本发明涉及tial/tialn/tizraln复合涂层及其制备方法。
背景技术
现有的复合涂层存在一些缺陷，如涂层与基体之间的附着力差，在使用时易导致涂层边缘残余热应力过大，从而导致涂层出现裂纹、剥落等现象；而且不同涂层与基体之间材料特性变化过渡大，容易进一步导致应力集中，硬度不够，稳定性较差。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的制备方法，该方法保证了膜层能够达到超硬性，同时也保证了高附着力和高热震性的同时实现，减小了膜层内应力，并具有良好的稳定性。
本发明提供了一种制备tial/tialn/tizraln复合涂层的方法，包括：选用两个ti/al原子比为50/50的钛铝合金靶和两个ti/zr原子比为45/55的钛锆合金靶；将待镀膜的金属基体置于镀膜室的工件架上；对所述镀膜室进行预烘烤工艺；对金属基体进行预轰击清洗工艺；在所述金属基体上镀tial层，起弧时间为第一时间；在所述tial层上镀tialn层，起弧时间为第二时间；在所述tialn层上镀tizraln层，起弧时间为第三时间；其中，所述第一时间、所述第二时间和所述第三时间的比值为1:3:6。
在上述方法中，其中，两个ti/al原子比为50/50的钛铝合金靶在所述镀膜室中呈90度配置，两个ti/zr原子比为45/55的钛锆合金靶在所述镀膜室中呈90度配置。
在上述方法中，其中，所述金属基体为高速钢或者硬质合金，并且在将待镀膜的金属基体置于镀膜室的工件架上之前，对所述金属基体进行去污、抛光、超声清洗和干燥处理。
在上述方法中，其中，所述金属基体的待镀膜表面与钛铝合金靶和钛锆合金靶的表面的距离均在25-30cm。
在上述方法中，其中，对所述镀膜室进行预烘烤工艺包括：在所述镀膜室的真空度达到3×10-2帕时，启动烘烤电流，所述镀膜室的温度达到200℃所用的时间不低于20分钟。
在上述方法中，其中，对各个合金靶进行预轰击清洗工艺包括：当所述镀膜室的背底真空度达到8.0×10-3帕、预烘烤温度达到200℃时充入氩气，使所述镀膜室的压强达到2.2×10-1帕～2.8×10-1帕，开启各个合金靶弧源，保持弧电流稳定在55～60安培之间，进行离子轰击15分钟，轰击偏压从350伏逐渐增加到400伏。
在上述方法中，其中，在所述金属基体上镀tial层包括：将所述镀膜室内的氩气压强保持在2.2×10-1帕～2.8×10-1帕，两个钛铝合金靶的弧电流均置于55～60安培之间，所述金属基体的负偏压设置为-220伏，所述第一时间不超过10分钟。
在上述方法中，其中，在所述tial层上镀tialn层包括：调节氩气压强为0，使氮气压强达到2.6×10-1帕～2.8×10-1帕，两个钛铝合金靶的弧电流均置于55～60安培之间，所述金属基体的负偏压设置为-200伏。
在上述方法中，其中，在所述tialn层上镀tizraln层包括：将所述镀膜室内的氮气压强保持在2.8×10-1帕，两个钛铝合金靶和两个钛锆合金靶的弧电流均置于60-62安培之间，所述金属基体的负偏压设置为-180伏。
本发明还提供了通过上述方法制备的tial/tialn/tizraln复合涂层。
本发明获得的tial/tialn/tizraln复合涂层能够达到超硬性，同时也保证了高附着力和高热震性的同时实现，减小了膜层内应力，并具有良好的稳定性。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明提供了一种tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的制备方法，包括以下方面：
1、沉积技术的确定：确定多弧离子镀作为tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的制备技术。
2、弧源靶材的确定：确定2个ti/al原子比为50/50的钛铝合金靶和2个ti/zr原子比为45/55的钛锆合金靶的组合作为镀膜弧源靶。
3、弧源个数的确定：根据膜层均匀性要求和待镀膜金属基体的温度限制来确定所要使用的多弧离子镀弧源个数，即，为保证膜层均匀性，按照方法步骤2中的组合方式至少选用两个不同高度不同方位且成90度配置的弧源同时起弧，而同时要保证待镀膜金属基体在镀膜室的整个过程中，镀膜室温度不超过基体允许的温度。
4、待镀膜金属基体的选择与前处理：选择高速钢或者硬质合金作为待镀膜金属基体，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对其进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，最后分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干以备用，然后置于镀膜室的工件架上。
