[发明专利]耐磨损和抗氧化TiAlSiCN薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜材料制备领域，进一步涉及耐磨损和抗氧化TiAlSiCN薄膜的制备方法，该方法制备的TiAlSiCN薄膜，抗高温氧化温度可以达到1000℃以上，在室温干摩擦和对副为GCr15情况下，其摩擦系数为0.2，可有效改善薄膜材料的抗氧化及耐磨减摩性能。

背景技术

硬质薄膜主要用于切削刀具、成型模具和各种零件的表面耐磨损和抗氧化改性强化。这种技术在机械加工、汽车工业和航空航天领域具有巨大的应用潜力，例如，在高速钢刀具表面沉积硬度为20-24GPa的TiN硬质薄膜后，刀具的使用寿命可以提高2-3倍。

TiN是第一代产业化应用广泛的硬质薄膜材料，此外还有TiC、CrN等。在二元薄膜成分基础上掺入其他元素，以形成多元薄膜材料，可以进一步提高薄膜材料的硬度、耐磨性、减摩性、抗高温氧化以及耐腐蚀性能等，如TiN薄膜中加入Si元素，可以形成纳米复合结构的TiSiN薄膜，显著提高了薄膜硬度(≧40GPa)。Veprek等人认为其原理是纳米尺寸(2-5nm)的晶相均匀镶嵌于非晶基体中，如图1，由于晶相结构在纳米尺寸范围内位错数量极少，且晶相的晶界被非晶相包围，因此，仅有的位错在晶界边沿运动会受阻，也即材料的塑性变形得到抑制，就会明显提高材料的硬度和强度。但是TiSiN薄膜的减摩性能不好，室温下的摩擦系数高达0.4-0.5，因此限制了其广泛应用。又如在TiN薄膜中加入Al元素形成TiAlN薄膜，由于Al元素自身抗氧化性能优异，使TiAlN薄膜在使用过程中的抗高温氧化性能明显提高。目前TiAlN薄膜的最高工作温度可以达到800℃，可初步应用于高速切削等严酷加工条件的刀具。但是TiAlN薄膜的硬度只有30-33GPa，还没有达到超硬薄膜的硬度范围(≧40GPa)，使得TiAlN薄膜的耐磨和减摩性能不是很理想，限制了其进一步广泛应用。

降低硬质和超硬薄膜材料的摩擦系数的一种有效方法是在薄膜中加入具有润滑特性的元素或化合物，如C、MoS₂等。申请人近年来较系统研究了在TiSiN超硬薄膜中加入C元素，形成四元成分的TiSiCN薄膜材料，发现C元素的加入会在TiSiCN薄膜中形成弥散分布的C的非晶结构(a-C)，如图2所示，而a-C的形成有利于降低薄膜摩擦系数，表现出良好的自润滑性能，但是TiSiCN薄膜的抗氧化温度只有850℃。因此，开发出一种兼具高硬度、低摩擦系数和抗高温氧化的新型薄膜材料，就显得极为重要和有意义。

目前，硬质薄膜的制备方法主要有物理气相沉积技术和化学气相沉积技术，其中，物理气相沉积技术包括热丝弧离子镀、电弧离子镀、磁控溅射离子镀和电弧增强磁控溅射离子镀等方法；化学气相沉积技术包括高温化学气相沉积、脉冲直流等离子体增强化学气相沉积、微波等离子体增强化学气相沉积和射频等离子体增强化学气相沉积等。但化学气相沉积薄膜技术普遍温度较高(≧500℃)，对基材有一定限制。当前，物理气相沉积是制备硬质薄膜的主流技术，特别是电弧增强磁控溅射离子镀具有薄膜生长速度快、膜基结合力好，以及表面光亮度和薄膜组织致密等优点，正受到广泛应用。

发明内容

基于上述已有各种硬质薄膜综合性能不足和镀膜技术现状，本发明的目的在于，提供一种耐磨损和抗氧化TiAlSiCN薄膜的制备方法，该方法制备的新型TiAlSiCN多元薄膜材料，有望从根本上解决刀具的长寿命和模具的高效率，以及加工无污染的难题。

为了实现上述任务，本发明采取如下的解决方案：

一种耐磨损和抗氧化TiAlSiCN薄膜的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)将基体预处理后放入电弧增强磁控溅射镀膜设备中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，或者自转，以避免薄膜只能单面镀以及镀膜不均，保证镀膜过程的均匀性；

2)以柱弧Ti靶作为Ti源，通过柱弧电源电流控制柱弧Ti靶的溅射率；以平面Si靶、Al靶和C靶作为相应元素的来源，平面Si靶、Al靶和C靶以对靶的方式安置在炉体内壁上，通过调整中频脉冲电源的功率控制靶的溅射率；采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯N₂作为反应气体，使其离化并与Ti、Si、Al、C元素结合，在基体表面沉积形成TiAlSiCN薄膜：

3)制备工艺条件：

镀膜前，通入10ml/min的Ar到炉内真空室，当真空室气压达到6Pa并保持气压稳定于6Pa时，开偏压至-1000V对真空室进行轰击清洗，持续20min；然后开柱弧Ti靶，柱弧电流60A，利用电弧进一步对真空室轰击清洗，持续5min；