专利名称：一种含Ce-Y的A1-Ti-N多元复合涂层及其制备方法
技术领域：
本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种含Ce-Y的Al- Ti-N多元复合涂层及其制备 方法。
背景技术：
在金属切削刀具表面采用物理气相沉积的方法制备一层硬质涂层，可以大大提高刀具的 使用寿命，已经成为刀具制造不可缺少的工序。随着现代机械加工工业朝着高精度、高速切 削、干式切削技术以及降低成本等方向的发展，人们对涂层刀具提出了越来越高的要求。不 仅要求刀具涂层具有硬度高、摩擦系数小等基本性能，而且要有较强的高温抗氧化性能。通
常使用的氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)和碳氮化钛(TiCN)涂层等已经不能满足需求。目前，电弧 离子镀沉积的TiAlN涂层具有高的硬度、高耐磨性能、工件和涂层之间良好的结合能力而得 到广泛的应用，抗氧化温度可达到80(TC左右，但在高速切削和干式切削等应用领域仍不能
两足需要。
另外，由于电弧离子镀自身的特点，在沉积涂层的过程中存在"大颗粒"污染的问题。所 谓"大颗粒"，就是来自于电弧阴极弧斑在靶材表面滚动燃烧时不断产生的中性粒子团簇(或 者成为中性粒子流)，这些中性粒子团簇与等离子体一道喷发出来，飞落到正在沉积生长的涂 层表面而造成涂层表面的污染。过多含量的"大颗粒"会严重降低涂层的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，降低涂层中"大颗粒"的数量和尺寸，提高涂 层的抗剥落性和抗氧化温度，同时成膜速率增加，在相同沉积时间内涂层更厚，而提供一种
含Ce-Y的Al- Ti-N多元复合涂层及其制备方法。
实现上述发明目的，本发明采用的技术方案 一种含Ce-Y的Al-Ti-N多元复合涂层，包 括Ti-N、 Al-Ti-N涂层，在Ti-N、 Al-Ti-N涂层中至少有一层沉积有Ce-Y;
至少有一层沉积有Ce-Y的Ti-N、 Al- Ti-N涂层覆盖在工件上呈交替状，也就是一层Ti-N， 接着是一层A1-Ti-N交错覆盖在工件上，如此重复进行；
工件上多元复合涂层厚度为2 8pm;
形成多元复合涂层所采用靶材为Ti和Ti-Al，且靶材中Ce-Y重量百分比为0.5-3%;
所述Ti-Al靶中原子比为1: 2或1: 3;
一种含Ce-Y的Al- Ti-N多元复合涂层制备方法，按以下步骤进行
A、 将工件放入浓度为10%的乙醇或丙酮溶液中超声波清洗10 20min后，干燥；
B、 将上述处理后的工件放入真空室内的转盘上，关上真空室门，开启设备总开关和 旋转机构的开关，使冷却系统开始工作，转盘转动；
C、 开启真空系统，对真空室进行抽真空，真空室内压力达到6.0xl(^Pa;
D、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-900 -1100V，开启供气系统通向真空室
的输气管路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为1.0~2.0Pa，进行Ar离子 清洗10~20min;
E、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-800 -1000V，开启供气系统通向真空室 的输气管路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为1.0~5.0xl(r2Pa，开启钛 耙在工件上沉积钛涂层，电弧电流为40 60A，沉积时间为4 10min;
F、 打开金属蒸发源的电源，含Ce-Y重量百分比为0.5-3%的Ti靶和原子比为1: 2 或l: 3的Ti-Al靶蒸发并电离，并向真空室内输送N2气，使真空室内压力为0.1 5.0xl.0Pa， 进行含Ce-Y的TiN涂层和Al-Ti-N涂层沉积，电弧电流为40~60A，负偏压为-150 -400V， 沉积时间为30~100 min;
G、 关闭负偏压、金属蒸发源的电源和供气系统的电磁阀，当真空室内的温度低于IO(TC 时，向真空室内通入空气，打开真空室门，取出工件，得到含Ce-Y的Al-Ti-N多元复合涂层， 最后等待抽真空系统完全冷却后关闭电源和水源。
一种含Ce-Y的Al- Ti-N多元复合涂层制备方法，更具体步骤是
A、 将工件放入浓度为10%的丙酮溶液中超声波清洗15min后，用烘箱烘干；
B、 将上述处理后的工件放入真空室内的转盘上，关上真空室门，开启设备总开关和 旋转机构的开关，使冷却系统开始工作，转盘转动；
C、 开启真空系统，对真空室进行抽真空，真空室内压力达到6.0xl(^Pa;
