[发明专利]一种抗月牙洼磨损的铝钛锆氮与氧化铝多层复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开的抗月牙洼磨损的铝钛锆氮与氧化铝多层复合涂层是由CoNiCrAlY高熵合金粘结层、α‑Cr₂O₃氧化物模板层、α‑Al₂O₃氧化物核心层、AlTiZrN氮化物表层四个子层构成的整体，这四个子层的顺序是由内至外，涂层总厚度为1～3μm。其制备方法为：对基底进行加热和离子刻蚀后，先利用电弧蒸发镀工艺在基底上沉积CoNiCrAlY层；然后使用阴极电弧离子镀工艺，再继续依次沉积α‑Cr₂O₃层、α‑Al₂O₃层和AlTiZrN层。氧化物与氮化物复合涂层具有优良的抗高温氧化性和高的抗磨损性能，在高速切削和干式切削加工条件下具有良好的抗月牙洼磨损能力，且工艺可控性好，便于工业化生产。

技术领域

本发明属于切削刀具表面涂层技术领域，具体涉及一种抗月牙洼磨损的铝钛锆氮与氧化铝多层复合涂层及其制备方法。

背景技术

在切削刀具表面制备一层薄的涂层可以成倍地提高刀具的表面硬度和使用寿命，目前国内外使用的切削刀具绝大多数都采用了涂层处理。氮化物硬质涂层是切削刀具表面上广泛使用的涂层材料，譬如TiN、TiAlN、CrAlN、TiAlCrN、TiAlSiN等，这类涂层材料的共性是在高温工作状态下抗氧化能力差，易发生月牙洼磨损，甚至氧化剥落失效。当前，切削技术不断进步和发展，尤其是高速切削、干式切削技术的应用越来越多，这类切削技术同时面临的一个问题是切削温度升高。因此，氮化物涂层刀具在高速切削、干式切削等切削新技术中的应用受到挑战。

氧化物涂层的优势是涂层本身是氧化物，不存在涂层氧化的问题或者涂层自身就是抗氧化的，这类涂层更适宜于刀具在高温条件下工作。α-Al₂O₃由于结构致密、化学稳定性好、热稳定性好以及具有较高的硬度和韧性，是高温条件下切削加工的理想刀具表面涂层材料，这也是目前化学气相沉积法制备的刀具涂层中普遍含有α-Al₂O₃的原因。但是，化学气相沉积法的特点是，涂层沉积温度高（600～1000℃），会对刀片本体材料的性能造成改变，如促使对硬质合金刀片中的碳化物变脆，韧性降低，从而致使刀片在金属切削加工（主要是铣削加工）中的应用受到限制。物理气相沉积法因沉积温度低（＜550℃），适合于更宽范围的刀具以及其它工模具和机械零件的表面涂层；也正是因为沉积温度低，导致该方法沉积α-Al₂O₃的能量不足，物理气相沉积法制备的Al₂O₃涂层通常为非晶态或其它晶形结构，难以获得理想的使用效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的问题，提供一种抗月牙洼磨损的铝钛锆氮与氧化铝多层复合涂层。

本发明的另一目的是提供一种上述抗月牙洼磨损的铝钛锆氮与氧化铝多层复合涂层的制备方法。

本发明提供的抗月牙洼磨损的铝钛锆氮与氧化铝多层复合涂层，其特征在于，涂层是由高熵合金粘结层、氧化物模板层、氧化物核心层、氮化物表层四个子层构成的整体，这四个子层的顺序是由内至外，涂层总厚度为1～3μm。

其中，上述涂层中，所述高熵合金粘结层为Co_aNi_bCr_cAl_dY_e，a+b+c+d+e=1，a、b、c、d、e的取值范围为0.15～0.4，厚度为50～200nm。

其中，上述涂层中，所述氧化物模板层为α-Cr₂O₃，厚度为150～300nm；所述氧化物核心层为α-Al₂O₃，厚度为500～2000nm；所述氮化物表层为AlTiN，厚度为300～500nm。

本发明提供的上述抗月牙洼磨损的铝钛锆氮与氧化铝多层复合涂层的制备方法，包括以下步骤：