[发明专利]一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于难加工材料切削用刀具保护涂层技术领域，特别涉及一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法。

背景技术

钛合金属于高强轻质材料，拥有良好的耐热性和耐腐蚀性能，在航空、航天、汽车、化学及生物等领域有着广泛的应用。特别是在航空航天领域，钛合金材料的应用比例成逐年增加的趋势。用钛合金材料制造飞机零部件，不仅可以延长飞机使用寿命，而且可以减轻其重量，降低燃料消耗，从而大大提高其飞行性能。

然而钛合金优异的性能也导致其可加工性非常差，其中钛合金材料较低的热导率、较大的化学反应活性以及较低的弹性模量是造成钛合金切削加工困难的主要原因。尤其是钛合金材料的化学活性大，特别当温度超过500℃时，钛合金会变得异常活跃，其会与切削刀具材料发生化学反应，造成严重的粘刀现象，进而导致刀具磨损情况加剧，减少切削刀具的使用寿命。

目前，国内外用来切削加工钛合金的刀具材料主要包括涂层和未涂层硬质合金、立方氮化硼和聚晶金刚石等。其中，立方氮化硼和聚晶金刚石刀具由于价格过于高昂，制约了其钛合金切削应用；未涂层硬质合金刀具低速切削钛合金时拥有较好的切削效果，高速切削效果不理想；涂层硬质合金刀具兼具基体良好的硬度和韧性，同时表面涂覆一层或多层耐磨损、耐高温和抗氧化的涂层，能有效的切削加工钛合金，因而应用范围最广。但是，目前用于钛合金切削的商业化刀具涂层(如TiCN、TiAlN、TiAlSiN等)在切削加工时，都容易与钛及其合金发生粘结反应，造成粘刀现象严重，在切削界面处形成切屑瘤。这些切屑瘤在后续的切削中会脱离刀具，同时带走部分刀具材料，加剧刀具的磨损。综上所述，需要开发一种与钛合金粘结反应活性小的刀具涂层，从而降低钛及其合金切削时的粘刀现象，降低刀具的磨损量，延长刀具的使用寿命。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法。本发明所制备的刀具涂层能够有效降低钛合金切削加工时涂层与工件材料之间的粘结现象，并能有效延长涂层刀具的使用寿命，使用所制备的刀具涂层非常适合加工钛及其合金。

一种钛合金切削用复合功能刀具涂层，包括底层涂层和顶层涂层：

底层涂层：所含元素按原子百分数为，钛为10～40at.％，铝为5～20at.％，钽为2～18at.％，氮为40.16～55at.％，厚度为1～4μm；

顶层涂层：所含元素按原子百分数为，氧为50～78.02at.％，钽为8～35at.％，铝0～10at.％，钛0～10at.％，厚度为50～1500nm。

一种钛合金切削用复合功能刀具涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，刀具基体的预处理：

对刀具基体进行湿喷砂处理，清洗后，在80～150℃下烘干5～15min，放入真空室；

步骤2，刀具基体辉光溅射清洗：

当真空室的真空度大于等于3×10^-3Pa时，升温至350～500℃，向真空室中通入高纯Ar气，调节真空室的压强为0.5～2Pa，在加脉冲负偏压500～1000V，占空比20～80％的条件下，辉光溅射清洗15～30min；

步骤3，底层涂层的制备：

沉积条件为：向真空室内通入流量为20～50sccm的N₂气，同时调节Ar气流量为30～50sccm，温度为400～500℃，负偏压为20～180V，真空度为0.3～0.9Pa；

在上述沉积条件下，采用纯度为99.99％的纯钛靶材，沉积厚度为150～300nm的纯Ti过渡层；

沉积条件不变，采用方法(1)或方法(2)，制备底层涂层：

(1)采用钛铝钽合金靶材，沉积厚度为1～4μm底层涂层；

(2)采用钛铝合金靶材和纯钽靶材共溅射的方法，制备厚度为1～4μm底层涂层；

步骤4，顶层涂层的制备：

底层涂层制备完毕后，关闭N₂气，向真空室中通入流量为15～50sccm的高纯O₂气，真空度和负偏压不变，采用钛铝钽合金靶材或纯钽靶材，沉积厚度为50～1500nm的顶层涂层；

步骤5，随炉降温至120℃后，取出刀具，常温冷却。