[发明专利]一种多元Ti-Al-N系纳米复合多层涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及工、模具涂层，具体涉及一种多元Ti-Al-N系纳米复合多层涂层及其制备方法，多元Ti-Al-N系纳米复合多层涂层具体是[TiN/(Ti，Al，X)N]_n纳米复合多层结构的氮化物涂层，其中X指代合金元素，是Cr，Si，Zr，Y中的一种或多种组合；n为重复周期数。 

背景技术

高性能切削加工工具必须具有优异的高温稳定性、高耐磨性、高韧性性能和良好抗塑性变形性的能力。为达到这一目的，工、膜具表面涂层技术的研究开发获得了足够重视，各种先进涂层技术自上世纪80年代以后层出不穷。在诸多的膜系中钛的金属氮化物格外引人瞩目，据统计目前全球50％以上的先进高速切削刀具表面采用Ti-Al-N系列涂层。δ-TiN相中部分Ti原子被Al原子取代后，涂层的热稳定性温度可以由400℃提高到800℃左右，涂层硬度提高到31GPa左右，因此TiAlN系列涂层在切削工具领域获得广泛应用。 

为了适应高速加工、甚至干式加工对涂层更高综合性能的要求，近10年来，TiAlN系涂层一直在往复合多层，甚至纳米复合多层方向发展。比较有代表性的先进TiAlN系列涂层为Balzers开发的FUTURANANO、X-ceed涂层和CemeCon开发的ALOX涂层。研究发现通过适当合金元素的添加，可以进一步提高TiAlN系列涂层的抗高温氧化能力、耐磨损能力。涂层中添加Cr/Y/Si/Hf/Zr/V等元素的研究报道见于相关科技期刊。 

公开号为CN 101204864A(申请人：山特维克知识产权股份有限公司)提出一种采用PVD涂层的“三明治”结构硬质合金切削工具，涂层上下两层分别为“Al_ySi_zTi_1-y-z)N”；中间夹层为较薄的TiN(0.1-1μm)，其中残余应力非常低(约80MPa)，这样的中间夹层有助于缓冲工具使用过程受到的冲击，基于该因素可以进一步增加涂层厚度。该技术发挥了Al_ySi_zTi_1-y-z)N层的硬度和抗高温性能，但采用该涂层作为同硬质合金基体的结合层，涂层-基体间结合有待进一步提高。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种具有优异的结合力、硬度、抗高温性能的多元Ti-Al-N系纳米复合多层涂层。 

本发明的另一目的在于提供上述多元Ti-Al-N系纳米复合多层涂层的制备方法。 

本发明在至少配备空心阴极(HCD)等离子体源及阴极多弧离子源的真空镀膜设施中进行。如果设备中同时还存在非平衡磁控溅射源将有利于进一步改善涂层表面。镀膜设备需要具备可公自转的工件机构，公、自转速度可分别独立控制，以便获得每一单层尺度小于100nm的薄层。HCD电子枪坩锅中放置纯钛。 

本发明充分发挥TiN同金属陶瓷、高速钢基体材料间优异的结合性能和该膜层良好的韧性，采用周期交替的结构尽可能提高涂层的抗冲击性能，避免工具在使用过程中的破裂。通过在TiAlN涂层中添加适量的合金化元素，提高涂层的抗氧化能力和涂层硬度。 

本发明的目的通过如下技术方案实现： 

一种多元Ti-Al-N系纳米复合多层涂层：该纳米复合多层涂层是在工具或模具基体上以TiN作为结合层，结合层上的膜层结构为[TiN/(Ti，Al，X)N]_n，其中X指Cr，Si，Zr，Y中的一种或多种组合；n＝5-15，为重复膜层数量。 

该纳米复合多层涂层硬度＞33GPa；涂层-基体结合力＞55N；涂层抗氧化温度＞1000℃。 

多元Ti-Al-N系纳米复合多层涂层的制备方法，包括如下步骤和工艺条件： 

(1)工具或模具表面预处理：将工具或模具置于碱性金属清洗液煮沸30-120分钟表面除油；室温下将工具或模具置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机中超声处理5-15分钟；将清洗后的工具或模具放入纯乙醇溶液脱水处理后干燥处理； 

(2)预加热：将经过预处理的工具或模具装入真空镀膜炉中，抽真空达到5x10^-3Pa后，通入Ar气，维持真空度为1-4x10^-1Pa，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；HCD电子枪起弧后，控制HCD电子枪电流在110-180A；HCD源的直流等离子体弧(主弧)直接照射工件表面，直到真空室内达到100℃-200℃；