[发明专利]稳态刚玉结构钛铝铬铌氧化物涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及刀具涂层领域，公开了稳态刚玉结构钛铝铬铌氧化物涂层的制备方法，包括以下步骤刀具基体前处理；等离子体清洗刀具基体；用同步高功率脉冲磁控溅射方式在刀具基体上沉积钛铝铬铌氧化物涂层。以及用上述方法制得的一种低温下获得的稳态刚玉结构钛铝铬铌氧化物涂层，包括刚玉结构三氧化钛铝铬铌和非晶态三氧化钛铝铬铌。本发明钛铝铬铌氧化物涂层组织由刚玉结构三氧化钛铝铬铌和非晶态三氧化钛铝铬铌组成，与面心立方结构氧化物相比，该组织结构具有极高的热稳定性。

技术领域

本发明涉及刀具涂层领域，具体涉及稳态刚玉结构钛铝铬铌氧化物涂层及其制备方法。

背景技术

铝钛基和铝铬基氧化物涂层被广泛应用于工模具表面，以应对苛刻的摩擦磨损和高温氧化环境。氧化物涂层与氮化物涂层或碳化物涂层相比，优势在于其饱和的氧元素可以在高温下阻止氧气对涂层内部的渗透，从而避免涂层材料的高温氧化和分解。但是，虽然氧化物涂层有极其优异的抗氧化性，其高温晶体结构易在高温下由亚稳态转变为稳态，此时涂层体积发生变化，导致涂层与基体的界面应力集中，引起涂层开裂和失效。例如，立方结构三氧化二铝转变为刚玉结构三氧化二铝时，涂层体积变化约为15％。因此，氧化物涂层的性能关键在于是否形成稳态结构。传统CVD(化学气相沉积)方法沉积稳态三氧化二铝涂层的温度约为1000℃，PVD(物理气相沉积)方法沉积过程的低温特性(一般低于550℃)难以提供足够形成稳态刚玉结构相的热激活能，故在PVD沉积条件下形成稳态铝钛基和铝铬基氧化物涂层一直是PVD含氧涂层制备的难点。

发明内容

本发明意在提供一种低温下获得的稳态刚玉结构钛铝铬铌氧化物涂层，可避免高温下开裂和失效，以提高刀具表面性能，应对刀具使用时苛刻的摩擦磨损和高温氧化环境。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：稳态刚玉结构钛铝铬铌氧化物涂层，包括刚玉结构三氧化钛铝铬铌和非晶态三氧化钛铝铬铌。

本方案的涂层组织中刚玉结构三氧化钛铝铬铌含量大于非晶态三氧化钛铝铬铌含量，刚玉结构三氧化钛铝铬铌具备稳定的六角柱体晶格结构，使得涂层与现有技术的面心立方结构氧化物相比，具有极高的热稳定性，可有效避免涂层材料在高温条件下的氧化和分解，涂层与基体的界面应力更均匀，有效避免涂层开裂和失效。

进一步，涂层中钛、铝、铬、铌的原子比例关系为Ti:Al:Cr:Nb＝0.7～1.2:0.7～1.2:0.7～1.2:0.7～1.2。作为优选这样的金属比例可保证稳态刚玉结构钛铝铬铌氧化物中金属相有效生成六角柱体晶格结构。

进一步，涂层中钛、铝、铬、铌、氧的原子比例关系为(Ti+Al+Cr+Nb):O＝2:3～3.5。

作为优选这样的比例关系可保证涂层性能优异，保证刚玉结构三氧化钛铝铬铌有效生成，确保涂层具有更高的热稳定性。

进一步，涂层中钛、铝、铬、铌、氧的原子比例关系为Ti:Al:Cr:Nb:O＝1:1:1:1:7.5。作为优选这样的比例关系获得的涂层中刚玉结构三氧化钛铝铬铌与非晶态三氧化钛铝铬铌的比例最佳，涂层的热稳定性最佳。

进一步，涂层残余应力为-2.83±0.24GPa。本方案的涂层残余压应力非常小，确保涂层稳定，不易剥落。

本发明还提供一种低温下获得的稳态刚玉结构钛铝铬铌氧化物涂层的制备方法，包括以下步骤

A、刀具基体前处理；

B、等离子体清洗刀具基体；

C、用同步高功率脉冲磁控溅射方式在刀具基体上沉积钛铝铬铌氧化物涂层。

本发明钛铝铬铌氧化物涂层的制备方法，使用了同步高功率脉冲磁控溅射的制备方法，通过对以Al+离子流为主的高能离子进行加速，达到了低温下形成稳态刚玉结构相组织的目的，此制备方法的优还在于不会导致因反溅射引起的涂层生长速度下降和因Ar+离子轰击引起的涂层压应力急剧上升。