一种复合涂层及其制备方法和应用与流程

本发明涉及保护涂层技术领域，尤其涉及一种复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

随着加工业的不断发展，刀具已不仅仅需要满足高强度、长使用寿命、高切削和进给速度，还要适用于高自动化的生产需要。并且考虑到环境污染小，高速度切削、干切削以及微润滑切削等绿色切削日益成为切削技术的发展主流，这都对刀具的发展提出了更高的要求。现如今，刀具涂层也从最初的单一的tin、nbn薄膜，发展成为nbsin和tisin等纳米复合涂层，以及tin/aln、tin/nbn等纳米多层涂层结构，这在很大的程度上提高了薄膜刀具的综合性能。

纳米复合涂层是由两种材料构成，界面相包裹着基体相的一种三维网状结构的涂层，构成材料可以为纳米晶/纳米晶的形式，也可为纳米晶/非晶态的形式。大量科学工作者对这类薄膜进行了研究探索，也取得了很多的成果：例如，申请号为201611164439.3的中国专利公开了一种ti-ag-n纳米复合涂层及其制备方法，其要解决的技术问题是nc-tin/a-si3n4纳米复合涂层的高摩擦系数导致切削过程中产生大量热量，涂层刀具前刀面依然产生积屑瘤。本发明的纳米复合涂层：按离基体的远近区分，从内到外依次包括：基体表面ti膜形成的过渡层、tin膜形成的中间层和ti-ag-n层。其制备方法采用电弧离子镀技术完成，该方法制备的纳米复合涂层除具有较高的硬度外，还具有涂层韧性高、膜基结合强、摩擦系数小等优点。申请号为201610310464.1的中国专利公开了一种zr-b-n纳米复合涂层的制备工艺，其采用高功率脉冲和脉冲直流复合磁控溅射技术在金属或合金基体上沉积zr-b-n涂层，所述涂层具有较高的韧性和强度，良好的耐磨性能，且组织结构致密、涂层与基体间的结合力强；申请号为201710155500.6的中国专利公开了一种纳米复合涂层及其制备技术，其采用电弧离子镀技术在金属或硬质合金基体上制备alcrn纳米复合涂层，所述alcrn纳米复合涂层具有很高的硬度和强度，良好的耐高温氧化性能和耐蚀性能；申请号为201320139896.2的中国专利涉及一种ticun纳米复合涂层，要解决的技术问题是nc-tin/a-si3n4纳米复合涂层的高摩擦系数导致切削过程中产生大量热量，涂层刀具前刀面依然产生积屑瘤。为了解决上述技术问题其在基体表面依次是由ticu膜形成的过渡层和ticun层。其制备方法采用电弧离子镀技术完成，该方法制备的纳米复合涂层除具有较高的硬度外，还具有涂层韧性高、膜基结合强、摩擦系数小等优点；申请号为201410341995.8的中国专利公开了一种具有超高硬度、低摩擦系数的tisicn纳米复合涂层及制备方法，所述具有超高硬度、低摩擦系数的tisicn纳米复合涂层是采用多靶磁控溅射仪，由tisic复合靶材在依次经抛光、超声波清洗、离子清洗后的基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的，所述复合靶材可用在干式、高速切削加工刀具以及在摩擦磨损条件服役的部件表面，从而提高刀具及部件表面性能和使用寿命，其制备方法具有工艺简单、沉积速度快、成本低和结合强度高等优点；申请号为201710505960.7的中国专利公开了一种nbn和nbb2的复合涂层，他是利用多靶磁控溅射技术，首先研究在n2环境下各工艺参数对nbn、nbb2单层膜性能的影响，找到制硬的主要因素为基底偏压和退火温度对薄膜涂层的影响。然后对nbn和nbb2的复合涂层结构进行实验设计并实验。其制备得到的nb-b-n纳米复合涂层具有较高硬度、高膜基结合力，良好耐摩擦性能和热稳定性的优良机械特性。nbn和nbb2的复合涂层在切削工具、机械零部件等领域将有重要的应用前景。

但是，上述现有的涂层仍存在硬度、热稳定性以及沉积效率无法兼顾的问题，具有硬度、抗高温氧化性能和生产效率不能满足高速切削和干式切削的性能要求等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种复合涂层及其制备方法和应用，所述复合涂层具有高硬度和热稳定性优异的特点。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种复合涂层，包括依次层叠设置的tin层、altin层、altisin层和v掺杂的altisin层。

