[发明专利]一种AlCrN/AlCrYN多元多层涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明属于材料涂层制备技术领域，公开了一种AlCrN/AlCrYN多元多层涂层及其制备方法和应用。采用脉冲电流输入阴极电弧制备；多元多层涂层通过工件转架的公转带动自转实现多层结构，旋转速度的快慢决定了周期性多层的厚度。通过在AlCr靶中添加Y形成AlCrYN多元涂层；制备多元多层涂层前，先沉积0.1～1μm厚的AlCrN层作为涂层与基体之间的过渡层，为多元多层结构提供支撑；制备的多元多层涂层成分为Al:12～30at.％,Cr:14～33at.％,Y:1～5at.％,N:47～57at.％。

技术领域

本发明属于材料涂层制备技术领域，特别涉及一种AlCrN/AlCrYN多元多层涂层及其制备方法和应用。

背景技术

随着现代加工制造业的飞速发展对模具、刀具的综合性能提出了越来越高的要求，苛刻的服役条件要求模具、刀具必须具备高硬高韧、耐磨耐热和足够的强度。因此，在机械零部件、刀模具上沉积一层或多层硬度高、耐磨性能好、抗高温氧化好的过渡族金属氮化物(如TiN，TiAlN，CrAlN等)以期提高其服役寿命和使用性能。在高速干切削加工中，切削温度可高达700～900℃，TiN涂层作为第一代涂层，是国内外应用广泛的涂层材料，但其耐热温度低，在500℃时开始失效，即使添加Al元素的TiAl基涂层，其氧化起始温度也低于800℃；因此，上述涂层难以满足现代难加工材料切削加工的使用工况，而AlCrN涂层具有优异的红硬性和抗氧化性能，且导热系数低，与钢材摩擦系数小，使其在高速干切削下备受关注；但AlCrN涂层的耐磨粒磨损性能和高温下力学性能还有待提高。

通过在涂层中添加一定的合金元素可以使涂层性能发生改变，例如添加适量的Y元素，可以细化晶粒、提高高温稳定性；通过多层涂层设计可提高涂层与基体的结合力、涂层韧性和抗裂纹扩展能力，实现各层所具有的复合功能等；通过多元多层制备的涂层对提高机械零部件寿命和提升刀具涂层切削性能，满足现代绿色加工制造的要求。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种AlCrN/AlCrYN多元多层涂层；该涂层具有优异的高温热稳定性、高温耐磨好以及膜基结合强度高的特点。

本发明的又一目的在于提供一种上述AlCrN/AlCrYN多元多层涂层的制备方法；该方法是采用脉冲电流输入阴极电弧制备，该涂层制备工艺简单，成本低廉，绿色环保，具有很大的应用前景。

本发明的再一目的在于提供上述AlCrN/AlCrYN多元多层涂层的应用，该涂层能应用于机械零部件、刀模具等产品表面的硬质防护涂层。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种AlCrN/AlCrYN多元多层涂层，该涂层由下到上包括衬底基体、AlCrN过渡层和AlCrN/AlCrYN功能层；AlCrN/AlCrYN功能层是由调制比为1:2的AlCrN中间层与AlCrYN中间层交替沉积而成，调制周期为15～50nm；AlCrN/AlCrYN功能层中各元素的原子百分比含量：Al:12～30at.％,Cr:14～33at.％,Y:1～5at.％,N:47～57at.％。

所述AlCrN过渡层厚度为0.1～1μm，AlCrN/AlCrYN功能层厚度为2～6μm。

所述衬底基体为WC-Co硬质合金或高速钢刀具。

上述的一种AlCrN/AlCrYN多元多层涂层的制备方法，包括以下操作步骤：

S1：直流刻蚀：打开加热器将腔室升温至400～500℃，将真空室抽真空至真空度5×10^-3Pa以下；然后对置于工件转架的衬底基体进行直流刻蚀，通入150sccm的Ar气和100sccm的Kr气，调节腔压至0.6Pa，设置工件转架偏压-200V，设定离子源电流为30A，刻蚀时间30～50min；