AlTiSiN-AlCrSiN涂層與基體有良好的結(jié)合力、良好的硬度和優(yōu)越的耐溫耐磨性能，很好的克服了基體涂層耐溫性和耐磨性不足的問題，大幅度提高了基體的使用性能，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
【專利說明】-種AIT i S i N-AI CrS i N納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂 層材料及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層材料及制 備方法，屬于涂層材料【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高強(qiáng)度鋼、高溫合金以及復(fù)合材料等難加工材料使用量的急劇增加以及高速 切削、干切削和微潤(rùn)滑切削工藝大量使用，對(duì)切削刀具提出了更高的技術(shù)要求。在實(shí)際切削 應(yīng)用中，切削區(qū)域的溫度常高于常規(guī)硬度為20-30GPa的TiN、TiCN、TiAlN等刀具涂層的熱 分解溫度，因而導(dǎo)致刀具氧化磨損嚴(yán)重而失效 [1]。將超硬納米涂層材料鍍于金屬切削刀具 表面，正適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)金屬切削刀具的高技術(shù)要求，切削刀具基體保持了其較高的 強(qiáng)度，鍍于表面的涂層又能發(fā)揮它"超硬、強(qiáng)韌、耐磨、自潤(rùn)滑"的優(yōu)勢(shì)，賦予刀具高硬度、低 導(dǎo)熱等新特性，提1?刀具在1?速1?溫條件下工作的可罪性，從而大大提1?切削刀具加工過 程中的耐用度和適應(yīng)性。
[0003] 作為納米晶涂層的典型代表，Me-Si-N (Me為一元或者多元過渡金屬)刀具涂層具 有優(yōu)異的抗氧化性、耐高溫、高硬度和優(yōu)良的切削性能，目前已進(jìn)行了大量的研究，但大多 集中在涂層的多元合金化以及將其與多晶涂層材料的多層化，涂層硬度、韌性以及切削性 能有待進(jìn)一步提高。將多種Me-Si-N納米晶-非晶涂層材料復(fù)合構(gòu)筑納米多層結(jié)構(gòu)，充分 利用納米晶-非晶強(qiáng)化導(dǎo)致的超硬效應(yīng)以及多層膜結(jié)構(gòu)界面導(dǎo)致的韌化效應(yīng)，在保持材料 高硬度基礎(chǔ)上大幅度提高涂層韌性、硬度及耐溫性，是目前超硬刀具涂層材料領(lǐng)域發(fā)展的 前沿。
[0004] 超硬涂層材料包括納米多層膜和納米晶復(fù)合膜兩大類。這類材料不但具有異于其 組成物的特殊的力學(xué)性能，還因材料可多樣性組合以及優(yōu)異的可剪裁性具有良好的應(yīng)用前 景。超硬涂層的高硬度主要通過高應(yīng)力或者納米結(jié)構(gòu)獲得。高應(yīng)力材料高溫時(shí)由于應(yīng)力 的釋放會(huì)導(dǎo)致硬度下降，影響切削性能。而納米結(jié)構(gòu)材料的小晶粒限制晶粒粗化和獨(dú)特的 晶界滑移效應(yīng)使涂層具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。納米多層膜是由兩種或兩種以上具有不同成分 或結(jié)構(gòu)的材料在垂直于薄膜一維方向上以納米量級(jí)相互交替沉積生長(zhǎng)而形成的多層結(jié)構(gòu)。 由于超硬效應(yīng)帶來的高硬度以及多層結(jié)構(gòu)帶來的高韌性，是目前耐磨涂層的重要研究方向 之一。納米晶復(fù)合膜是由兩種材料形成的一種界面相包裹基體相的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)薄膜。 S. Veprek對(duì)該類薄膜的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行發(fā)展并展開了大量的研究工作。2000年獲得了硬度 超過金剛石的80-105GPa的TiN/Si 3N4納米復(fù)合膜。盡管迄今為止沒有其它研究小組重復(fù) 出該高硬度。但大量實(shí)驗(yàn)表明超過40GPa的硬度能在該體系中穩(wěn)定達(dá)到。與納米多層膜相 t匕，納米晶復(fù)合膜的研究時(shí)間相對(duì)較短，但由于比多層膜表現(xiàn)更高的硬度和更好的高溫性 能，且其制備技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)，是應(yīng)用前景更加廣闊的一類超硬薄膜，也是 目前超硬薄膜研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
