专利名称：TiAlN-TiBN多层厚膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种对Xi生表面处理的镀膜，尤其涉及一种TiAlN-TiBN多层厚膜，本 发明还涉及该多层厚膜的制备方法。属于材料表面镀膜技术领域。
背景技术：
TiAlN是新一代的刀模具用硬质薄膜材料，其中Al原子增强了膜层的抗氧化性， 使其比TiN更适用于提高刀、模具寿命，以及各种耐磨零件和高温部件的表面防护。单 一的TiAlN膜层的缺陷较多，膜内应力过大，与基体的附着力随厚度的增加而下降， 因此商业应用的TiAlN膜的厚度通常只有3 4pm，制备厚的TiAlN膜层十分困难。但 对于基底材料较软或不能热处理的精密零部件，由于基底不能有力支撑TiAlN膜，会 发生早期破坏，因此制备TiAlN厚膜具有很大的价值。
TiAlN膜的工业化制备方法主要有两类，电弧离子镀和磁控溅射离子镀以及这两 种技术的复合等。电弧离子镀具有金属离化率高(可达60%~80%)，沉积速率高，但易 产生大的液滴；而磁控溅射具有膜层的致密度高，无液滴，但沉积速率较低，靶材易中 毒。林小东等人采用Ti靶电弧离子镀与Al靶中频磁控溅射镀的复合工艺，制备的单层 TiAlN薄膜比TiN薄膜表面液滴尺寸更小，且膜层针状孔洞基本消除，组织更为致密均 匀，TiAlN薄膜的硬度比TiN薄膜的硬度，提高30%左右。
通过多组元或多层的方法可以改善TiAlN膜的性能。相关文献如《钛工业进展》2004 年6月第21巻第3期公开的"TiAlBN多元膜的性能与组织结构研究"由谢致薇等所著，该 文献中采用电弧离子镀技术使用TA5钛合金靶材增加B元素，获得TiA旧N薄膜表明这 种多元膜具有优于TiN膜的显微硬度，与TiN膜相比，具有更加明显的择优取向趋势；又 如《材料研究学报》2007年12月第21巻第6期公开的"离子轰击能量对ZrN/TiAlN纳米 多层膜性能的影响"由曹猛等所著，该文献采用超高真空离子束辅助沉积系统(IBAD) 制备一系列具有纳米调制周期的ZrN / TiAlN多层膜，研究了离子辅助轰击对薄膜性能 的影响.结果表明离子辅助轰击使大部分ZrN/TiAlN多层膜的纳米硬度和弹性模量 值高于两种个体材料的平均值；离子的轰击和薄膜表面原子与轰击离子之间的动量传输 提高了薄膜的致密度；当轰击能量为200eV时，多层膜的硬度最高(30.6 GPa)，弹性模 量，表面粗糙度和摩擦系数等也明显改善。
在厚膜研究方面，参考《中国表面工程》2008年6月第21巻第3期中"电弧离子 镀多层Ti/TiN厚膜组织和力学性能研究"由马占吉等所著，文献采用电弧离子镀技术在钛合金(Ti6A14V)上制备了 Ti/TiN多层厚膜，膜层厚度为21.6pm 25.6nm，研究表 明随膜层中Ti比例增加，膜层附着力增加，但膜层维氏硬度变化不大。
相关的专利文献公开的也较多，具体可参考CN1648286A、 CN1858295A、 CN10124744A等。
总体而言，尽管目前研究TiAlN膜的文献很多，可实际使用的TiAlN膜厚度也仍 局限在几个微米范围，因此有必要针对这个问题开发研究，扩大TiAlN工程化应用范 围。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种结合度强、致 密均匀、显微硬度大的TiAlN-TiBN多层厚膜。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种结合度强、致 密均匀、显微硬度大的TiAlN-TiBN多层厚膜的制备方法。
本发明所要解决的第三个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种运行成本低 厚度大的TiAlN-TiBN多层厚膜的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种TiAlN-TiBN多层厚膜，其特征 在于该多层厚膜由磁控溅射的TiAlN层和电弧离子镀的TiBN层交替沉积而成，并且， 前述的TiBN层厚度为0.1(am 0.3nm，前述的Ti A1N层厚度为2.1pm ~4.3pm。
作为优选，所述的TiBN层厚度为0.2|^m，前述的TiAlN层厚度为3.8pm 4^m。
作为优选，所述的多层厚膜总厚度为20pm 3(Vm。
一种TiAlN-TiBN多层厚膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤
① 将一对中频磁控溅射源相邻安装在真空室一侧，将两个电弧源安装在相对的另一 侧；将抛光、清洗处理后的工件装入真空室，真空室真空度为4xlO-3~7xlO—3Pa，采用 TiA合金为中频磁控溅射靶材，其中Ti和Al重量百分比均为50。/。；采用TiB合金为电 弧离子镀靶材，其中，Ti重量百分比为95。/。， B重量百分比为5。/。；
② 工件沉积镀膜前在真空室充Ar气至l~4Pa，加偏压800~1200V，对工件表面进 行Ar离子轰击清洗，去除表面残留的吸附物及氧化物后；减少Ar气至2xlO—2"X10—2Pa， 偏压室150~300V，设定工艺参数工件转速4~8转/min，沉积偏压150-250V,沉积温 度250 350°C ，启动电弧源用于沉积TiB层，工作2~5min;加充Nz气至2xl0" 4x10—1 Pa， 此后启动磁控溅射源，用于沉积TiAlN层，然后断续开启电弧源，电弧源每工作5-10min， 关闭20 50min，以此重复操作电弧源，直至达到所需总的膜层厚度。
进一步，步骤②为所述工件沉积镀膜前在真空室充Ar气至3Pa，加偏压1000V， 对工件表面进行Ar离子轰击清洗，去除表面残留的吸附物及氧化物后；减少Ar气至3 Xl(r2Pa，偏压至200V，设定工艺参数工件转速6转/min，沉积偏压200V，沉积温度300°C，启动电弧源用于沉积TiB层，工作2min;充入3xl0—1 Pa的N2，此后启动磁控 溅射源，用于沉积TiAlN层，然后断续开启电弧源，电弧源每工作8min，关闭50min， 以此重复操作电弧源，直至达到所需总的膜层厚度。
与现有技术相比，本发明的优点在于TiAlN层与TiBN层交替分布实现了 TiAlN 薄膜成分多元化和结构多层化，改善其应力分布，所得产品致密均匀、显微硬度大，提 高结合强度，大幅度增加厚度，满足软基体或不能热处理产品的表面强化需求；所用靶 材廉价易得，技术稳定性强，运行成本低，可以突破目前商用硬质薄膜2 4Hm的局限， 扩大TiAlN薄膜工程化应用范围。
图1为实施例1中真空室布置图。
图2为实施例l制备工艺图。
图3为实施例1中部分厚膜结构示意图。
图4为实施例1中所得多层膜球磨放大50倍显微照片。
图5为实施例1中所得多层膜球磨放大200倍显微照片。
图6为实施例1中所得多层膜洛式压坑显微照片。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1:如图1和图2所示，将一对中频磁控溅射源21相邻安装在真空室一侧 并位于中频磁控装置2前，将两个电弧源11安装在相对的另一侧，并位于各自电弧发 生装置1上，N2瓶4和Ar瓶5可调节通入到真空室IOO能；选取1&13钢圆片，尺寸 为C20X5mm3，经研磨抛光处理后，依次用丙酮、酒精超声波清洗30 min，烘干后 装在真空室100的工件转架3上。真空室100真空度为5X10—3 Pa，工件101加热温度 为30(TC，工件101转动6转/min;充Ar气至3Pa，加偏压IOOOV，采用Ar离子对工 件表面进行轰击清洗30 min;减少Ar气至3X10—2Pa，偏压至200V，启动电弧源2min 用于沉积TiB合金；加入N2至3X10"Pa，启动中频磁控溅射源，用于沉积TiAlN层， 而电弧源断续工作，电弧源每工作8min，关闭电弧源50min，共重复进行5个周期停止 镀膜，待真空室100冷却至室温时，打开炉门，取出工件IOI。
工件101表层共有10层镀膜，如图3所示，其中，
第一周期镀膜la中TiBN层为0.2pm， TiAlN层为2.5pm，
第二周期镀膜2a中TiBN层为0.2pm， TiAlN层为3.8|am，
第二周期镀膜3a中TiBN层为0.2(_im， TiAlN层为3.8nm，
5第二周期镀膜4a中TiBN层为0.2pm， TiAlN层为3.9jxm， 第二周期镀膜5a中TiBN层为0.2(im， TiAlN层为4.1pm。
其余镀膜中，TiBN层厚度为0.1-0.3|im， TiAlN层为2.1pm ~4.3|am。工件原始硬 度为330.8kg/mm2，镀层后硬度为3290.7kg/mm2。
按照实施例1所得薄膜的球磨测厚显微形貌，如图5和图6可以看出，膜层呈多层 结构分布，致密均匀，分布良好总厚度为22pm。如图6所示洛氏压坑结合力(加载60 Kg)达到一级，显微硬度大于3000Kg/mm2 (50g载荷下)。结果表明，该膜层在提高未 热处理1Crl3基体的表面硬度十分有效。
