[发明专利]多元合金复合薄膜制备设备和制备方法

说明书

本发明公开一种多元合金复合薄膜制备设备和制备方法，尤其是一种涉及纳米涂层技术领域的多元合金复合薄膜制备设备和制备方法。本发明提供一种可显著提高所镀膜的切削刀具综合性能的多元合金复合薄膜制备设备，包括加热系统、供气系统、冷却系统、真空系统、真空室、载物架、升降机构、坩埚蒸发源、磁控溅射源、阴极电弧源和电气控制系统。本申请的设备可以实现阴极电弧离子镀与磁控溅射的组合工艺，及真空蒸发镀与磁控溅射相结合的二元蒸发源工艺，进行多元合金复合薄膜的制备，准确控制各类薄膜的组织结构，从而得到高的硬度、低的内应力、高的结合力、低的粗糙度、良好的耐磨性等综合性优异的多元薄膜，且在制备过程中具有高的沉积速率。

技术领域

本发明涉及一种多元合金复合薄膜制备设备和制备方法，尤其是一种涉及纳米涂层技术领域的多元合金复合薄膜制备设备和制备方法。

背景技术

制造业的发展离不开切削刀具，现代切削刀具已经成为提升制造业技术水平的关键因素之一。高速、高效、智能和环保成为切削加工追求的目标，高强度、高韧性材料以及高温合金、钛合金等难加工材料性能的不断改进，对切削刀具提出了更高要求。现代切削技术涉及学科领域广，其中刀具表面改性(涂层)技术是应市场需求而发展起来的现代切削技术之一。目前已广泛应用于航空航天、汽车、能源、船舶、发电等行业，已成为制造业的关键技术之一。

切削刀具除了应具有良好的常温力学性能，如强度、韧性、硬度外，对于高速切削、干切削、硬切削等而言，还应具备优异的热性能，如抗化学亲和性、扩散、溶解、热冲击性能、高温力学性能等。

涂层作为现代切削刀具表面改性技术的一种，其通过化学或物理的方法在刀具表面上获得微、纳米级的薄膜，并具有硬度高、润滑性好、高温性能优异等特点。对刀具进行表面涂层处理，是提高切削刀具综合性能的重要途径和手段，可延长刀具使用寿命、提高加工效率及加工精度，有助于高速切削、干切削、硬切削、精密切削加工的实现。

在高速加工或干式切削过程中，切削温度成为影响涂层刀具使用寿命的主要原因，因此提高薄膜的高温性能、保证涂层刀具的红硬性成为近几年PVD(Physical VaporDeposition)技术的开发热点。提高TiAlN薄膜中Al的含量是改进涂层性能行之有效的方法之一，随着Al含量的增加，薄膜的硬度及高温性能都在提高，但随之带来的却是薄膜内应力的增加，韧性的下降及与铁基材料亲和性的增加，从而导致积屑瘤的产生。因此在实际应用中，此类涂层刀具的综合性能并未得到根本性的改变。从最新的发展来看，发展多元合金复合薄膜技术是十分必要的。硬质薄膜综合性能改善的基本途径在于薄膜成分的多元化，利用不同元素各自的特点，实现综合性能指标的良好匹配一直是多元、超硬膜发展的主要思路之一。通过改变薄膜材料成分来解决高速、高温切削加工问题，如在常规的TiN、TiAlN、AlCrN中加入Cr和Y可提高抗氧化性；加入Zr、V、B和Hf可提高抗磨损性；加入Si可提高硬度和抗化学扩散性。

PVD最常用的技术可以分为三大类：真空蒸发镀VE(Vacuum Evaporating)、磁控溅射MS(Magnetron Sputtering)、阴极电弧离子镀AIP(Arc Ion Plating)。

真空蒸发镀蒸发过程中，膜材的蒸发速率及其影响因素等与其饱和蒸气压密切相关。因此真空蒸发镀技术受到材料性质的制约，对于合金材料的蒸发会导致成分的偏析。

磁控溅射技术与阴极电弧离子镀技术相比，沉积效率较低，原子的离化率也比较低，制备的薄膜组织中存在的应力也较大，且磁控溅射的绕镀性和结合力较差。

阴极电弧离子镀，在薄膜制备过程中，由阴极弧源产生的一些金属颗粒、大熔滴易夹在薄膜中或沉积到薄膜的表面，一方面会影响薄膜的致密性，降低薄膜的使用寿命，另一方面会导致薄膜表面粗糙；薄膜成分相对单一。

因此，现有技术单一的装备技术难以满足多种要求，其适应性差，所制备的薄膜的综合性能不高，无法实现高品质的多元合金复合薄膜的制备。

发明内容