[0005] 作為諸多納米晶復(fù)合膜中研究最為廣泛的涂層體系，Me-Si-N涂層極大改善了刀 具的高溫性能，是最新一代的超硬涂層材料。當(dāng)Me-N晶體尺寸小于IOnm時(shí)，位錯(cuò)增殖源 難于啟動(dòng)，而晶界非晶態(tài)相又可阻止晶體位錯(cuò)的遷移，即使在較高的應(yīng)力下，位錯(cuò)也不能穿 越非晶態(tài)晶界。這種結(jié)構(gòu)薄膜的硬度可以達(dá)到40GPa以上，且當(dāng)溫度達(dá)到900°C?IKKTC 時(shí)，其顯微硬度仍可保持在30GPa以上；常見的涂層如TiSiN、ZrSiN、CrSiN、TiAlSiN、 TiCrSiN、TiAlSiN、TiAlCrSiN 等。
[0006] 對(duì)Me-Si-N納米涂層的研究更多地集中在其合金化和將其與常規(guī)二元（CrN、TiN) 或者三元（TiAIN、CrAlN)涂層的多層化。多元合金化對(duì)涂層硬度貢獻(xiàn)較少，但由于改變表 面氧化膜的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)涂層的抗氧化性提高較為明顯。而納米多層結(jié)構(gòu)的采用不但可以 提高涂層的硬度、耐溫性，同時(shí)還可以提高涂層的韌性。此外，涂層的切削性能影響因素較 多，切削的材料、涂層成分以及加工冷確條件等都會(huì)對(duì)涂層切削性能造成較大影響。整體而 言，對(duì)Me-Si-N材料的多層化會(huì)顯著提高其硬度和改善其耐溫和切削性能，這主要是納米 多層膜相比納米復(fù)合膜則具有更好的韌性。如果將納米多層結(jié)構(gòu)和納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu)兩者進(jìn) 行結(jié)合構(gòu)建納米晶多層結(jié)構(gòu)涂層，不但可充分發(fā)揮兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，使涂層不但具有超硬 和高耐磨特性，同時(shí)由于多層結(jié)構(gòu)的采用可以大幅度提升涂層的韌性和高溫性能，有望開 發(fā)出新型的納米晶多層結(jié)構(gòu)切削刀具涂層。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 基于【背景技術(shù)】，本發(fā)明提供了一種AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬 強(qiáng)韌涂層材料及制備方法，該涂層不但具有較好的耐磨性能，同時(shí)由于多層結(jié)構(gòu)使用使其 具有良好的耐高溫性能。
[0008] 其具體技術(shù)方案如下： 一種AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層，其特征在于：所述多層 復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層包括結(jié)合層、過渡層、硬化層、支撐層以及耐高溫強(qiáng)韌耐磨層，其中結(jié)合 層為Cr層，過渡層為CrN過渡金屬陶瓷層，硬化層為AlCrSiN/CrN納米晶復(fù)合層，支撐層為 AlTiSiN/CrN納米晶多層復(fù)合層，耐高溫強(qiáng)韌耐磨層為AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層 結(jié)構(gòu)涂層。
[0009] 所述多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層的涂層總厚度為2-13. 5微米，其中結(jié)合層厚度 為5-200納米，過渡層厚度為10-300納米，硬化層厚度為200-1500納米，支撐層厚度為 200-1500納米，耐高溫強(qiáng)韌耐磨層厚度為0. 2-10微米。