5、金属基体待镀膜表面到靶材表面的直线距离在25-30cm。
6、预烘烤工艺的确定：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合涂层而在离子轰击工艺开始之前进行的加热烘烤工艺，在镀膜室真空度达到3×10-2帕时，启动烘烤电流，为避免热应力积聚，采用小电流(60-100安培)烘烤，并保持承载金属基体的工件架匀速转动，镀膜室温度达到200℃所用的时间不低于20分钟。
7、预轰击清洗工艺的确定：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合涂层而在镀覆钛铝合金过渡层之前进行的离子轰击工艺，当镀膜室背底真空度达到8.0×10-3帕、预烘烤温度达到200℃时充入氩气，使镀膜室压强达到2.2×10-1帕～2.8×10-1帕，开启各个弧源，根据弧源靶材尺寸大小和基体允许温度的限制条件，保持弧电流稳定在55～60安培之间的某个电流值，进行离子轰击15分钟，轰击偏压从350伏逐渐增加到400伏。
8、沉积时间的确定：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合涂层而确定的沉积时间，根据所使用的多弧离子镀弧源的个数和对膜层的厚度(2.5-3微米)要求确定整个沉积时间，然后将整个沉积时间分为1/3/6，其中tial过渡层的沉积时间为整个沉积过程的时间的10％，tialn中间层的沉积时间为整个沉积过程的时间的30％，最外层tizraln膜层的沉积时间为整个沉积过程的时间的60％。
9、tial过渡层的制备工艺的确定：将镀膜室内的氩气压强保持在2.2×10-1帕～2.8×10-1帕，2个钛铝合金靶的弧电流均置于55～60安培之间的某个电流值，金属基体负偏压设置为-220伏，起弧时间为整个沉积过程的时间的10％，并且不超过10分钟，然后调节氩气压强为0，氮气压强达到2.6×10-1帕～2.8×10-1帕，准备进行tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的tialn中间层的沉积。
10、tialn中间层的制备工艺的确定：将镀膜室内的氮气压强保持在2.6×10-1帕～2.8×10-1帕，2个钛铝合金靶的弧电流均置于55～60安培之间的某个电流值，金属基体负偏压设置为-200伏，起弧时间为整个沉积过程的时间的30％。然后保持或调整氮气压强为2.6×10-1帕，准备进行tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的最外层tizraln膜层的沉积。
11、最外层tizraln膜层的制备工艺的确定：将镀膜室内的氮气压强保持在2.6×10-1帕，2个钛铝合金靶和2个钛锆合金靶的弧电流均置于60-62安培之间，金属基体负偏压设置为-180伏，起弧时间为整个沉积过程的时间的60％。
12、镀膜室温度的控制：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合膜层而确定的镀膜室温度限制，对于高速钢基体，镀膜室温度不能超过380摄氏度；对于硬质合金基体，镀膜室温度不能超过420摄氏度。
13、工件架旋转：在镀膜室缓慢加热烘烤、对金属基体进行离子轰击、镀覆tial过渡层、tialn中间层以及最外层tizraln膜层的整个过程中一直保持工件架旋转，转速为6转/分钟。
按照本发明所提出的tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的制备方法，可以获得上述的tial/tialn/tizraln超硬复合涂层，由于采用了弧源合金靶电流的分别控制，能够实现膜层成分优化，ti/al/cr基本保持在2：1：1，从而保证了超硬复合涂层能够达到超硬性；同时，由于采用多层次递进结构的膜层构成，以及各层沉积时间的合理分配，也保证了高附着力和高热震性的同时实现，减小了膜层内应力，并具有良好的稳定性。
下面结合具体的实施例进行说明。
实施例1
在商用高速钢w18cr4v上制备tial/tialn/tizraln超硬复合涂层。
1、沉积技术的确定：确定多弧离子镀作为tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的制备技术。
2、弧源靶材的确定：确定2个ti/al原子比为50/50的钛铝合金靶和2个ti/zr原子比为45/55的钛锆合金靶的组合作为镀膜弧源靶。
