[发明专利]一种AlTiN/TiAlSiN梯度纳米复合结构涂层及其一体化制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种AlTiN/TiAlSiN梯度纳米复合结构涂层及其一体化制备方法与应用，属于先进涂层领域。该涂层采用电弧离子镀（Arc）、高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）及其复合的（Arc‑HiPIMS）沉积技术制备。涂层结构设计分为三个层次：Arc沉积AlTiN底层作为基体与涂层之间过渡层，用来提高膜基结合力；Arc‑HiPIMS复合技术沉积的AlTiN/TiAlSiN亚纳米级梯度复合结构做为中间层，是主要的支撑层；顶层的TiAlSiN功能层由HiPiMS技术沉积，表面致密光滑，性能优异。本发明实现了涂层结构设计创新、性能优异、工艺高效，且绿色环保，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于先进涂层领域，具体涉及一种AlTiN/TiAlSiN梯度纳米复合结构涂层及其一体化制备方法与应用。

背景技术

在材料表面沉积硬质涂层，是一种常用的材料表面防护手段，在高速切削刀具、发动机叶片、工模具制造等现代工业领域中有着广泛的应用。常见的防护用硬质涂层主要是是氮化物涂层，TiN涂层是其中的经典体系。随着现代制造业的快速发展，对材料表面硬度、耐磨性等要求的不断提升，人们通过在TiN中加入不同合金元素(如Al、Si、Cr等)的方法，获得纳米复合涂层，进一步提高防护涂层的性能。TiAlSiN纳米涂层具有硬度高、摩擦系数低、结合力和抗高温氧化能力优良等特点，有望作为防护性功能涂层在现代工业制造中获得应用。

在探究新涂层体系同时，新涂层技术的应用也尤为重要。电弧离子镀技术在蒸发的材料上有局限性，导电性差的材料(如B、Si、SiC、WC、TiB₂等)在一般难以成为蒸发材料，其特征在于高的工艺稳定性和沉积速率。磁控溅射技术可用于溅射电弧离子镀技术难以蒸发的材料，两种沉积方法可以作为单独的处理步骤运行，也能以复合模式运行。在电弧镀同时进行溅射沉积可以提供更复杂的组合，生成纳米及亚纳米的多层结构，使得涂层性能大幅增强。这种复合过程可开启构筑先进涂层结构的窗口，富有创新性。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明目的在于供了一种AlTiN/TiAlSiN梯度纳米复合结构涂层与应用，该涂层在截面方向元素呈梯度分布，与基体的结合力好、硬度高、摩擦系数低、稳定性好，能应用于切削刀具、发动机叶片、工模具制造等现代工业的表面防护领域。

本发明的另一个目的是提供一种AlTiN/TiAlSiN梯度纳米复合结构涂层及其一体化制备方法，该方法采用阴极电弧离子镀技术和高功率脉冲磁控溅射技术相结合的复合工艺，制备高效，且绿色环保，极具创新，具有良好的市场应用前景。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种AlTiN/TiAlSiN梯度纳米复合结构涂层，该涂层由上至下包括基体、AlTiN过渡层、AlTiN/TiAlSiN支撑层和TiAlSiN功能层。

优选的，所述基体为硬质合金、热作模具钢及不锈钢。

优选的，所述AlTiN过渡层的厚度为0.5～2μm，所述AlTiN/TiAlSiN支撑层的厚度为1～4μm，所述TiAlSiN功能层的厚度为0.15～2μm。

优选的，所述AlTiN/TiAlSiN支撑层的调制周期为40～60nm，调制比为20:1～25:1。

进一步优选的，所述AlTiN/TiAlSiN支撑层的调制比为20:1。

以上所述的一种AlTiN/TiAlSiN梯度纳米复合结构涂层的一体化制备方法，包括如下步骤：

(1)AlTiN过渡层：将抛光清洗好的样品送入腔室，经抽真空、红外加热、离子刻蚀后，向腔室内通入高纯N₂，同时保持腔室内加热器温度恒定，基体加负偏压，沉积AlTiN过渡层；