[0010] 所述硬化層為AlCrSiN和CrN交替構(gòu)成的復(fù)合層，其中單層AlCrSiN納米層厚度 為1-20納米，單層CrN層厚度為1-30納米，AlCrSiN和CrN各自總層數(shù)為30層；AlCrSiN 層中AlCrN納米晶直徑為5-15納米，Si3N4非晶層厚度為0. 1-2納米。
[0011] 所述支撐層為AlTiSiN和CrN交替構(gòu)成的復(fù)合層，其中單層AlTiSiN納米層厚度 為1-20納米，單層CrN層厚度為1-30納米，AlTiSiN和CrN各自總層數(shù)為30層；AlTiSiN 層中AlTiN納米晶直徑為5-15納米，Si3N4非晶層厚度為0. 1-2納米。
[0012] 所述耐高溫強(qiáng)韌耐磨層為AlTiSiN和AlCrSiN交替構(gòu)成的復(fù)合層，其中單層 AlTiSiN納米層厚度為2-15納米，AlTiSiN層中AlTiN納米晶直徑為5-15納米，Si3N4非晶 層厚度為〇. 1-2納米。單層AlCrSiN層厚度為2-10納米，AlCrSiN層中AlCrN納米晶直徑 為5-15納米，Si3N 4非晶層厚度為0. 1-2納米。AlTiN/AlCrN多層膜層數(shù)為50-400層。
[0013] 所述AlTiSiN和AlCrSiN層中硅含量分別在lat. %到15at. %之間。
[0014] 本發(fā)明還提供上述的AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層的制 備方法，采用弧光離子源對(duì)經(jīng)過化學(xué)清洗的基體進(jìn)行刻蝕清洗，然后采用電弧離子鍍方法 沉積結(jié)合層、過渡層、硬化層、支撐層以及超硬強(qiáng)韌耐高溫耐磨層，步驟如下： (1) 在100 - 450°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)經(jīng)過化學(xué)清洗的基體經(jīng)過弧光等離子體刻蝕后，在 0. 02-0. 2Pa，一 800V到-1000V條件沉積5-200納米厚的過渡金屬Cr結(jié)合層； (2) 在0· 1-2. 3Pa，一 20V到一 300V條件沉積10-300納米厚的CrN層； (3) 在0· 5-8Pa氣壓，一 50V到一 300V偏壓條件下沉積200-1500納米AlCrSiN/CrN 硬化層； (4) 在0. 5-8Pa氣壓，一 50V到一 300V偏壓條件下沉積200-1500納米AlTiSiN/ CrN支撐層；最后在0. 5-10Pa氣壓，一 20V到一 300V偏壓條件下沉積0. 2-10微米 AlTiSiN-AlCrSiN耐高溫強(qiáng)韌耐磨層，涂層總厚度在控制在2-13. 5微米，制備結(jié)束后自然 冷卻，得到AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬耐高溫強(qiáng)韌耐磨層。
[0015] 所述AlTiSiN和AlCrSiN層中硅含量分別在lat. %到15at. %之間。
[0016] 所述基體為高速鋼和硬質(zhì)合金刀具或模具。
[0017] 本專利挑選AlTiSiN和AlCrSiN作為研究對(duì)象構(gòu)建新型納米晶超硬涂層材料主要 從兩個(gè)方面考慮，一是兩類材料目前是國(guó)內(nèi)外研究較為廣泛的最新的涂層體系，涂層都具 有高硬度和良好的切削性能，具有比常規(guī)的AlTiN、AlCrN以及TiSiN更好的切削性能。二 是結(jié)構(gòu)上兩者都是典型的納米晶-非晶結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上具有一定的類似之處，將兩者復(fù)合構(gòu) 建多層結(jié)構(gòu)不但技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還可以充分發(fā)揮兩種涂層性能上的優(yōu)勢(shì)。目前采用 兩種納米晶復(fù)合材料構(gòu)建多層納米結(jié)構(gòu)材料研究較少，尤其是對(duì)其高溫條件下該類涂層微 結(jié)構(gòu)和性能演變規(guī)律以及切削性能研究更少。因此本專利具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0018] 本發(fā)明制備的突出該涂層不但具有較好的耐磨性能，同時(shí)由于多層結(jié)構(gòu)使用使 其具有良好的耐高溫性能。