[发明专利]一种基体表面的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面镀膜技术领域，尤其涉及一种基体表面的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层及其制备方法。

背景技术

TiAlN涂层具有高硬度、高耐磨性、良好的抗高温氧化性能，极大地提高了机械加工的效率；同时，具有TiAlN涂层的工件的使用寿命比具有传统TiN涂层和不具有涂层的工件大幅提高，因此在材料表面改性领域得到了广泛的应用。然而，作为陶瓷材料的TiAlN因为位错运动的限制，导致韧性低，限制了厚膜的制备以及机械加工过程中容易造成TiAlN涂层的剥落失效，因此制备更厚膜层的TiAlN薄膜成为目前研发的主要方向。大量刀具切削实验证明，更多的情况是刀具涂层在被磨损之前因为涂层层状剥离导致刀具失去保护，因此韧性以及与韧性关系密切的结合力问题是亟需解决的重要问题。

与含N的硬质薄膜如TiN、TiAlN相比，含C、N的硬质薄膜如TiCN、TiAlCN等在高速切削和干切削方面表现出高耐磨性和具有更低摩擦系数，因而在刀模具以及机械零部件表面处理方面得到大量应用。但是，含C、N的硬质薄膜在抗高温氧化性和高温硬度方面比含N硬质薄膜低。

目前学术界和工业界主要研究TiAlN和TiAlCN单层膜，例如刘浩等人通过周期性向相反方向连续调节C2H2和N2流量，用阴极电弧制备了含C梯度的TiAlCN涂层。Jeon G.Han等人通过阴极电弧离子镀制备了TiAlN/TiAlCN多层膜，该多层膜的纵向和横向抗冲击能力比TiAlN单层膜高，但是由于采用阴极电弧离子镀方法沉积薄膜，沉积速率较快，层间厚度较大，虽然周期性向相反方向断续改变C2H2和N2流量，层间依然是C过渡，层间没有形成晶格外延，导致单层内缺陷增加，内应力积累。

因此，研究和制备具有高硬度、低内应力以及高韧性的多层膜涂层是目前科技工作者的研究热点。

发明内容

本发明的技术目的是针对现有技术的不足，提供一种基体表面的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层及其制备方法，该TiAlN/TiAlCN多层膜涂层具有高硬度、低内应力以及高韧性。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种基体表面的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层，基体与TiAlN/TiAlCN多层膜涂层之间为过渡涂层，其特征是：所述的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层由TiAlN膜与TiAlCN膜交替层叠形成周期排列；所述的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层的一个周期中，TiAlN膜与TiAlCN膜的厚度之和为1纳米～20纳米；所述的TiAlCN膜的C原子的原子百分含量为0.1％～5％。

与现有技术相比，本发明一种基体表面的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层将晶格参数不同的两种膜，即TiAlN膜与TiAlCN膜交叠形成周期排列的多层膜涂层，利用层间饿耦合效应克服了单层膜存在的缺点，例如缓解单层膜内应力随着膜厚的增加而增大、涂层和基体结合力差以及涂层本身开裂等问题，通过TiAlN膜和TiAlCN膜的晶格常数微小差异，达到缓解TiAlN/TiAlCN多层膜涂层中单层晶格畸变，降低内应力积累以及阻止裂纹扩展，实现具有高韧性的更厚膜层；进而，本发明将一个周期中的TiAlN膜与TiAlCN膜的厚度之和控制在1纳米～20纳米，即调制周期为1纳米～20纳米，从而降低了薄膜点缺陷和位错，凸显了纳米尺寸效应，极大地提高了TiAlN/TiAlCN多层膜涂层的硬度和韧性；最后，本发明将TiAlCN膜的C原子的原子百分含量控制在小于5％的范围内，一方面可以造成TiAlCN的晶格相对于TiAlN的晶格的微小增大，实现TiAlN层和TiAlCN层晶格常数微小差异；另一方面可以避免过多的C造成C析出产生DLC破坏TiAlCN晶体结构的完整性以及局部外延的条件，其中DLC是类金刚石碳的英文缩略。因此，本发明的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层是一种具有高硬度、低内应力以及高韧性的厚膜层，提高了膜层的结合力以及多层膜涂层的耐磨、耐冲击和抗腐蚀性能，从而提高了基体的切削效率与抗腐蚀性、延长了基体的使用寿命。

本发明一种基体表面的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层的制备方法包括如下步骤：

步骤1：镀膜腔体内通入气压为0.1Pa～2Pa的氩气，基体上施加-200V～-1600V的脉冲偏压，利用线性阳极层离子源电离氩离子刻蚀基体表面10分钟～30分钟，线性阳极层离子源电流为1A～3A；

步骤2：镀膜腔体内通入氮气和氩气，保持氮气分压在0.2Pa～2Pa，氩气分压在0.1Pa～1Pa，腔体内温度控制在350℃～500℃，用高功率脉冲磁控溅射技术制备过渡涂层；