3、弧源个数的确定：根据膜层均匀性要求和待镀膜金属基体的温度限制来确定所要使用的多弧离子镀弧源个数，即，为保证膜层均匀性，按照方法步骤2中的组合方式选用两个不同高度不同方位且成90度配置的弧源同时起弧，而同时要保证待镀膜金属基体在镀膜室的整个过程中，镀膜室温度不超过金属基体允许的温度。
4、待镀膜金属基体的选择与前处理：选择高速钢作为待镀膜金属基体，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对其进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，最后分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干以备用，然后置于镀膜室的工件架上。
5、高速钢基体镀膜表面到靶材表面的直线距离在25cm。
6、预烘烤工艺的确定：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合涂层而在离子轰击工艺开始之前进行的加热烘烤工艺，在镀膜室真空度达到3×10-2帕时，启动烘烤电流，为避免热应力积聚，采用小电流(60安培10分钟，80安培10分钟，然后提高烘烤电流到100安培)烘烤，并保持承载高速钢基体的工件架匀速转动，镀膜室温度达到200℃所用的时间42分钟。
7、预轰击清洗工艺的确定：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合涂层而在镀覆钛铝合金过渡层之前进行的离子轰击工艺，当镀膜室背底真空度达到8.0×10-3帕、预烘烤温度达到200℃时充入氩气，使镀膜室压强达到2.5×10-1帕，开启各个弧源，根据弧源靶材尺寸大小和高速钢基体允许温度的限制条件，保持弧电流稳定在58安培，进行离子轰击15分钟，即，轰击偏压350伏保持5分钟，380伏保持5分钟，然后增加到400伏保持5分钟。
8、沉积时间的确定：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合涂层而确定的沉积时间，根据所使用的多弧离子镀弧源的个数和对膜层的厚度(预设为2.8微米)要求，确定整个沉积时间60分钟，然后将整个沉积时间分为1/3/6，其中tial过渡层的沉积时间为整个沉积过程的时间的10％，tialn中间层的沉积时间为整个沉积过程的时间的30％，最外层ticraln膜层的沉积时间为整个沉积过程的时间的60％。
9、tial过渡层的制备工艺的确定：将镀膜室内的氩气压强保持在2.2×10-1帕，2个钛铝合金靶的弧电流均置于58安培，高速钢基体负偏压为-220伏，起弧时间为整个沉积过程的时间的10％，即，6分钟，然后调节氩气压强为0，氮气压强达到2.6×10-1帕，准备进行tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的tialn中间层的沉积。
10、tialn中间层的制备工艺的确定：将镀膜室内的氮气压强保持在2.6×10-1帕，2个钛铝合金靶的弧电流均置于58安培，高速钢基体负偏压为-200伏，起弧时间为整个沉积过程的时间的30％，即18分钟。然后保持氮气压强为2.6×10-1帕，准备进行tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的最外层tizraln膜层的沉积。
11、最外层tizraln膜层的制备工艺的确定：将镀膜室内的氮气压强保持在2.6×10-1帕，2个钛铝合金靶和2个钛锆合金靶的弧电流均置于62安培，高速钢基体负偏压为-180伏，起弧时间为整个沉积过程的时间的60％，即，36分钟。
12、镀膜室温度的控制：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合膜层而确定的镀膜室温度限制，高速钢基体完成整个镀膜过程后，镀膜室温度为332摄氏度；
13、工件架旋转：在镀膜室缓慢加热烘烤、对高速钢基体进行离子轰击、镀覆tial过渡层、tialn中间层以及最外层tizraln膜层的整个过程中一直保持工件架旋转，转速为6转/分钟。
对使用上述方法制备的tial/tialn/ticraln超硬复合涂层进行测定，其涂层厚度为2.82微米，采用显微硬度计，在25g力载荷下，测得该超硬复合涂层的硬度达到4200hv。
实施例2
在硬质合金yt15基体上制备tial/tialn/tizraln超硬复合涂层。
1、沉积技术的确定：确定多弧离子镀作为tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的制备技术。
