[发明专利]一种梯度结构TiAlSiYN多元纳米涂层及其制备方法

说明书

本发明公开的梯度结构TiAlSiYN多元纳米涂层由成分不同的内层、中间层、外层三个子层构成，由内层至外层各子层中Al含量递减，依次为15~20at.%、10~15at.%、7~10at.%；Ti含量递增，依次为28~32at.%、32~36at.%、36~40at.%；各子层中Si含量为1~3at.%，Y含量0.1at.%，剩余为N。本发明还公开了其制备方法，先利用高铝含量的钛铝电弧靶、钛硅电弧靶和钇溅射靶沉积一段时间；然后关闭高铝含量的钛铝靶、打开中铝含量的钛铝电弧靶，继续沉积一段时间；最后关闭中铝含量的钛铝靶、打开低铝含量的钛铝电弧靶，再沉积一段时间后结束。本发明的梯度结构TiAlSiYN多元纳米涂层与基体结合牢固，同时具有良好的韧性和减摩性能，且制备方法可控性好，易于实施，适合工业化生产应用。

技术领域

本发明属于切削刀具表面涂层技术领域，具体涉及一种梯度结构TiAlSiYN多元纳米涂层的制备方法。

背景技术

在切削刀具表面制备一层硬质涂层不仅可以进一步增强刀具表面硬度和抵抗磨损，而且涂层往往还能阻碍热扩散和化学扩散。TiAlSiN涂层是在TiAlN三元涂层的基础上添加少量Si原子发展起来的四元涂层。Si元素在涂层中常以网状nc-Si₄N₃形式存在，这种连续的非晶相不仅打破了涂层按柱状结构生长的模式，限制了其被包裹的TiAlN晶粒的生长，使晶粒得到细化，而且还作为界面相阻碍位错运动和裂纹扩展，因而，TiAlSiN涂层往往具有很高的硬度，甚至具有超硬效应。TiAlSiN涂层另一个特点就是，高温下Si元素与O元素结合生成的致密SiO₂氧化膜能够阻碍和减缓环境中O元素继续向涂层内扩散，所以TiAlSiN涂层还具有良好的抗高温氧化性能。TiAlSiN涂层的高硬性和高抗氧化性使其非常具有潜在应用价值，特别适合于高速切削、干式切削和精密切削场合，但是，该涂层脆性和内应力大、结合强度低的缺点，限制了其大面积应用。

当前，对TiAlSiN涂层进行增韧改性，使其具备既硬又韧、与基体结合良好的综合性能，是发挥TiAlSiN涂层性能优势的重要途经。研究证明，在TiAlSiN四元涂层中掺杂其他组元元素，可以有效改善TiAlSiN涂层的韧性。J. Shi等人（doi:10.1016/j.surfcoat.2011.12.027）报道了一种采用在TiAlSi合金靶材中镶嵌Cu块，通过共溅射TiAlSi合金和Cu制备了Cu掺杂的TiAlSiCuN五元涂层，掺杂Cu后，涂层发生了明显软化，在涂层中添加1at.%左右的Cu时，涂层硬度降低至23GPa，随着添加的Cu原子含量的增加，TiAlSiCuN五元涂层的硬度继续降低；Cu元素能增强涂层与基体的结合，相比于TiAlSiN涂层的临界载荷32N，TiAlSiCuN涂层的临界载荷可达50N。该报道未对掺杂前后涂层韧性的变化进行直接对比，单从硬度变化的角度而言，Cu元素具有很好的增韧作用，但该报道采用的溅射镀膜方法涂层沉积效率较低，并且使用镶嵌靶很难保证涂层成分均一与稳定。Y是一种化学性质活泼的稀有元素，掺杂在涂层中可以提高涂层的高温性能，T. Mori等人（doi:10.1016/j.surfcoat.2012.10.050）利用Ti₆₃Al₂₇Si₁₀和Cr₄₅Al₅₃Y₂两种靶材，通过电弧离子镀制备了不同调制周期的TiAlSiN/CrAlYN纳米多层涂层，该涂层硬度为37GPa左右，这与TiAlSiN单层涂层的硬度一致。同样，单从硬度变化的角度而言，在TiAlSiN涂层基础上掺杂Cr、Y两种元素未发现有增韧现象。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种梯度结构TiAlSiYN多元纳米涂层。

本发明的另一目的是提供一种上述梯度结构TiAlSiYN多元纳米涂层的制备方法。