結(jié)合層為電弧離子鍍方法高能轟擊制備的純Cr層，過渡層為 CrN過渡金屬陶瓷層，支撐層為AlTiSiN/CrN多層復(fù)合層，提高涂層硬度。高溫強(qiáng)韌耐磨層 為AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層結(jié)構(gòu)涂層。與常規(guī)的單層AlTiN和AlCrN涂層相 t匕，由于硅的摻雜，使AlTiSiN和AlCrSiN涂層具有更高的硬度和更好的耐磨性能。此外 AlTCrSiN/CrN硬化層的設(shè)計(jì)，使底層CrN和表面AlTiSiN/CrN支撐層之間存在成分漸變和 硬度漸變，降低涂層應(yīng)力；AlTiSiN/CrN支撐層的設(shè)計(jì)，使表面高硬度的AlTiSiN-AlCrSiN 涂層與基體之間具有較好的硬度梯度，當(dāng)加工高硬度的材料時(shí)涂層不會(huì)由于基體的塑形變 形而失效。與單層AlTiSiN和AlCrSiN涂層相比，由于AlTiSiN-AlCrSiN多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 不但其硬度高于單層AlTiSiN和AlCrSiN涂層，同時(shí)其韌性比單層AlTiSiN和AlCrSiN涂 層更好，因此本涂層不但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)，同時(shí)多種材料的配合使用使涂層具有良好的適應(yīng) 性能。大幅度提高了工具和模具的使用性能。具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
[0019] 由上述技術(shù)方案可知本發(fā)明是電弧離子鍍的高離化率來制備納米晶多層復(fù)合涂 層材料。為了提高涂層和高速鋼以及硬質(zhì)合金刀具的，該方法首先利用弧光放電過程產(chǎn)生 的高濃度氬離子刻蝕刀具和模具表面氧化物，一般情況下由于氧化物會(huì)降低涂層和基體的 結(jié)合力，為此氧化物的去處是涂層中非常關(guān)鍵的技術(shù)。常規(guī)化學(xué)清洗在清洗過程中可以去 處氧化層，但接觸空氣后表面會(huì)很快形成氧化層。常規(guī)輝光放電離子源輸出功率較小，采用 常規(guī)輝光放電清洗法也可以去除表面的氧化物，但由于放電等離子體密度低，清洗效果有 限。對(duì)工件表面的清洗效果有限，為了提高工件表面的清洗效率，本專利中使用的中空離子 源運(yùn)行電流可以達(dá)到200A以上，而常規(guī)的離子源只能在IOA以下工作。經(jīng)試驗(yàn)證明中空陰 極離子源可以大幅度提高涂層硬度和附著力。
[0020] 專利中爐體頂部為中空陰極離子源，電弧等離子體由中空陰極靶表面產(chǎn)生，為低 電壓高電流的弧光放電。氣體由離子源的上部引入，經(jīng)過離子源高速噴到真空室中。在真 空室的底部有帶水冷卻的輔助陽(yáng)極，離子源和陽(yáng)極之間構(gòu)成放電等離子區(qū)。該設(shè)計(jì)可以使 真空室中的等離子體大幅度增強(qiáng)。當(dāng)輝光離子清洗時(shí)，在離子源開啟狀態(tài)下真空室中高密 度等離子體使工件表面的氧化層以及污染物被清洗干凈，可以提高涂層的附著力。當(dāng)工件 鍍膜時(shí)，工件完全浸沒在等離子體當(dāng)中，離子轟擊的效果非常顯著，涂層的均勻性得到了良 好的保證。
[0021] 弧光等離子體清洗一般在負(fù)的800到1000V的偏壓下進(jìn)行，清洗時(shí)間從30-60分 鐘。在離子刻蝕結(jié)束后，工模具基體表面處于比較清潔的狀態(tài)。隨后，本專利采用電弧離子 鍍技術(shù)從Cr靶上將Cr離子高溫蒸發(fā)并在高偏壓作用下高速擴(kuò)散到工模具表面，在工模具 表面加有800-1200V的負(fù)高壓，高壓對(duì)離化的Cr離子具有加速作用，經(jīng)過加速的Cr離子會(huì) 高速撞擊工模具表面，形成冶金結(jié)合層。然后通入氮?dú)馀cCr反應(yīng)生成CrN過渡層。