优选的，所述v掺杂的altisin层中v的掺杂量为4～8at.％。

优选的，所述复合涂层的厚度为2.0～4.5μm；

所述tin层、altin层和altisin层的厚度独立为200～400nm。

本发明还提供了上述技术方案所述的复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

在基体的表面依次溅射tin层、altin层、altisin层和v掺杂的altisin层，得到所述复合涂层。

优选的，进行所述溅射前，对所述基体进行清洗；

所述清洗包括依次进行的超声波清洗和离子清洗。

优选的，所述超声波清洗的频率为15～30khz，时间为5～10min；

所述离子清洗在真空条件下进行，真空度为2～4pa；

所述离子清洗采用的气体为ar气，功率为80～100w。

优选的，溅射所述tin层、altin层和altisin层的功率独立为80～120w，时间独立为5～8min。

优选的，溅射所述v掺杂的altisin层的功率为180～200w，时间为60～120min。

优选的，溅射所述tin层、altin层、altisin层和v掺杂的altisin层时，靶材直径为75mm，总气压范围为0.4～0.8pa；

ar气流量独立为20～40sccm，n2流量独立为20～40sccm，靶基距独立为4～8cm。

本发明还提供了上述技术方案所述的复合涂层或上述技术方案所述的制备方法制备得到的复合涂层作为刀具涂层在刀具领域中的应用。

本发明提供了一种复合涂层，包括依次层叠设置的tin层、altin层、altisin层和v掺杂的altisin层。tin层、altin层、altisin层作为基材和v掺杂的altisin涂层之间的过渡层，可以缓解基材与涂层之间由于点阵常数和热膨胀系统不同产生的内应力，从而提升基材与涂层之间的结合强度。所述复合涂层能够弥补传统合金在刀具涂层使用中的不足，拓宽了刀具涂层的研究范围，涂层内部由具有si3n4界面相包裹altivn纳米晶粒的纳米复合结构，v元素的掺杂可通过固溶强化实现altivn纳米基体相的强化，进而实现涂层的进一步强化。根据实施例的记载，本发明所述的复合涂层的硬度最大可达到47.3gpa，即便是在900℃空气中进行退火处理30min，其硬度仍可保持在40gpa以上。因此，本发明所述的复合涂层可以满足在复杂的高速切削环境中工作的要求。

附图说明

图1为实施例3制备得到的复合涂层横截面的透射电镜图。

具体实施方式

本发明提供了一种复合涂层，包括依次层叠设置的tin层、altin层、altisin层和v掺杂的altisin层。

在本发明中，所述复合涂层的厚度优选为2.0～4.5μm，更优选为2.5～4.0μm。所述tin层、altin层、altisin层和v掺杂的altisin层的厚度独立优选为200～400nm，更优选为250～350nm。

在本发明中，所述altin层中的al和ti的原子数之比为1:1；所述altisin层中al、ti和si的原子数之比优选为9:9:2；所述v掺杂的altisin层中al、ti、v和si的原子数之比优选为(45-x/2):(45-x/2)：x：10，其中x的取值范围为8～16。

在本发明中，所述v掺杂的altisin层中v的掺杂量优选为4～8at.％。

本发明还提供了上述技术方案所述的复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

在基体的表面依次溅射tin层、altin层、altisin层和v掺杂的altisin层，得到所述复合涂层。

在本发明中，若无特殊说明，所有原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。

在本发明中，所述基体优选为金属、硬质合金或陶瓷；本发明对所述金属、硬质合金或陶瓷的种类均没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的种类即可。

在本发明中，进行所述溅射前，优选对所述基体依次进行抛光和清洗；本发明对所述抛光没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明中，所述清洗优选包括依次进行的超声波清洗和离子清洗；所述超声波清洗优选依次在无水乙醇和丙酮中进行；在本发明中，所述超声波清洗的频率优选为15～30khz，更优选为18～25khz；时间优选为5～10min，更优选为6～8min。所述超声波清洗完成后，本发明优选将清洗后的基体置于真空室中，抽真空至6×10^-4pa后通入ar气进行离子清洗。在本发明中，所述离子清洗优选在真空条件下进行，真空度优选为2～4pa；所述离子清洗的功率优选为80～100w，优选为85～95w；时间优选为30min。