2、弧源靶材的确定：确定2个ti/al原子比为50/50的钛铝合金靶和2个ti/zr原子比为45/55的钛锆合金靶的组合作为镀膜弧源靶。
3、弧源个数的确定：根据膜层均匀性要求和待镀膜金属基体的温度限制来确定所要使用的多弧离子镀弧源个数，即，为保证膜层均匀性，按照方法步骤2中的组合方式选用两个不同高度不同方位且成90度配置的弧源同时起弧，而同时要保证待镀膜金属基体在镀膜室的整个过程中，镀膜室温度不超过金属基体允许的温度。
4、待镀膜金属基体的选择与前处理：选择硬质合金yt15作为待镀膜金属基体，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对其进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，最后分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干以备用，然后置于镀膜室的工件架上。
5、基材镀膜表面到靶材表面的直线距离在28cm。
6、预烘烤工艺的确定：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合涂层而在离子轰击工艺开始之前进行的加热烘烤工艺，在镀膜室真空度达到3×10-2帕时，启动烘烤电流，为避免热应力积聚，采用小电流(60安培10分钟，80安培10分钟，然后提高烘烤电流到100安培)烘烤，并保持承载硬质合金基体的工件架匀速转动，镀膜室温度达到200℃所用的时间42分钟。
7、预轰击清洗工艺的确定：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合涂层而在镀覆钛铝合金过渡层之前进行的离子轰击工艺，当镀膜室背底真空度达到8.0×10-3帕、预烘烤温度达到200℃时充入氩气，使镀膜室压强达到2.5×10-1帕，开启各个弧源，根据弧源靶材尺寸大小和硬质合金基体允许温度的限制条件，保持弧电流稳定在58安培，进行离子轰击15分钟，即，轰击偏压350伏保持5分钟，380伏保持5分钟，然后增加到400伏保持5分钟。
8、沉积时间的确定：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合涂层而确定的沉积时间，根据所使用的多弧离子镀弧源的个数和对膜层的厚度(预设为2.8微米)要求，确定整个沉积时间60分钟，然后将整个沉积时间分为1/3/6，其中tial过渡层的沉积时间为整个沉积过程的时间的10％，tialn中间层的沉积时间为整个沉积过程的时间的30％，最外层ticraln膜层的沉积时间为整个沉积过程的时间的60％。
9、tial过渡层的制备工艺的确定：将镀膜室内的氩气压强保持在2.2×10-1帕，2个钛铝合金靶的弧电流均置于58安培，硬质合金基体负偏压为-220伏，起弧时间为整个沉积过程的时间的10％，即，6分钟，然后调节氩气压强为0，氮气压强达到2.8×10-1帕，准备进行tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的tialn中间层的沉积。
10、tialn中间层的制备工艺的确定：将镀膜室内的氮气压强保持在2.8×10-1帕，2个钛铝合金靶的弧电流均置于56安培，硬质合金基体负偏压为-200伏，起弧时间为整个沉积过程的时间的30％，即18分钟。然后调整氮气压强为2.6×10-1帕，准备进行tial/tialn/tizraln超硬复合涂层的最外层tizraln膜层的沉积。
11、最外层tizraln膜层的制备工艺的确定：将镀膜室内的氮气压强保持在2.6×10-1帕，2个钛铝合金靶和2个钛锆合金靶的弧电流均置于60安培，硬质合金基体负偏压为-180伏，起弧时间为整个沉积过程的时间的60％，即，36分钟。
12、镀膜室温度的控制：指为获得tial/tialn/tizraln超硬复合膜层而确定的镀膜室温度限制，硬质合金基体完成整个镀膜过程后，镀膜室温度为335摄氏度；
13、工件架旋转：在镀膜室缓慢加热烘烤、对硬质合金基体进行离子轰击、镀覆tial过渡层、tialn中间层以及最外层tizraln膜层的整个过程中一直保持工件架旋转，转速为6转/分钟。
对使用上述方法制备的tial/tialn/ticraln超硬复合涂层进行测定，其涂层厚度为2.75微米，采用显微硬度计，在25g力载荷下，测得该超硬复合涂层的硬度达到4400hv。
本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本申请的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。