在CrN 涂層的基礎(chǔ)上，逐步開啟AlCrSi靶，AlCrSi與氮?dú)夥磻?yīng)生成AlCrSiN涂層，當(dāng)工模具運(yùn)動(dòng) 到Cr靶前面時(shí)將形成CrN涂層，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到AlCrSi靶前部時(shí)將形成AlCrSiN涂層，工模具連 續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)將會(huì)形成AlCrSi/CrN硬化層。硬化層厚度為200-1500納米；硬化層結(jié)束后，逐步 開啟AlTiSi靶，AlTiSi與氮?dú)夥磻?yīng)生成AlTiSiN涂層，當(dāng)工模具運(yùn)動(dòng)到Cr靶前面時(shí)將形 成CrN涂層，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到AlTiSi靶前部時(shí)將形成AlTiSiN涂層，工模具連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)將會(huì)形成 AlTiSiN/CrN多層涂層。支撐層厚度一般為200-1500納米，支撐層中，單層AlTiSiN納米層 厚度為2-10納米，單層CrN層厚度為2-20納米。每層AlTiSiN和CrN厚度之和為4-20納米。 該涂層與CrN涂層相比其硬度從CrN涂層的20GPa增加到AlTiSiN/CrN涂層的35GPa左右。 與AlCrSi/CrN硬化層30GPa硬度相比，硬度有一定幅度的提高。與單層AlTiSiN涂層相比， 由于涂層為多層結(jié)構(gòu)，韌性較好，在較大的載荷時(shí)不會(huì)發(fā)生開裂。主要是起到硬度梯度過渡 和成分過渡，對(duì)頂層AlTiSiN-AlCrSiN涂層形成良好的支撐效果，頂層AlTiSiN-AlCrSiN涂 層硬度接近45GPa。單層AlTiSiN納米層厚度為2-10納米，單層AlCrSiN層厚度為2-10納 米。每層AlTiSiN和AlCrSiN厚度之和為4-10納米。
[0022] 本發(fā)明充分利用納米晶-非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)的超硬特性和高耐溫特性，將AlTiSiN和 AlCrSiN兩種納米晶涂層材料聯(lián)合構(gòu)建納米晶-非晶多層涂層材料。涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不 但有成分漸變，同時(shí)還具有硬度梯度漸變，所制備的AlTiSiN-AlCrSiN涂層與高速鋼或者 硬質(zhì)合金刀具或者模具有良好的結(jié)合力、良好的硬度和優(yōu)越的耐溫耐磨性能。很好的克服 了刀具和模具涂層耐溫性和耐磨性不足的問題。
[0023] 因此本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，與普通輝光放電離子源相比，本專利采用弧光放 電離子源來進(jìn)行鍍膜前的離子清洗，可以大幅度提高工模具表面的表面質(zhì)量，提高涂層的 附著力。第二，本發(fā)明涂層結(jié)構(gòu)采用鎢層結(jié)構(gòu)，有結(jié)合層、過渡層、硬化層、支撐層以及高溫 耐磨層，形成結(jié)構(gòu)和成分漸變，涂層和基體為冶金結(jié)合，具有良好的附著力；第三，與常規(guī)電 弧離子鍍涂層結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明采用多層結(jié)構(gòu)技術(shù)抑制了柱狀晶的生長(zhǎng)，提高涂層的致密 度，這不但提高了涂層的耐腐蝕性，同時(shí)耐磨性也大幅度提高；第四，本發(fā)明中支撐層采用 納米晶復(fù)合多層結(jié)構(gòu)，不但具有較高的硬度，同時(shí)由于微結(jié)構(gòu)為納米晶-非晶結(jié)構(gòu)，降低了 涂層的應(yīng)力；第五，由于采用多層結(jié)構(gòu)，本發(fā)明制備超硬涂層厚度可達(dá)到13. 