[发明专利]一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层

说明书

本发明涉及一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层，属于刀具涂层制造技术领域。具体的涂层成分含3～8mol.％的镧系稀土氧化物，其中镧系稀土元素均匀分布在涂层中。制备过程包括将经过离子刻蚀的基材置于真空室中，安装钛源靶材、硅源靶材以及稀土氧化物靶材，氮气环境下，通过磁控溅射法进行镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层的沉积。本发明提供的镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层，镧系稀土氧化物与Ti，Si，N元素相容性高，可以被用做耐高温涂层的增强、增韧添加剂，可显著提高涂层的耐高温能力，并且可以在物理气相沉积设备中一次性完成，不需要增添额外步骤，主要原料均为工业常用元素，具有成本低的优势。

技术领域

本发明涉及刀具涂层制造技术领域，具体涉及一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层。

背景技术

随着对材料加工效率的要求提高，高主轴转速和切削线速度伴随着加工过程中产生的高温，剧烈磨损，氧化腐蚀等失效形式不断对机加工刀具造成新的挑战。涂层被认为是可以大幅提升刀具切削能力的方法，并且涂层刀具的重要性已被业界广泛认可。三元TiSiN涂层展现出很强的化学惰性和耐磨性，被认为是长寿命高速加工工具的适用涂层。但由于采用物理气相沉积法制备的三元TiSiN涂层厚度较薄，容易氧化分解，高速加工过程中刀具表面产生大量的热，对刀具表面形成高温氧化复合腐蚀效应，而TiSiN最高可承受1000℃的高温氧化，高于该温度时，涂层会由于氧化产物的增多，饱和蒸汽压升高，产生大面积分解和剥落，加速刀具失效，所以TiSiN涂层在耐高温(≥1200℃)方面无法与化学气相沉积氧化铝涂层媲美。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层。Ln₂O₃以离子的形式与Ti，Si，N元素共同沉积在工具基体上，形成TiSiLnNO复合涂层，提高涂层的耐高温能力。

本发明的技术方案之一，一种镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层，涂层成分含3～8mol.％的镧系稀土氧化物，其中镧系稀土元素均匀分布在涂层中。

物理气相沉积难以精确控制过低掺杂量，并且耐高温效果不明显，掺杂量过高一方面会导致涂层耐磨性降低，另一方面会导致镧系稀土元素在晶界偏析，降低涂层结合强度。

进一步地，所述镧系稀土氧化物包括钇的氧化物，所述镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层厚度为3～5μm。

本发明的技术方案之二，上述镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层的制备方法，包括以下步骤：将经过离子刻蚀的基材置于真空室中，安装钛源靶材、硅源靶材以及稀土氧化物靶材，氮气环境下，通过磁控溅射法进行镧系稀土氧化物复合TiSiN涂层的沉积。

进一步地，钛源靶材、硅源靶材持续通入120-180A电流，维持-50V偏压；稀土氧化物靶材持续通入100A电流，维持-20V偏压。

通过电流和偏压控制稀土掺杂量，氧化物靶材属于陶瓷靶，电流过高易碎裂。

进一步地，所述钛源靶材、硅源靶材为TiSi靶材，其中硅含量为15～25wt.％。

进一步地，所述真空室真空度为5×10^-4mbar，氮气流量为500sccm，所述沉积时间60-240min。

进一步地，所述离子刻蚀具体包括以下步骤：

将基材置于真空室中，抽真空至5×10^-4mbar，升温至450℃，向真空室内通入氩气，氩气流量为45sccm，维持偏压-180V进行离子轰击得到经过离子刻蚀的基材。

离子刻蚀是物理气相沉积步骤，可以提高表面能，增大涂层结合力

进一步地，涂层制备过程中，基材保持公转和自传，有利于制备均匀涂层。

公转速度5-10rpm，自转速度通常为公转速度的2-3倍。