[发明专利]耐磨损和抗氧化的TiAlSiN纳米复合超硬涂层制备方法

说明书

技术领域

本发明属于涂层材料制备领域，进一步涉及一种耐磨损和抗氧化的TiAlSiN纳米复合超硬涂层的制备方法，该方法制备的TiAlSiN涂层，抗氧化温度可以达到1000℃，硬度40GPa，摩擦系数约0.7，特别适合于在高速干切削刀具和高温成型模具领域应用。

背景技术

硬质涂层具有高硬度、抗氧化、耐磨损等优异性能，在刀具、模具及机械耐磨件上具有广泛应用前景。过去的二十多年中，以过渡族金属的氮化物和碳化物（如TiN、TiC、CrN、TiAlN等）为代表的两元或三元组分的硬质涂层一直应用于工具、模具表面的涂覆处理，显著提高了工具、模具的加工效率和使用寿命。

当前，以数控机床为基础的先进制造技术正向高速、干切削方向发展，此时刀具涂层的使用温度要求在800℃以上，硬度大于30GPa，以保证刀具在高速干切削条件下，仍然具有良好的红硬性、耐磨性和抗氧化性能。因此，TiN、TiC、CrN等传统硬质涂层已无法满足刀具的使用要求，于是开发高性能硬质涂层就成为改善高速切削刀具的使用寿命和生产效率的急需攻克的技术难题。在此背景下，国外近年发展的纳米复合超硬涂层取得了明显的应用效果。所谓纳米复合超硬涂层是指纳米尺寸的晶相均匀镶嵌于非晶骨架基体中形成的微观复合结构,如图1所示。与传统硬质涂层不同，由于纳米复合结构特有的组织协调性，使此类涂层显示出很高的硬度（≥40GPa）、良好的高温抗氧化性能（≥800℃）等，在严酷服役条件下的高速干切削刀具和高温成型模具领域具有巨大的应用潜力。

TiSiN是早期纳米复合超硬涂层的典型代表，其硬度在40GPa以上，但高温抗氧化温度只能达到800℃。近年来，为进一步提高TiSiN超硬涂层的抗氧化温度，国外开始在TiSiN涂层中加入高温性能优异的Al元素，获得了具有纳米复合结构的TiAlSiN超硬涂层，它的抗氧化温度可以提高到1000℃以上。

纳米复合超硬涂层制备方法现今主要分为三类，一是磁控溅射沉积技术，该方法具有成分调控和结构优化方便，以及膜层致密和表面光洁度高等优点,目前主要应用在装饰工件和部分工模具上。但磁控溅射的主要缺点是涂层结合强度不高，沉积速率较慢,难以满足严酷服役条件下的工件表面强化要求。二是电弧离子镀沉积技术，电弧离子镀具有沉积速率快、结合强度高等优点，目前主要应用在各种基体材料的刀具和模具上。但电弧离子镀涂层中的液滴由于制备原理本身的限制，始终无法彻底消除，导致涂层结构较为疏松，表面粗糙度差等。三是以脉冲直流PCVD为代表的等离子体辅助化学气相沉积，该方法建立在化学气相沉积基础上，因此，涂层具有较高的结合强度和良好的综合使用性能，但主要不足是沉积温度较高,涂层中的Cl含量无法完全消除而影响涂层腐蚀性能和力学性能。目前该技术主要应用在硬质合金基体的刀具和模具上。

如上所述，现今国内外纳米复合超硬涂层的制备均是采用单一的磁控溅射、电弧离子镀或脉冲直流PCVD技术。针对上述几种方法的缺点，申请人开发出一种采用电弧与磁控溅射复合镀膜技术（Hybrid Arc-Magnetron Sputtering Deposition,HAMSD），制备TiAlSiN纳米复合超硬涂层的新方法。该方法通过引入电弧放电到磁控溅射沉积涂层过程中，通过电弧离子镀先在基体表面制备一层TiN过渡层，显著提高了涂层与基体的结合强度，随后，TiAlSiN涂层由电弧沉积和磁控溅射沉积复合完成。这一独特的复合沉积工艺既保证了涂层结合强度的提高，又保证了涂层沉积速率、涂层致密性和抗氧化性能的提高。

发明内容

基于上述传统硬质涂层性能的不足，以及现有纳米复合超硬涂层制备技术的缺点，本发明的目的在于，提供一种耐磨损和抗氧化性能优异的TiAlSiN纳米复合超硬涂层制备的新方法，该方法制备的TiAlSiN涂层材料，应用于高速切削刀具和高温使用的模具表面涂覆处理后，有望显著提高它们的使用寿命和加工效率。

为了达到上述目的，本发明采取如下的解决方案：

一种耐磨损和抗氧化的纳米复合TiAlSiN超硬涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1）将基体预处理后放入电弧与磁控溅射复合镀膜设备中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，或者自转，以保证镀膜过程的均匀性；