5微米厚；第 六，本發(fā)明將AlTiSiN層和AlCrSiN層結(jié)合形成多層結(jié)構(gòu)，為兩種納米晶-非晶復(fù)合材料構(gòu) 建多層納米結(jié)構(gòu)材料，在國(guó)內(nèi)外是個(gè)嘗試，特別是應(yīng)用到工具和模具表面，將大幅度提高工 具和模具的加工性能；同時(shí)涂層設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，工業(yè)應(yīng)用前景良好； 本發(fā)明所制備AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層材料有良好的結(jié) 合力和耐磨耐溫性能，保證了工具和模具長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，使高速鋼工具和模具使用性能大 幅度提1?，加工質(zhì)量穩(wěn)定，加工效率提1?，降低了廠家的生廣成本。
[0024]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1.為本發(fā)明中所采用的涂層裝置示意圖； 圖2.為本發(fā)明設(shè)計(jì)的涂層結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3.為本發(fā)明設(shè)計(jì)的AlTiSiN-AlCrSiN表面形貌； 圖4.為本發(fā)明設(shè)計(jì)的AlTiSiN-AlCrSiN涂層截面形貌； 其中圖1中1.中空離子源；2.陰極靶；3.等離子體；4.輔助陽(yáng)極；5.工件；6.基座； 圖2中：1.基體；2. Cr結(jié)合層；3. CrN過渡層；4. AlCrSiN/CrN納米晶復(fù)合硬化層； 5. AlTiSiN/CrN納米晶復(fù)合支撐層；5. AlTiSiN/AlCrSiN高溫耐磨層。
[0026]

【具體實(shí)施方式】
[0027] 實(shí)施本發(fā)明方法的裝置如圖1所示，裝置的真空室由爐壁圍成，真空室高度為 0.5-1. 5米，直徑為700-1500mm。頂部裝有中空離子源1，輔助陽(yáng)極4安裝在爐底。通過弧 光放電提高爐膛的等離子體密度3 ;靶材2安裝在爐壁上，工件桿5上固定工件。6為設(shè)備 基座。18個(gè)電弧靶分6列安裝在爐壁上，每?jī)闪袨橐唤M，共三組。分別安裝Cr靶、AlCrSi 靶和AlTiSi靶，樣品裝在工件架上。該布局使真空室中等離子體密度大幅度增加，工件完 全浸沒在等離子體中。使涂層沉積速率、硬度、附著力得到較大的提高。由于對(duì)靶結(jié)構(gòu)進(jìn)行 了優(yōu)化，磁場(chǎng)分布更均勻，使電弧在靶面上均勻燃燒，提高了涂層的均勻性。
[0028] 以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明： 實(shí)施例1 :在KKTC、氬氣環(huán)境下，對(duì)高速鋼和硬質(zhì)合金刀具和模具經(jīng)過弧光等離子體 刻蝕后，在0. 02-0. 2Pa，一 800V到-1000V條件沉積5納米厚的過渡金屬Cr結(jié)合層；在 0. IPa，一 20V條件沉積10納米厚的CrN層；在0. 5Pa氣壓，一 50V偏壓條件下沉積1500納 米AlCrSiN/CrN硬化層；在0. 5氣壓，一 50V偏壓條件下沉積500納米AlTiSiN/CrN支撐 層；最后在0. 5Pa氣壓，一 20V偏壓條件下沉積0. 2微米AlTiSiN-AlCrSiN多層涂層，上述 涂層中AlTiSiN層中AlTiN納米晶直徑為15納米，Si3N 4非晶層厚度為0. 1納米。AlCrSiN 層中AlCrN納米晶直徑為15納米，Si3N4非晶層厚度為0. 1納米。AlTiSiN和AlCrSiN層中 硅含量為Iat. % ;涂層總厚度為2. 205微米，制備結(jié)束自然冷卻，得到AlTiSiN-AlCrSiN納 米晶-非晶多層復(fù)合超硬耐高溫強(qiáng)韌耐磨層。
[0029] 實(shí)施例2 :在450°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)高速鋼和硬質(zhì)合金刀具和模具經(jīng)過弧光等離 子體刻蝕后，在〇. 2Pa，-1000V條件沉積200納米厚的過渡金屬Cr結(jié)合層；在2. 3Pa，一 300V條件沉積300納米厚的CrN層；在8Pa氣壓，一 300V偏壓條件下沉積200納米 AlCrSiN/CrN硬化層；在8Pa氣壓，一 300V偏壓條件下沉積1500納米AlTiSiN/CrN支撐 層；最后在IOPa氣壓，一 300V偏壓條件下沉積10微米AlTiSiN-AlCrSiN多層涂層，上述涂 層中AlTiSiN層中AlTiN納米晶直徑為5納米，Si 3N4非晶層厚度為2納米。AlCrSiN層中 AlCrN納米晶直徑為5納米，Si3N4非晶層厚度為2納米。AlTiSiN和AlCrSiN層中硅含量 為15at. % ;涂層總厚度為12. 1微米，制備結(jié)束自然冷卻，得到AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非 晶多層超硬耐高溫強(qiáng)韌耐磨層。
