[发明专利]一种高Al含量的AlTiN复合涂层及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及涂层制备技术，具体地说是一种高Al含量的AlTiN复合涂层的制备工艺。

背景技术

TiN涂层是最早开发出的氮化物涂层，因其具有较高的硬度、耐磨性和低的摩擦系数，至今仍广泛应用于刀具、工模具等应用领域。但TiN涂层的抗氧化性能和高温热稳定性能较差，当工作温度超过500 ºC时，涂层表面会形成一层低硬度的疏松TiO₂膜，O₂等有害介质可通过氧化膜中的孔隙进入涂层内，使涂层迅速失效。为解决这一问题，通常在TiN涂层中添加Al、Si等元素，利用这些元素的固溶强化或细化晶粒的作用提高涂层的抗高温氧化性能、耐蚀性能和硬度。Al原子在Ti_1-xAl_xN涂层中位于TiN相的晶格间隙中或替换Ti原子的位置，降低Ti_1-xAl_xN涂层的晶格常数，起到细化晶粒的作用。因而，Ti_1-xAl_xN涂层具有较高的硬度、耐磨性，耐蚀性和抗高温氧化性能。此外，Al₂O₃比TiO₂具有更低的吉布斯自由能，在腐蚀环境下当材料中同时含有Al和Ti时，会优先形成Al₂O₃。由于Al₂O₃比TiO₂具有更低的PBR (Pilling-Bedworth ratio of oxide)值，因而涂层表面生成Al₂O₃比生成TiO₂产生更低的生长应力，氧化膜更加致密，且与涂层具有更好的结合力。Ti_1-xAl_xN涂层在高温下生成致密的TiO₂和Al₂O₃复合膜，减少切削热传递到刀具，同时可以阻止腐蚀性介质如O₂等扩散进入涂层内，防止涂层进一步氧化，延长涂层的使用寿命。

有研究表明：涂层中Al含量越高，涂层的抗高温氧化性能会更好一些。但是，Ti_1-xAl_xN涂层中x值高于0.65-0.70（具体某个值取决于沉积工艺参数）时，Al与N元素会形成低硬度的六方相AlN（12 GPa），降低涂层的硬度、弹性模量等力学性能。为了防止hcp-AlN相形成，目前大多数研究者制备的Ti_1-xAl_xN涂层，x值小于0.6。为了进一步发挥有效元素Al的作用，本发明采用电弧离子镀技术在高速钢和硬质合金基片上制备了一种高Al含量的Al_xTi_1-xN涂层（x=0.55~0.70）。该涂层由面心立方体结构的（Al，Ti）N相组成，具有较高的硬度、抗高温氧化性能和耐蚀性能。该涂层特别适合应用于现代高速干切削加工领域，进一步提高刀具的使役寿命，减少切削液的使用，实现绿色制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具高硬度、高耐蚀性和高热稳定性能的AlTiN涂层及其制备工艺。

本发明的技术方案为：

采用电弧离子镀技术在金属或硬质合金基体上沉积AlTiN涂层。为更好地调控涂层中Al和Ti元素的成分，分别采用纯Ti金属和纯Al金属作为靶材（纯度均为99.9 wt.%）。4个纯Ti靶和4个纯Al靶相间地均匀分布在炉子的内腔周围，以保证沉积过程中炉腔内具有较高的等离子体浓度。在沉积AlTiN涂层之前，先开启Ti靶采用高的负偏压轰击清洗基体，之后降低偏压在基体表面沉积一层10~300nm厚的纯金属Ti层，以提高涂层与基体之间的结合力。随后，再开启纯Al靶沉积AlTiN涂层。沉积过程中，严格控制炉腔内的沉积压强、通入Ar和N₂气体的流量和各个靶的电源功率，以制备出结构致密、高硬度、高韧性的纳米复合涂层AlTiN。

沉积参数：