在本发明中，溅射所述所述tin层、altin层和altisin层采用的靶材依次优选为ti、alti和altisi。在本发明中，所述alti中al和ti的原子比优选为1:1；所述altisi中al、ti和si的原子比优选为9:9:2。在本发明中，所述溅射的功率独立优选为80～120w，更优选为90～110w，最优选为100w；时间独立优选为5～8min，更优选为6～7min。在本发明中，所述溅射优选在多靶磁控溅射仪内进行，在所述溅射过程中，各靶材优选通过直流电源控制。

在本发明中，溅射所述v掺杂的altisin层采用的靶材优选为al45-x/2ti45-x/2vxsi10靶，所述x的取值范围为8～16。在本发明中，所述溅射所述v掺杂的altisin层的功率优选为180～200w，更优选为185～195w，最优选为190w；时间优选为60～120min，更优选为80～100min。在本发明中，所述溅射优选通过射频电源控制。

在本发明中，溅射所述tin层、altin层、altisin层和v掺杂的altisin层时，靶材直径优选为75mm；总气压范围优选为0.4～0.8pa，更优选为0.5～0.6pa；ar气流量独立优选为20～40sccm，更优选为25～35sccm，最优选为28～32sccm；n2流量独立优选为20～40sccm，更优选为25～35sccm，最优选为28～32sccm；靶基距独立优选为4～8cm，更优选为5～6cm。

本发明还提供了上述技术方案所述的复合涂层或上述技术方案所述的制备方法制备得到的复合涂层作为刀具涂层在刀具领域中的应用。本发明对所述应用没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的应用方法进行应用即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1～5中使用到的仪器如下：

jgp-450型磁控溅射系统，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司；

nanoindenterg200型纳米压痕仪，美国安捷伦科技公司；

tecnaig²20型高分辨透射电子显微镜，美国fei公司；

quantafeg450型扫描电子显微镜，美国fei公司。

实施例1

将高速钢基体经过抛光处理后，放入超声波清洗机中，依次在无水乙醇和丙酮中进行超声波清洗10min，超声频率为20khz；然后将清洗后的基体放入真空室中，抽真空至6×10^-4pa后通入ar气，维持真空度在4pa，功率为100w的条件下，对基体进行中离子清洗30min，得到预处理的基体；

将所述预处理的基体放入多靶磁控溅射仪内，依次在ti、alti(原子比为1:1)和altisi(原子比为9：9：2)靶上方停留，各靶材由直流电源控制，溅射功率100w，时间5min后，将基体在altiv8si靶上方停留，al45-x/2ti45-x/2vxsi10(x＝8)靶由射频电源控制，溅射功率180w，沉积时间60min；在整个溅射过程中，ar气的流量为20sccm，n2的流量为20sccm，工作气压为0.4pa，得到所述复合涂层。

通过扫描电子显微镜测试，所述复合涂层的总厚度为2.1μm，各层的厚度分别为0.2μm、0.2μm、0.2μm、1.5μm；

按照国家标准gb/t25898-2010对所述复合涂层进行硬度测试，得到所述复合涂层的硬度为46.6gpa；

将所述复合涂层在900℃空气中退火30min后按照上述标准继续进行硬度测试，得到退火处理后的复合涂层的硬度为40.5gpa。

实施例2

将硬质合金基体经过抛光处理后，放入超声波清洗机中，依次在无水乙醇和丙酮中进行超声波清洗10min，超声频率为20khz；然后将清洗后的基体放入真空室中，抽真空至6×10^-4pa后通入ar气，维持真空度在4pa，功率为100w的条件下，对基体进行中离子清洗30min，得到预处理的基体；

将所述预处理的基体放入多靶磁控溅射仪内，依次在ti、alti(原子比为1:1)和altisi(原子比为9：9：2)靶上方停留，各靶材由直流电源控制，溅射功率100w，时间6min后，将基体在altiv10si靶上方停留，al45-x/2ti45-x/2vxsi10(x＝10)靶由射频电源控制，溅射功率180w，沉积时间80min；在整个溅射过程中，ar气的流量为30sccm，n2的流量为30sccm，工作气压为0.6pa，得到所述复合涂层。