实施例2:选取TC4钛合金圆片，尺寸为C20X5mm3，经研磨抛光处理后，依 次用丙酮、酒精超声波清洗30 min，烘干后装入真空室。真空室本底真空度为5 X l(T3 Pa， 工件加热温度为300°C，工件转动6转/ min;充Ar气至3Pa，加偏压IOOOV，采用Ar 离子对工件表面进行轰击清洗30min。减少Ar气至3 X l(T2Pa，偏压至200V，启动电弧 源工作2 min，用于沉积TiB合金；加入N2至3 X 10—1 Pa，启动中频磁控溅射源，用于 沉积TiAlN层，电弧源断续工作，电弧源每工作8min，关闭电弧源50min，共重复进行 5个周期，停止镀膜，待真空室冷却至室温时，打开炉门，取出工件。
按照实施例2所得薄膜的球磨测厚显微形貌，膜层呈多层结构分布，致密均匀，分 布良好总厚度为22nm。洛氏压坑结合力(加载60Kg)达到一级，显微硬度大于 3000Kg/mm2 (50g载荷下)。结果表明，该膜层在提高TC4钛合金基体的表面硬度十分 有效。
权利要求
1、一种TiAlN-TiBN多层厚膜，其特征在于该多层厚膜由磁控溅射的TiAlN层和电弧离子镀的TiBN层交替沉积而成，并且，前述的TiBN层厚度为0.1μm～0.3μm，前述的TiAlN层厚度为2.1μm～4.3μm。
2、 根据权利要求1所述的TiAlN-TiBN多层厚膜，其特征在于所述的TiBN层厚 度为0.2(im，前述的TiAlN层厚度为3.8pm 化m。
3、 根据权利要求2所述的TiAlN-TiBN多层厚膜，其特征在于所述的多层厚膜总 厚度为20pm 30(am。
4、 一种TiAlN-TiBN多层厚膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤① 将一对中频磁控溅射源相邻安装在真空室一侧，将两个电弧源安装在相对的另一 顶[);将抛光、清洗处理后的工件装入真空室，真空室真空度为4X10—3 7xlO—3Pa，采用 TiAI合金为中频磁控溅射靶材，其中Ti和Al重量百分比均为50%;采用TiB合金为电 弧离子镀靶材，其中，Ti重量百分比为95。/。， B重量百分比为5。/o;② 工件沉积镀膜前在真空室充Ar气至1 4Pa，加偏压800~1200V，对工件表面进 行Ar离子轰击清洗，去除表面残留的吸附物及氧化物后；减少Ar气至2xl(T2~4xlO—2Pa， 偏压至150 300V，设定工艺参数工件转速4~8转/min，沉积偏压150~250V，沉积温 度250~350°C ，启动电弧源用于沉积TiB层，工作2-5min;加充N2气至2xl0" 4x10—1 Pa， 此后启动磁控溅射源，用于沉积TiAlN层，然后断续开启电弧源，电弧源每工作5 10min, 关闭20 50min，以此重复操作电弧源，直至达到所需总的膜层厚度。
5、 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤②为所述工件沉积镀膜前在 真空室充Ar气至3Pa，加偏压IOOOV，对工件表面进行Ar离子轰击清洗，去除表面残 留的吸附物及氧化物后；减少Ar气至3xlO々Pa，偏压至200V，设定工艺参数工件转 速6转/min，沉积偏压200V，沉积温度300°C ，启动电弧源用于沉积TiB层，工作2min; 充入3xlO"Pa的N2，此后启动磁控溅射源，用于沉积TiAlN层，然后断续开启电弧源， 电弧源每工作8min，关闭50min，以此重复操作电弧源，直至达到所需总的膜层厚度。
全文摘要
一种TiAlN-TiBN多层厚膜，其特征在于该多层厚膜由磁控溅射的TiAlN层和电弧离子镀的TiBN层交替沉积而成，并且，前述的TiBN层厚度为0.1μm～0.3μm，前述的TiAlN层厚度为2.1μm～4.3μm。本发明还公开该多层厚膜的制备方法。与现有技术相比，本发明的优点在于TiAlN层与TiBN层交替分布实现了TiAlN薄膜成分多元化和结构多层化，改善其应力分布，所得产品致密均匀、显微硬度大，提高结合强度，大幅度增加厚度，满足软基体或不能热处理产品的表面强化需求。
文档编号C23C14/54GK101602272SQ20091009942
公开日2009年12月16日 申请日期2009年6月15日 优先权日2009年6月15日
发明者刘智勇, 刘若涛, 杨润田 申请人:中国兵器工业第五二研究所