D、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-900V，开启供气系统通向真空室的输气 管路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为l.OPa，进行Ar离子清洗10min;
E、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-800V，开启供气系统通向真空室的输气 管路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为1.0 5.0xl0—2Pa，开启钛靶在工 件上沉积钛涂层，电弧电流为40A，沉积时间为6min;
F、 打开金属蒸发源的电源，将含Ce-Y重量百分比为3。/。的Ti靶和原子比为1: 2的 Ti-Al靶蒸发并电离，并向真空室内输送N2气，使真空室内压力为0.1 5.0xl.0Pa，进行含Ce-Y 的TiN涂层和Al-Ti-N涂层沉积，电弧电流为60A，负偏压为-400V，沉积时间为30min;
G、 关闭负偏压、金属蒸发源的电源和供气系统的电磁阀，当真空室内的温度低于IOO'C 时，向真空室内通入空气，打开真空室门，取出工件，最后等待抽真空系统完全冷却后关闭 电源和水源。
由于Ce-Y和0亲和力较大，在薄膜表面或界面处优先形成结构致密的氧化物阻碍0的 向内扩散，从而降低Al-Ti-N系薄膜的氧化速度；同时，Ce和Y固溶在八1203中，提高了氧 化膜的粘附性，有利于降低氧化膜的生长应力，从而提高了涂层的抗剥落性和抗氧化温度的 能力，抗氧化温度提高到8 5 (TC。 Ce-Y稀土元素的加入提高了靶材的冶金质量，提高了涂 层的致密性，从图1和图2的对比中可直观看出降低了涂层中"大颗粒"的数量和尺寸，明显 的提高了涂层的显微硬度和与工件的结合力，显微硬度达到HVa52500以上，涂层与工件之 间结合力大于60N。稀土Ce和Y有一定的催镀效果，在相同时间内涂层沉积更厚，使成膜 速率增加，提高了生产效率。总之，Ce-Y的加入大大提高了工件(刀具、模具等工件)的硬
度、耐磨和高温抗氧化性能，使用寿命显著提高，使之能够适应高精度、高速切削、干式切
削等高难度加工领域。
图1为本发明涂层放大1000倍电镜照片。
图2为未加入Ce-Y的Al-Ti-N涂层放大1000倍电镜照片。
具体实施例方式
使用Al-Ti-N涂层体系，并在其中加入Ce-Y元素制备出Al-Ti-Ce-Y-N涂层，达到具有更 抗氧化能力和减少涂层中"大颗粒"含量的效果。本发明提出的多元复合涂层，是在刀具或摸 具工件表面上首先沉积一过渡金属钛涂层，然后依次沉积有n层含Ce-Y的TiN涂层和Al-Ti-N 涂层，上述结构中，多元复合涂层的总厚度一般为2~8nm，最佳的厚度为3 5nm。
本发明中采用的主要设备是公知的LD系列多弧离子镀膜机。该设备包括真空室、金属 蒸发源、抽真空系统、供气系统、旋转机构(包括电机和由电机驱动的转盘)和冷却系统、 控制系统等。 实施实例1:
A、 将工件放入浓度为10。/。的丙酮溶液中超声波清洗15min后，用烘箱烘干；
B、 将上述处理后的工件放入真空室内的转盘上，关上真空室门，开启设备总开关和旋 转机构的开关，使冷却系统开始工作，转盘转动；
C、 开启真空系统，对真空室进行抽真空，真空室内压力达到6.0xlO—Spa;
D、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-900V，开启供气系统通向真空室的输气管 路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为l.OPa，进行Ar离子清洗10min;
E、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-800V，开启供气系统通向真空室的输气管 路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为1.0 5.0xl(T2Pa，开启钛靶在工件 上沉积钛涂层，电弧电流为40A，沉积时间为6min;
F、 打开金属蒸发源的电源，将含重量百分比为3%的Ce-Y (Ce和Y各占一半)的Ti 靶和原子比为1: 2的Ti-Al靶蒸发并电离，并向真空室内输送N2气，使真空室内压力为 0.1 5.0xl.0Pa，进行含Ce-Y的TiN涂层和Al-Ti-N涂层沉积，电弧电流为60A，负偏压为-400V， 沉积时间为30min;
G、 关闭负偏压、金属蒸发源的电源和供气系统的电磁阀，当真空室内的温度低于10(TC 时，向真空室内通入空气，打开真空室门，取出工件，最后等待抽真空系统完全冷却后关闭 电源和水源。