[0030] 實(shí)施例3 :在350°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)高速鋼和硬質(zhì)合金刀具和模具經(jīng)過弧光等離 子體刻蝕后，在〇. IPa，一 800V條件沉積100納米厚的過渡金屬Cr結(jié)合層；在I. 5Pa，一 100V條件沉積100納米厚的CrN層；在0.5Pa氣壓，一 100V偏壓條件下沉積500納米 AlCrSiN/CrN硬化層；在0. 5氣壓，一 100V偏壓條件下沉積1000納米AlTiSiN/CrN支撐 層；最后在3Pa氣壓，一 20V偏壓條件下沉積5微米AlTiSiN-AlCrSiN多層涂層，上述涂層 中AlTiSiN層中AlTiN納米晶直徑為10納米，Si 3N4非晶層厚度為1納米。AlCrSiN層中 AlCrN納米晶直徑為10納米，Si3N4非晶層厚度為1納米。AlTiSiN和AlCrSiN層中硅含量 為5at. %;涂層總厚度為6. 7微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非 晶多層復(fù)合超硬耐高溫強(qiáng)韌耐磨層。
[0031] 實(shí)施例4 :在400°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)高速鋼和硬質(zhì)合金刀具和模具經(jīng)過弧光等離 子體刻蝕后，在〇. 2Pa，-1000V條件沉積200納米厚的過渡金屬Cr結(jié)合層；在IPa，-200V 條件沉積300納米厚的CrN層；在0. 5Pa氣壓，一 50V偏壓條件下沉積1000納米AlCrSiN/ CrN硬化層；在0. 5氣壓，一 50V到一 300V偏壓條件下沉積1000納米AlTiSiN/CrN支撐 層；最后在5Pa氣壓，一 100V偏壓條件下沉積8微米AlTiSiN-AlCrSiN多層涂層，上述涂 層中AlTiSiN層中AlTiN納米晶直徑為12納米，Si 3N4非晶層厚度為1. 5納米。AlCrSiN層 中AlCrN納米晶直徑為12納米，Si3N4非晶層厚度為1. 5納米。AlTiSiN和AlCrSiN層中硅 含量為IOat. % ;涂層總厚度為10. 5微米，制備結(jié)束后自然冷卻，得到AlTiSiN-AlCrSiN納 米晶-非晶多層復(fù)合超硬耐高溫強(qiáng)韌耐磨層。
[0032] 圖2為本發(fā)明設(shè)計(jì)的涂層結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出，涂層結(jié)構(gòu)上存在成分和 硬度梯度，降低了涂層的應(yīng)力，可沉積較厚的涂層。
[0033] 圖3為本發(fā)明設(shè)計(jì)的AlTiSiN-AlCrSiN納米晶復(fù)合超硬涂層表面形貌，從圖中可 以看出涂層表面表面光滑，涂層致密。
[0034] 圖4為為本發(fā)明設(shè)計(jì)的AlTiSiN-AlCrSiN納米晶復(fù)合超硬涂層截面形貌，從圖中 可以看出涂層和基體結(jié)合良好，涂層厚度均勻。
【權(quán)利要求】
1. 一種AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層，其特征在于：所述多 層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層包括結(jié)合層、過渡層、硬化層、支撐層以及耐高溫強(qiáng)韌耐磨層，其中結(jié) 合層為Cr層，過渡層為CrN過渡金屬陶瓷層，硬化層為AlCrSiN/CrN納米晶復(fù)合層，支撐層 為AlTiSiN/CrN納米晶多層復(fù)合層，耐高溫強(qiáng)韌耐磨層為AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶 多層結(jié)構(gòu)涂層。
