一种高Al含量的AlTiN复合涂层及制备方法
【专利摘要】本发明涉及纳米复合涂层及其制备技术，具体地说是一种高Al含量的AlTiN纳米复合涂层的制备工艺。采用电弧离子镀技术在金属或硬质合金基体上制备AlTiN纳米复合涂层。为更好地调控涂层中Al元素和Ti元素的含量，选用纯金属Al和Ti（纯度均为99.9 wt.%，直径均为80 mm）作为靶材。纯Ti靶和Al靶各4个，相间地均匀分布在炉体内壁上，提高镀膜均匀性。镀膜前先通入Ar气，开启Ti靶，并对基体表面进行轰击清洗10~30 min，然后沉积金属Ti过渡层，最后再通入反应气体N2，将Ti和Al靶同时起辉，沉积AlTiN涂层。本发明涉及的AlTiN纳米复合涂层制备工艺简单，重复性好，并且容易工业化生产；制备出的AlTiN涂层具有较高的硬度和强度，良好的耐高温氧化性能和耐蚀性能，组织结构致密、涂层与基体间的结合力强。
【专利说明】
一种高AI含量的AIT i N复合涂层及制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及涂层制备技术，具体地说是一种高Al含量的AlTiN复合涂层的制备工
-H-
O
【背景技术】
[0002]TiN涂层是最早开发出的氮化物涂层，因其具有较高的硬度、耐磨性和低的摩擦系数，至今仍广泛应用于刀具、工模具等应用领域。但TiN涂层的抗氧化性能和高温热稳定性能较差，当工作温度超过500 °(:时，涂层表面会形成一层低硬度的疏松T12膜，O2等有害介质可通过氧化膜中的孔隙进入涂层内，使涂层迅速失效。为解决这一问题，通常在TiN涂层中添加Al、Si等元素，利用这些元素的固溶强化或细化晶粒的作用提高涂层的抗高温氧化性能、耐蚀性能和硬度。Al原子在TiiiAlxN涂层中位于TiN相的晶格间隙中或替换Ti原子的位置，降低TiiiAlxN涂层的晶格常数，起到细化晶粒的作用。因而，TiiiAlxN涂层具有较高的硬度、耐磨性，耐蚀性和抗高温氧化性能。此外，Al2O3比T12具有更低的吉布斯自由能，在腐蚀环境下当材料中同时含有Al和Ti时，会优先形成Α?2θ3。由于Al2O3比T12具有更低的I3BR(Pilling-Bedworth rat1 of oxide)值，因而涂层表面生成AI2O3比生成Ti02产生更低的生长应力，氧化膜更加致密，且与涂层具有更好的结合力。TiiiAlxN涂层在高温下生成致密的T12和Al2O3复合膜，减少切削热传递到刀具，同时可以阻止腐蚀性介质如O2等扩散进入涂层内，防止涂层进一步氧化，延长涂层的使用寿命。
[0003]有研究表明:涂层中Al含量越高，涂层的抗高温氧化性能会更好一些。但是，Ti1-χΑΙχΝ涂层中X值高于0.65-0.70(具体某个值取决于沉积工艺参数)时，Al与N元素会形成低硬度的六方相A1N(12 GPa)，降低涂层的硬度、弹性模量等力学性能。为了防止hcp-AIN相形成，目前大多数研究者制备的TiiiAlxN涂层，X值小于0.6。为了进一步发挥有效元素Al的作用，本发明采用电弧离子镀技术在高速钢和硬质合金基片上制备了一种高Al含量的AlJiI—χΝ涂层(X=0.55-0.70) ο该涂层由面心立方体结构的(Al，Ti)Ν相组成，具有较高的硬度、抗高温氧化性能和耐蚀性能。该涂层特别适合应用于现代高速干切削加工领域，进一步提高刀具的使役寿命，减少切削液的使用，实现绿色制造。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种兼具高硬度、高耐蚀性和高热稳定性能的AlTiN涂层及其制备工艺。
[0005]本发明的技术方案为:
采用电弧离子镀技术在金属或硬质合金基体上沉积AlTiN涂层。为更好地调控涂层中Al和Ti元素的成分，分别采用纯Ti金属和纯Al金属作为革E材(纯度均为99.9 ?^.%)。4个纯Ti靶和4个纯Al靶相间地均匀分布在炉子的内腔周围，以保证沉积过程中炉腔内具有较高的等离子体浓度。在沉积AlTiN涂层之前，先开启Ti靶采用高的负偏压轰击清洗基体，之后降低偏压在基体表面沉积一层10?300nm厚的纯金属Ti层，以提高涂层与基体之间的结合力。随后，再开启纯Al靶沉积AlTiN涂层。沉积过程中，严格控制炉腔内的沉积压强、通入Ar和犯气体的流量和各个靶的电源功率，以制备出结构致密、高硬度、高韧性的纳米复合涂层AlTiN0
[0006]沉积参数:
将预处理后的基片放进镀膜室转架上，转架公转速度为5?20 r/min，靶基距约为150mm;采用机械栗和分子栗抽真空使真空室气压达到I X 10—3 Pa以下，打开加热系统将炉腔加热至200?500 °C;打开Ar气流量阀为50?150 sccm，调整真空室压强为0.1?2 Pa，基片加-600?1000V负偏压，开启4个纯Ti靶，靶材电流均为50?150A，对基体进行辉光放电清洗10~30min;随后调整负偏压至-50?200V，沉积纯Ti金属层约5?10 min;打开N2气流量阀50?150sccm，调整真空室压强为0.5?3 Pa，并控制N2/Ar比在0.5-1.5之间;开启4个纯Al靶，电流为50?150 A，沉积AlTiN涂层，时间为30?120 min。沉积时间的长短由所需要的涂层厚度决定。
[0007]该纳米复合AlTiN涂层可应用于各种金属及硬质合金基体;也可应用于陶瓷材料表面。
[0008]本发明的优点如下:
1.本发明研制的纳米复合AlTiN涂层具有较高的硬度和韧性，摩擦系数低，耐磨性能好。
[0009]2.本发明研制的纳米复合AlTiN涂层具有较高的高温热稳定性能和耐蚀性能，可用于高速干切削加工领域。
[0010]3.本发明研制的AlTiN涂层厚度均匀且结构致密，与基体具有良好的结合强度。
[0011]4.本发明研制的纳米复合AlTiN涂层制备工艺重复性好，应用范围广，具有非常强的实用性。
【附图说明】
[0012]图1为采用电弧离子镀技术制备的纳米复合AlTiN涂层的XRD衍射谱图。
[0013]图2为采用电弧离子镀技术制备的纳米复合AlTiN涂层的表面形貌图。
[0014]图3为采用电弧离子镀技术制备的纳米复合AlTiN涂层的截面形貌图。
[0015]图4为采用纳米压痕技术测试的纳米复合AlTiN涂层从表层到里层的硬度值变化曲线图。
[0016]图5为高速钢和纳米复合AlTiN涂层在3.5wt.% NaCl溶液中的电化学谱图。
【具体实施方式】
[0017]下面通过实例对本发明作进一步详细说明。
[0018]实施例1
本实施例为在经抛光处理的高速钢片上沉积Al TiN涂层，试样尺寸为25 X 30X1 mm。基片先后在丙酮、酒精和蒸馏水中各超声清洗20分钟，然后用高纯氮气吹干，再放置于真空室内正对革E材的试样架上，转架公转转速选为10 r/min，革E基距为150 mm。镀膜过程在AIP-650型电弧离子镀膜机上进行，靶材分别选用纯金属Ti和Al(纯度均为99.9 wt.%)，工作气体和反应气体分别选用高纯Ar和N2(纯度均为99.999%)。
[0019]先将真空室的本底真空抽至1.0X10—3 Pa以下；打开加热系统，升温至400 °C，然后在真空室内通入Ar气80 sccm至镀膜腔室内压强达到I Pa，加-700 V负偏压，开启4个纯Ti靶(靶电流选为70 A)对试样表面进行辉光放电清洗，放电清洗时间15 min;随后降低偏压至-100 V，先沉积金属Ti过渡层，沉积时间为10 min，通入反应气体N2(纯度99.999%)80sccm，保持氮气流量比N2/Ar为1，工作气压为2 Pa，同时开启4个Al靶，调节Al靶电流为80A，沉积纳米复合AlTiN涂层;镀膜时间持续60 min。
[0020]图1为本发明工艺下制备的纳米复合AlTiN涂层的XRD衍射谱图，可以看出AlTiN涂层由面心立方结构的(Al，Ti)N涂层组成，没有硬度低的六方相AlN生成。涂层的择优取向晶面为(111)方向。
[0021]图2为纳米复合AlTiN涂层的表面形貌图，涂层表现为典型电弧离子镀涂层特征，组织结构致密均匀，表面有少量的大颗粒生成。EDS测试涂层表面成分组成为30.58 at.%Al, 15.76 at.% Ti和53.66 at.% N。其中Al/(A1+Ti)原子百分比为0.65。
[0022]图3为纳米复合AlTiN涂层的截面形貌图，涂层的厚度约为2.8μπι，涂层与基体结合良好。
[0023]图4为采用纳米压痕技术测试的纳米复合AlTiN涂层从表层到里层的硬度值变化曲线图。随着纳米压痕探针的压入，测试涂层硬度值先快速增加，达到一个平台值，随后由于基底效应硬度逐渐降低。一般取平台值作为涂层的平均硬度值。由图可知，纳米复合AlTiN涂层的硬度约为33.9 GPa。
