[发明专利]铬铝钛氮合金涂层及制备方法

说明书

本发明专利涉及一种铬铝钛氮合金涂层及制备方法；基底为单面抛光的GH3128高温合金基底，基底厚度为1.5mm，基底面积为10mm×10mm，铬铝钛氮合金涂层厚度为1.2μm。本发明从工业化生产角度和实际应用角度出发，利用对向靶磁控溅射法制备表面厚度均一、晶粒尺寸均一、薄膜与基底紧密结合、工艺重复性好的铬铝钛氮合金涂层；在溅射电流为0.25A、溅射电压为500V、基底温度为250℃、N：Al：Cr：Ti原子比为4：3：2：2时，制备的铬铝钛氮合金涂层表面厚度均一并且具有最好的平整度。能够非常好的覆盖试件，避免试件表面金属对结焦形成起到促进作用；在工业化生产上具有明显优势。

技术领域

本发明专利涉及一种铬铝钛氮合金涂层及制备方法。

背景技术

在刀具和机械零件上包裹一层硬质合金涂层已成为近二十年来制造业的一种常见做法。由于硬质合金不但具有超高的硬度，还具有化学稳定性好、耐热性高等优点，因此与没有硬质合金图层的刀具、零件相比，具有明显的优势，大大提高了其工作效率和使用寿命。常见的硬质合金主要是在传统的二元氮化物涂层如TiN中添加合金元素如Al、Cr、Zr、V等，形成新的多元涂层。这种新的多元氮化物合金涂层大大地改善了二元氮化物涂层的硬度、耐磨损性和热稳定性。大量的研究表明在TiN中掺入Al可以显著加强其耐热性，而掺入Cr则可以明显加强其韧性。多元合金涂层具有硬度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀性好、表面厚度均一等优点，是一种优异的表面改性膜层，在机械制造、汽车工业、模具工业、航空航天等领域具有的良好的应用前景。

目前硬质合金涂层的制备方法主要有喷涂、真空蒸镀、化学气相沉积和一般磁控溅射等方法，但是由于对薄膜生长过程中基底温度、各元素比例的控制不到位，导致晶粒生长过快或过慢，以至于所制备的薄膜表面平整度、晶粒尺寸不均一、薄膜与基底之间结合不好、工艺重复性低，在其应用过程中会出现容易脱落、覆盖不均匀等问题。

发明内容

从工业化生产角度看，为了节约制备成本，需要使用磁控溅射法来制备薄膜样品；从实际应用角度看，需要制备的样品要表面厚度均一、晶粒尺寸均一、薄膜与基底紧密结合、工艺重复性好，从而表现出优异的物理性质。本发明即从以上两个目的出发，开发了对向靶磁控溅射法制备铬铝钛氮合金涂层，并且涂层的表面厚度均一、晶粒尺寸均一、薄膜与基底紧密结合，可以良好地覆盖试件。

本发明通过大量的实验研究，包括改变实验过程中的溅射电流、溅射电压、溅射气压、基底温度、涂层中个金属元素的比例等，在GH3128高温合金基底上制备了铬铝钛氮合金涂层。最后发现只有在溅射电流为0.25A、溅射电压为500V、基底温度为250℃、N：Al：Cr：Ti原子比为4：3：2：2时，所制备的铬铝钛氮合金涂层表面厚度均一并且具有最好的平整度。

本发明在制备铬铝钛氮合金涂层时，所采用的基底为单面抛光的GH3128高温合金基底，厚度为1.5mm，面积为10mm×10mm。

本发明提供了一种铬铝钛氮合金涂层。

本发明提供了一种基底为单面抛光的GH3128高温合金基底，基底层厚度为1.5mm，基底面积为10mm×10mm；涂层厚度为1.2μm。

本发明的铬铝钛氮合金涂层的制备方法，步骤如下：

1)采用超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，在对向的靶头上安装一对纯度为99.9％的Cr₂Al₃Ti₂的合金靶，一头作为磁力线的N极，另一头为S极；靶材的厚度为4mm，直径为60mm；两个靶之间的距离为80mm，靶的轴线与样品架之间的距离为80mm；

2)将基底材料通过超声波的方式将表面杂质清除后，将基底安装在对向靶连线的中垂线上；

3)开启对向靶磁控溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度≤2×10^–5Pa；