通过以上实验参数得到厚度在2pm，显微硬度HVQ.52600，结合力为65N，抗氧化温度达 到8 5 (TC的组织均匀、表面光滑、致密的含Ce-Y的Al-Ti-N多元复合涂层。 实施实例2:
A、 将工件放入浓度为10。/。的乙醇溶液中超声波清洗15min后，用烘箱烘干；
B、 将上述处理后的工件放入真空室内的转盘上，关上真空室门。开启设备总开关和旋 转机构的开关，使冷却系统开始工作，转盘转动；
C、 开启真空系统，对真空室进行抽真空，真空室内压力达到6.0xl(^Pa;
D、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-1000V，开启供气系统通向真空室的输气 管路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为l.OPa，进行Ar离子清洗10min;
E、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-800V，开启供气系统通向真空室的输气管 路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为1.0 5.0xlO,a，开启钛靶在工件 上沉积钛涂层，电弧电流为40A，沉积时间为6min;
F、 打开金属蒸发源的电源，将含重量百分比为2%的Ce-Y (Ce和Y各占一半)的Ti 靶和原子比为1: 3的Ti-Al靶蒸发并电离，并向真空室内输送N2气，使真空室内压力为 0.1 5.0xl.0Pa，进行含Ce-Y的TiN涂层和Al-Ti-N涂层沉积，电弧电流为50A，负偏压为-300V， 沉积时间为60 min;
G、关闭负偏压、金属蒸发源的电源和供气系统的电磁阀，当真空室内的温度低于IO(TC 时，向真空室内通入空气，打开真空室门，取出工件，最后等待抽真空系统完全冷却后关闭 电源和水源。
通过以上实验参数得到厚度在4pm，显微硬度HVo.52700，结合力为68N，抗氧化温度达 到8 5 (TC的组织均匀、表面光滑、致密的含Ce-Y的Al-Ti-N多元复合涂层。 实施实例3:
A、 将工件放入浓度为10。/。的乙醇溶液中超声波清洗15min后，用烘箱烘干；
B、 将上述处理后的工件放入真空室内的转盘上，关上真空室门。开启设备总开关和旋 转机构的开关，使冷却系统开始工作，转盘转动；
C、 开启真空系统，对真空室进行抽真空，真空室内压力达到6.0xl(^Pa;
D、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-1000V，开启供气系统通向真空室的输气 管路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为l.OPa，进行Ar离子清洗10min;
E、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-800V，开启供气系统通向真空室的输气管 路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为1.0~5.0xl(T2Pa，开启钛耙在工件 上沉积钛涂层，电弧电流为40A，沉积时间为6min;
F、 打开金属蒸发源的电源，将纯Ti靶和含有重量百分比为0.5n/。的Ce-Y (Ce和Y各占 一半)的Ti-Al ( Ti和Al原子比为l: 3)靶蒸发并电离，并向真空室内输送N2气，使真空 室内压力为0.1 5.0xl.0Pa，进行含Ce-Y的TiN涂层和Al-Ti-N涂层沉积，电弧电流为50A， 负偏压为-300V，沉积时间为80min;
G、 关闭负偏压、金属蒸发源的电源和供气系统的电磁阀，当真空室内的温度低于10(TC 时，向真空室内通入空气，打开真空室门，取出工件，最后等待抽真空系统完全冷却后关闭 电源和水源。
通过以上实验参数得到厚度在5pm，显微硬度HVo.52800，结合力为70N，抗氧化温度达 到8 5 0 'C的组织均匀、表面光滑、致密的含Ce-Y的Al- Ti-N多元复合涂层。 本说明书中未作详细描述之内容为本领域专业技术人员公知现有技术。
权利要求
1、一种含Ce-Y的Al-Ti-N多元复合涂层，包括Ti-N、Al-Ti-N涂层，其特征是在Ti-N、Al-Ti-N涂层中至少有一层沉积有Ce-Y。
2、 根据权利要求1所述一种含Ce-Y的Al- Ti-N多元复合涂层，其特征是至少有一层 沉积有Ce-Y的Ti-N、 Al- Ti-N涂层覆盖在工件上呈交替状。
3、 根据权利要求1或2所述一种含Ce-Y的Al- Ti-N多元复合涂层，其特征是工件上 多元复合涂层厚度为2 8pm。
4、 根据权利要求l或2所述一种含Ce-Y的Al-Ti-N多元复合涂层，其特征是形成多 元复合涂层所采用靶材为Ti和Ti-Al，且靶材中Ce-Y重量百分比为0.5—3%。