[0024]图5为高速钢和AlTiN涂层在3.5wt.% NaCl溶液中的电化学谱图。从图中可以看到，AlTiN涂层的容抗弧半径远远大于高速钢的容抗弧半径，表现出更好的耐蚀性能。这主要由于AlTiN涂层在腐蚀过程中能在涂层表面形成致密的Al2O3和T12复合氧化膜，阻止腐蚀性介质进一步扩散进入涂层和基体内。
[0025]实施例2
本实施例为在经抛光处理的硬质合金基片YG8上沉积AlTiN涂层，试样尺寸为25 X 25 X2 mm。基片先后在丙酮、酒精和蒸馏水中各超声清洗20 min，然后用高纯氮气吹干，再放置于真空室内正对革E材的试样架上，转架转速选为10 r/min，革E基距为150 mm。镀膜过程在AIP-650型电弧离子镀膜机上进行，靶材分别选用纯金属Ti和Al (纯度均为wt.99.9%)，工作气体和反应气体分别选用Ar和N2(纯度均为99.999%)。
[0026]先将真空室的本底真空抽至1.0X10—3 Pa以下。打开加热系统，升温至450 °C，然后在真空室内通入Ar气100 sccm至镀膜腔室内压强达到I Pa，加-800 V负偏压，开启4个纯Ti革[K革E电流选为60 A)对试样表面进行辉光放电清洗，放电清洗时间15 min;随后降低偏压至-100 V，先沉积金属Ti过渡层，沉积时间为10 min，通入反应气体N2(纯度99.999%)100sccm，保持N2/Ar流量比为1，工作气压为2 Pa，同时开启4个Al靶，调节Al靶电流为80 A，沉积纳米复合AlTiN涂层;镀膜时间持续60 min。
[0027]涂层的相组成和组织结构与实施案例I中AlTiN涂层相同，由面心立方结构的(Al，Ti )N涂层组成。EDS测试涂层表面元素成分为:28.35 at.% Al, 15.37 at.% Ti和56.28at.% 1其中六1/(六1+11)原子百分比为0.648。厚度约为2.7 口111，硬度高达35.3 GPa0
【主权项】
1.一种高Al含量的AlTiN涂层，其特征在于:AlTiN涂层与基体之间有一层10?300 nm厚的纯Ti金属层，以提高涂层与基体之间的结合力，涂层总的厚度为2?10 μπι。2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于:A1含量为25?35at.%, Ti含量为15?20at.%, N含量为45?55 at.%，其中Al/(A1+Ti)= 0.55?0.7。3.根据权利要求1所述的AlTiN涂层，其特征在于:所述AlTiN涂层为面心立方结构的(Al,T i)N相，涂层的衍射峰位于TiN和AlN相衍射峰的中间，但离AlN相衍射峰更近一些。4.根据权利要求1所述的AlTiN涂层的制备工艺，其特征在于:采用AIP-650型电弧离子镀膜仪在高速钢和硬质合金上沉积具有高硬度、高耐蚀性能的AlTiN涂层。5.按照权利要求2所述的AlTiN涂层的制备工艺，其特征在于:基体材料经过除油和干燥预处理后，放入正对革G材的转架上，转架可以同时自转和公转，公转速度为5?40 r/min，革巴基距约为150 mm。6.按照权利要求2所述的AlTiN涂层的制备工艺，其特征在于:采用机械栗和分子栗抽真空；当真空室气压优于I X 10—3 Pa时，打开加热系统将炉腔加热至200?500 °C。7.按照权利要求2所述的AlTiN涂层的制备工艺，其特征在于:真空室温度达到200?500弋后，打开Ar气流量阀，气流量为50?150 sccm，调整节流阀使真空室压强为0.1?2 Pa，基片加-600?1000 V负偏压，开启4个纯Ti靶，靶材电流均为50?150 A，对基体进行辉光溅射清洗10?30 min。8.按照权利要求2所述的AlTiN涂层的制备工艺，其特征在于:沉积纯Ti金属层，负偏压为-10?200 V，真空室压强为0.1?2 Pa，仅开启4个纯Ti靶，时间约5?20 min。9.按照权利要求2所述的AlTiN涂层的制备工艺，其特征在于:沉积AlTiN涂层时，NdPAr气流量为50?150 sccm，调整节流阀使真空室压强为0.5-3 Pa，控制N2/Ar比在0.5-1.5之间；同时开启4个纯Al靶和纯Ti靶，电流均为50?150 A，沉积AlTiN涂层，时间为30?120 min。
【文档编号】C23C14/06GK105908126SQ201610545111
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】范其香, 吴正环, 王铁钢, 刘艳梅, 李彤, 张涛
【申请人】天津职业技术师范大学