2. 如權(quán)利要求1所述的AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層， 其特征在于：所述多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層的涂層總厚度為2-13. 5微米，其中結(jié)合層厚度 為5-200納米，過渡層厚度為10-300納米，硬化層厚度為200-1500納米，支撐層厚度為 200-1500納米，耐高溫強(qiáng)韌耐磨層厚度為0. 2-10微米。
3. 如權(quán)利要求1所述的AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層，其特 征在于：（1)所述硬化層為AlCrSiN和CrN交替構(gòu)成的復(fù)合層，其中單層AlCrSiN納米層厚 度為1-20納米，單層CrN層厚度為1-30納米； (2)所述支撐層為AlTiSiN和CrN交替構(gòu)成的復(fù)合層，其中單層AlTiSiN納米層厚度 為1-20納米，單層CrN層厚度為1-30納米； (3 )所述耐高溫強(qiáng)韌耐磨層為AlTiSiN和AlCrSiN交替構(gòu)成的復(fù)合層，其中單層 AlTiSiN納米層厚度為2-15納米，單層AlCrSiN層厚度為2-10納米。
4. 如權(quán)利要求1所述的AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層，其特 征在于：所述硬化層、支撐層和耐高溫強(qiáng)韌耐磨層中的AlTiSiN和AlCrSiN層中硅含量均在 Iat. %到15at. %之間；且AlTiSiN層中AlTiN納米晶直徑為5-15納米，Si3N4非晶層厚度 為0. 1-2納米，AlCrSiN層中AlCrN納米晶直徑為5-15納米，Si3N4非晶層厚度為0. 1-2納 米。
5. -種制備如權(quán)利要求1所述的AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌 涂層的方法，其特征在于：采用弧光離子源對(duì)經(jīng)過化學(xué)清洗的基體進(jìn)行刻蝕清洗，然后采用 電弧離子鍍方法沉積結(jié)合層、過渡層、硬化層、支撐層以及超硬強(qiáng)韌耐高溫耐磨層，步驟如 下： (1) 在100 - 450°C、氬氣環(huán)境下，對(duì)經(jīng)過化學(xué)清洗的基體經(jīng)過弧光等離子體刻蝕后，在 0. 02-0. 2Pa，一 800V到-1000V條件沉積5-200納米厚的過渡金屬Cr結(jié)合層； (2) 在0· 1-2. 3Pa，一 20V到一 300V條件沉積10-300納米厚的CrN層； (3) 在0· 5-8Pa氣壓，一 50V到一 300V偏壓條件下沉積200-1500納米AlCrSiN/CrN 硬化層； (4) 在0. 5-8Pa氣壓，一 50V到一 300V偏壓條件下沉積200-1500納米AlTiSiN/ CrN支撐層；最后在0. 5-10Pa氣壓，一 20V到一 300V偏壓條件下沉積0. 2-10微米 AlTiSiN-AlCrSiN耐高溫強(qiáng)韌耐磨層，涂層總厚度在控制在2-13. 5微米，制備結(jié)束后自然 冷卻，得到AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬耐高溫強(qiáng)韌耐磨層。
6. 如權(quán)利要求5所述的制備AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層的 方法，其特征在于：所述AlTiSiN和AlCrSiN層中硅含量分別在Iat. %到15at. %之間。
7. 如權(quán)利要求5所述的制備AlTiSiN-AlCrSiN納米晶-非晶多層復(fù)合超硬強(qiáng)韌涂層的 方法，其特征在于：所述基體為高速鋼和硬質(zhì)合金刀具或模具。
【文檔編號(hào)】C23C14/16GK104213075SQ201410483296
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】楊兵, 萬(wàn)強(qiáng), 陳燕鳴, 丁輝 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)