[发明专利]一种激光熔覆与阴极电弧离子镀复合制备TiAlN/Cr-Ni涂层的方法

说明书

本发明专利涉及H13热作模具表面改性处理领域，公开了一种激光熔覆与阴极电弧离子镀复合制备TiAlN/Cr‑Ni涂层的方法。采用激光熔覆在H13热作模具基体表面制备一层450μm的Cr‑Ni涂层，然后再利用阴极电弧离子镀在磨削和抛光后的Cr‑Ni涂层表面上沉积一层厚度为2μm的TiAlN涂层。本发明专利将激光熔覆和阴极电弧离子镀技术相结合，在激光熔覆制备的Cr‑Ni涂层表面沉积了TiAlN涂层，形成了TiAlN/Cr‑Ni涂层，降低了涂层与基体的硬度梯度，在基体摩擦磨损性能的同时，又避免了单层涂层承载能力低的问题。本发明专利有效地改善了H13热作模具表面硬度、耐磨损、抗氧化和热稳定等性能，提高了其使用寿命。

技术领域

本发明专利涉及H13钢表面改性处理技术领域，通过激光熔覆与阴极电弧离子镀在H13钢表面制备TiAlN/Cr-Ni涂层，改善其高温摩擦和磨损性能，属于先进材料制备领域。

技术背景

H13热作模具钢具有良好的耐磨、热稳定和抗疲劳等性能，广泛应用于热锻、热挤压和压铸等模具制造。本发明专利采用激光熔覆与阴极电弧离子镀在H13热作模具钢上制备TiAlN/Cr-Ni涂层，提高其高温摩擦和磨损性能，为热作模具表面改性处理提供了一种新方法。

激光熔覆是利用高能激光将基体表层和预置层同时熔化制备涂层的方法，与基体形成冶金结合方式，有效地提高了基体耐磨、耐热和抗氧化等性能。

阴极电弧离子镀是把弧光放电应用于蒸发源的一种真空离子镀膜技术，其中蒸发源为阴极靶材，直接产生等离子体，阴极靶源可在任意方位进行多源布置，以保证涂层均匀。在进行反应性沉积时仅有反应气体存在，气氛是由压强控制。

本发明专利是将激光熔覆与阴极电弧离子镀技术相结合，提出了一种激光熔覆与阴极电弧离子镀复合制备TiAlN/Cr-Ni涂层的方法，主要应用于H13钢热作模具的表面改性处理。

发明内容

本发明专利涉及的激光熔覆和阴极电弧离子镀装置示意图如图1和3所示。在H13钢基体表面上铺设厚度为1mm的Cr-Ni粉末，作为激光熔覆的粉末预置层，采用滴管将丙酮溶液滴在预置层上，主要用于固化作用。预置层在室温下晾干5h后，再进行激光熔覆处理，以氩气作为保护气体，激光熔覆头与基体的距离为30cm，激光功率为1400W，光斑直径为4mm，速度为10m/s。经激光熔覆后，即获得所需要的Cr-Ni涂层，作为阴极电弧离子镀的待用表面。

本发明专利的阴极电弧离子镀装置包括蒸发源、靶材和气阀系统等。经磨削、抛光和清洗后，Cr-Ni涂层放入图3中真空室。采用涡轮式真空泵系统在室内产生5.0×10^-4Pa的真空，Ti和Al靶材(原子比＝1：1)安装在真空室四周，靶材直径为80mm。通入氩气后，蒸发源接阳极(直流电压220V)，Cr-Ni涂层接阴极(负偏压100V)。通电后，蒸发源与Cr-Ni涂层之间产生弧光放电。在放电电场作用下部分氩气被电离，在阴极的Cr-Ni涂层周围形成等离子暗区。带正电荷的Ar⁺受阴极负高压的吸引，轰击Cr-Ni涂层表面15min后，Cr-Ni涂层表层的粒子和脏物被轰溅抛出，其待镀表面得到了充分的清洗。

接通蒸发源交流电源(电压20V，电流80A)，靶材上的粒子熔化蒸发，进入辉光放电区并被电离，形成带正电荷的Ti⁺和Al⁺与Ar⁺一起沉积在阴极的Cr-Ni涂层表面上。当蒸发的离子数量超过溅失的离子数量时，在Cr-Ni涂层表面上逐渐形成TiAlN涂层，沉积2小时后，获得本发明专利所制备的TiAlN/Cr-Ni涂层。

发明专利特征一是所制备的Cr-Ni涂层在TiAlN涂层和基体起着过渡层的作用，降低了TiAlN/Cr-Ni涂层与H13钢基体的硬度梯度。

发明专利特征二是所制备的TiAlN和Cr-Ni涂层具有耐高温特性，可以对H13钢基体起着隔热的作用。