[发明专利]基体表面等离子体辅助激光织构化PVD涂层的制备方法

说明书

本发明公开了本发明的一种基体表面等离子体辅助激光织构化PVD涂层的制备方法，其中先采用飞秒激光在基体表面加工微织构，然后利用等离子体刻蚀基体表面，最后在织构化基体表面上沉积PVD涂层，获得具有PVD涂层的基体。该方法不仅能够提高基体表面比表面积，增加涂层与基体之间的机械嵌接作用，而且通过等离子体辅助激光加工方法进行涂层基体表面规则微织构的高质量可控制备，还可以改善涂层膜基间物理结合和化学键合界面，进一步提高涂层膜基结合强度，提高规定形状区域内涂层与基体之间的结合力。该方法尤其适用于高速钢或硬质合金钢基体的PVD涂层刀具的制备，能够有效地提升刀具的综合性能。

技术领域

本发明涉及一种基体表面等离子体辅助激光织构化PVD涂层的制备方法，尤其是涉及一种利用等离子体辅助激光织构化提高基体表面PVD涂层结合力的方法。

背景技术

物理气相沉积(PVD)涂层具有硬度高、耐磨性强、抗高温氧化性好等特性，将其作为耐磨涂层沉积在传统硬质合金刀具表面可大幅提高难加工材料的切削效率和加工质量。在发达国家，PVD涂层刀具已占数控刀具总量的80%左右，且呈上升趋势。但在高接触应力和热应力的切削条件下，PVD涂层刀具首要问题是膜基结合强度不足，导致其在切削过程中涂层提前剥落失效。因此，膜基结合强度的增强成为了制约PVD涂层刀具在难加工材料高性能切削应用中的关键问题。

PVD涂层与基体的结合是一个膜基间机械嵌接作用及界面两侧原子间物理化学作用等方面相互耦合作用的结果。膜基间吸附作用、机械嵌接作用、残余应力等是涂层结合强度的重要影响因素。目前，掺杂异质元素、引入中间过渡层、基体预处理等是改善涂层膜基结合强度的主要方法。掺杂异质元素可增强界面间范德华力，但决定吸附作用力大小的往往是化学键力，因此该方法效果有限；引入中间过渡层法的特点是使涂层更多元化、复杂化，但该方法控制过程复杂，对设备条件要求高。无论掺杂异质元素还是引入过渡层，在沉积涂层前均需对其基体表面进行预处理，以达到活化基体表面及改变表面粗糙度的效果。但传统预处理方法（喷砂、酸蚀法等）存在环保措施不足、制备重复性差的缺点，而高能粒子束法（等离子体刻蚀、激光辐照等）得到的也均是非规则的表面粗糙形貌，可重复性差。因此，急需发展新型的PVD涂层膜基界面强化技术，并对其工艺过程和强化机理进行深入研究。

利用表面织构技术通过合理设计界面几何形貌，即对物理气相沉积(PVD)涂层基体表面进行织构化，可有效改善涂层与基体界面的结合强度，具有工艺简单、重复性好、易于实现工业化生产的优点，但仍存在如下问题有待解决：目前PVD涂层基体表面织构加工方法限于激光微加工技术，针对不同尺度或者形状复杂的微织构加工，目前的加工方式并不能实现完全可控且加工质量优良，且激光加工会使织构凹槽内部产生严重的烧蚀现象，织构凹槽边缘会有加工突起，严重阻碍织构化涂层性能的发挥；同时，目前利用基体表面织构化技术增强涂层结合强度的机理主要从单一的机械啮合界面角度出发，并未考虑膜基间结合强度更高的物理结合和化学键合界面，因此寻求一种实用而精确的涂层基体表面织构化处理方法十分迫切。

发明内容

本发明的目的是提供一种基体表面等离子体辅助激光织构化PVD涂层的制备方法，以提高PVD涂层与基体表面的结合力。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基体表面等离子体辅助激光织构化PVD涂层的制备方法，依次包括如下步骤：

（1）基体预处理：采用高速钢或硬质合金材料制成的基体，并将基体表面研磨抛光处理，再对所述基体表面予以清洁处理；

（2）在所述基体表面加工微织构：利用物镜将线性偏振飞秒激光聚焦到所述基体表面，设定激光扫描路径与激光加工参数，在所述基体表面加工出微织构；

（3）等离子体刻蚀加工：将经激光加工微织构后的所述基体放置在感应耦合等离子刻蚀系统的刻蚀腔中，在等离子体环境下干法刻蚀实现微织构的制备，在所述基体表面形成等离子改性层；