通过扫描电子显微镜测试，所述复合涂层的总厚度为3.2μm，各层的厚度分别为0.3μm、0.2μm、0.2μm、2.5μm；

按照国家标准gb/t25898-2010对所述复合涂层进行硬度测试，得到所述复合涂层的硬度为45.4gpa；

将所述复合涂层在900℃空气中退火30min后按照上述标准继续进行硬度测试，得到退火处理后的复合涂层的硬度为40.7gpa。

实施例3

将高速钢基体经过抛光处理后，放入超声波清洗机中，依次在无水乙醇和丙酮中进行超声波清洗10min，超声频率为20khz；然后将清洗后的基体放入真空室中，抽真空至6×10^-4pa后通入ar气，维持真空度在4pa，功率为100w的条件下，对基体进行中离子清洗30min，得到预处理的基体；

将所述预处理的基体放入多靶磁控溅射仪内，依次在ti、alti(原子比为1:1)和altisi(原子比为9：9：2)靶上方停留，各靶材由直流电源控制，溅射功率100w，时间5min后，将基体在al45-x/2ti45-x/2vxsi10(x＝12)靶上方停留，altiv12si靶由射频电源控制，溅射功率180w，沉积时间100min；在整个溅射过程中，ar气的流量为40sccm，n2的流量为40sccm，工作气压为0.8pa，得到所述复合涂层。

通过扫描电子显微镜测试，所述复合涂层的总厚度为3.7μm，各层的厚度分别为0.3μm、0.3μm、0.3μm、2.8μm；

按照国家标准gb/t25898-2010对所述复合涂层进行硬度测试，得到所述复合涂层的硬度为47.3gpa；

将所述复合涂层在900℃空气中退火30min后按照上述标准继续进行硬度测试，得到退火处理后的复合涂层的硬度为41.4gpa；

将实施例3所述的复合涂层进行tem测试，测试结果如图1所示，由图1可知在涂层内部形成明显的纳米复合结构。

实施例4

将硬质合金基体经过抛光处理后，放入超声波清洗机中，依次在无水乙醇和丙酮中进行超声波清洗10min，超声频率为20khz；然后将清洗后的基体放入真空室中，抽真空至6×10^-4pa后通入ar气，维持真空度在4pa，功率为100w的条件下，对基体进行中离子清洗30min，得到预处理的基体；

将所述预处理的基体放入多靶磁控溅射仪内，依次在ti、alti(原子比为1:1)和altisi(原子比为9：9：2)靶上方停留，各靶材由直流电源控制，溅射功率100w，时间7min后，将基体在al45-x/2ti45-x/2vxsi10(x＝12)靶上方停留，altiv12si靶由射频电源控制，溅射功率180w，沉积时间110min；在整个溅射过程中，ar气的流量为30sccm，n2的流量为30sccm，工作气压为0.7pa，得到所述复合涂层。

通过扫描电子显微镜测试，所述复合涂层的总厚度为3.9μm，各层的厚度分别为0.4μm、0.3μm、0.3μm、2.9μm；

按照国家标准gb/t25898-2010对所述复合涂层进行硬度测试，得到所述复合涂层的硬度为46.8gpa；

将所述复合涂层在900℃空气中退火30min后按照上述标准继续进行硬度测试，得到退火处理后的复合涂层的硬度为40.7gpa。

实施例5

将硬质合金基体经过抛光处理后，放入超声波清洗机中，依次在无水乙醇和丙酮中进行超声波清洗10min，超声频率为20khz；然后将清洗后的基体放入真空室中，抽真空至6×10^-4pa后通入ar气，维持真空度在4pa，功率为100w的条件下，对基体进行中离子清洗30min，得到预处理的基体；

将所述预处理的基体放入多靶磁控溅射仪内，依次在ti、alti(原子比为1:1)和altisi(原子比为9：9：2)靶上方停留，各靶材由直流电源控制，溅射功率100w，时间8min后，将基体在al45-x/2ti45-x/2vxsi10(x＝16)靶上方停留，altiv16si靶由射频电源控制，溅射功率180w，沉积时间120min；在整个溅射过程中，ar气的流量为20sccm，n2的流量为20sccm，工作气压为0.5pa，得到所述复合涂层。

通过扫描电子显微镜测试，所述复合涂层的总厚度为4.5μm，各层的厚度分别为0.4μm、0.4μm、0.4μm、3.3μm；

按照国家标准gb/t25898-2010对所述复合涂层进行硬度测试，得到所述复合涂层的硬度为47.0gpa；

将所述复合涂层在900℃空气中退火30min后按照上述标准继续进行硬度测试，得到退火处理后的复合涂层的硬度为41.1gpa。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。