5、 根据权利要求4所述一种含Ce-Y的Al- Ti-N多元复合涂层，其特征是Ti -A1靶中 原子比为1: 2或1: 3。
6、 一种含Ce-Y的Al-Ti-N多元复合涂层制备方法，其特征是按以下步骤进行A、 将工件放入浓度为10%的乙醇或丙酮溶液中超声波清洗10 20min后，干燥；B、 将上述处理后的工件放入真空室内的转盘上，关上真空室门，开启设备总开关和 旋转机构的开关，使冷却系统开始工作，转盘转动；C、 开启真空系统，对真空室进行抽真空，真空室内压力达到6.0x10—3Pa;D、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-900 -1100V，开启供气系统通向真空室 的输气管路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为1.0 2.0Pa,进行Ar离子 清洗10 20min;E、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-800 -1000V，开启供气系统通向真空室 的输气管路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为1.0~5.0xl(T2Pa，开启钛 靶在工件上沉积钛涂层，电弧电流为40 60A，沉积时间为4 10min;F、 打开金属蒸发源的电源，含Ce-Y重量百分比为0.5--3%的Ti靶和原子比为1: 2 或l: 3的Ti-Al靶蒸发并电离，并向真空室内输送N2气，使真空室内压力为0.1 5.0xl.0Pa， 进行含Ce-Y的TiN涂层和Al-Ti-N涂层沉积，电弧电流为40 60A，负偏压为-150 -400V， 沉积时间为30 100 min;G、 关闭负偏压、金属蒸发源的电源和供气系统的电磁阀，当真空室内的温度低于100°C 时，向真空室内通入空气，打开真空室门，取出工件，得到含Ce-Y的Al-Ti-N多元复合涂层， 最后等待抽真空系统完全冷却后关闭电源和水源。
7、 根据权利要求6所述一种含Ce-Y的Al-Ti-N多元复合涂层制备方法，其特征是按以 下更具体步骤进行A、 将工件放入浓度为10n/。的丙酮溶液中超声波清洗15min后，用烘箱烘干；B、 将上述处理后的工件放入真空室内的转盘上，关上真空室门，开启设备总开关和 旋转机构的开关，使冷却系统开始工作，转盘转动；C、 开启真空系统，对真空室进行抽真空，真空室内压力达到6.0xl0—spa;D、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-900V，开启供气系统通向真空室的输气 管路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为l.OPa，进行Ar离子清洗10min;E、 打开负偏压电源，对工件施加负偏压达到-800V，开启供气系统通向真空室的输气 管路上的电磁阀，向真空室内输送Ar气，使真空室内压力为1.0 5.0xlO々Pa，开启钛靶在工 件上沉积钛涂层，电弧电流为40A，沉积时间为6min;F、 打开金属蒸发源的电源，将含Ce-Y重量百分比为3。/。的Ti靶和原子比为h 2的 Ti-Al靶蒸发并电离，并向真空室内输送N2气，使真空室内压力为0.1 5.0xl.0Pa，进行含Ce-Y 的TiN涂层和Al-Ti-N涂层沉积，电弧电流为60A，负偏压为-400V，沉积时间为30min;G、 关闭负偏压、金属蒸发源的电源和供气系统的电磁阀，当真空室内的温度低于IO(TC 时，向真空室内通入空气，打开真空室门，取出工件，最后等待抽真空系统完全冷却后关闭 电源和水源。
全文摘要
本发明属于超硬材料技术领域，为了降低涂层中“大颗粒”的数量和尺寸，提高涂层的抗剥落性和抗氧化温度，同时成膜速率增加，提供一种含Ce-Y的Al-Ti-N多元复合涂层及其制备方法。本发明采取在Ti-N、Al-Ti-N涂层中至少有一层沉积有Ce-Y，同时在制备方法上采取含Ce-Y重量百分比为0.5-3％的Ti靶和原子比为1∶2或1∶3的Ti-Al靶蒸发并电离，并向真空室内输送N<sub>2</sub>气，进行含Ce-Y的TiN涂层和Al-Ti-N涂层沉积技术方案，大大提高工件的硬度、耐磨和高温抗氧化性，使用寿命显著提高，使之能适应高精度、高速切削、干式切削等加工领域。
文档编号C23C14/54GK101353776SQ20081010718
公开日2009年1月28日 申请日期2008年8月8日 优先权日2008年8月8日
发明者刘海浪, 王宝建, 羊建高, 颢 陈 申请人:崇义章源钨业股份有限公司;江西理工大学