专利名称：一种超厚超硬涂层及其制备方法
技术领域：
本发明属于涂层材料制备领域，具体涉及一种超厚超硬TiAlSiCN涂层及其制备方法。
背景技术：
超硬涂层是指硬度> 40GPa的一类涂层材料，目前在机械切削刀具、成型模具加工和各种零部件的表面耐磨损及抗氧化性能强化上应用广泛。近年来采用气相沉积技术制备20微米以上的超厚超硬涂层，以代替等离子体喷涂的陶瓷涂层或电镀的金属涂层，正成为超硬涂层领域的研究热点。采用气相沉积技术制备的这种超厚超硬涂层具有膜层微观结构致密、硬度高、耐磨损、抗腐蚀(含抗冲蚀)、抗氧化及强韧性协调好等优点，在航空、航天、机械、化工及能源电力等领域的许多产品关键零部件表面强化，提高其使用寿命和安全性上具有巨大的应用潜力。例如，法国幻影机的一、二级压气机叶片上沉积TiN超厚涂层，使 用1600小时仍保持完好，俄罗斯已将TiN超厚涂层成功应用于米-24、米-28直升机发动机引擎螺旋浆叶片及转子叶片的冲蚀防护，美国在直升机压气机叶片上沉积的纳米复合超硬TiSiCN涂层的厚度已达560微米，显著提高了叶片的抗磨损和抗冲蚀能力。目前传统的气相沉积技术只能制备厚度10微米以下的超硬涂层，主要原因是涂层制备过程中残余应力大，膜基结合性能差，涂层在早期使用过程中容易剥落失效。因此，许多研究者正通过各种技术措施和工艺参数优化降低涂层应力，提高涂层的结合力。超硬耐磨涂层成分优化设计上，目前国内外研究者正在开发各种多元超硬涂层，特别是以TiN为基础掺入其它金属或非金属元素，形成多元涂层材料是主要的发展方向。多元超硬涂层可以进一步提高涂层材料的硬度、耐磨性、减摩性、抗氧化性以及抗腐蚀性等，如TiN涂层中加入Si元素形成纳米复合结构的TiSiN涂层，可以使涂层硬度提高到40GPa以上。又如在TiN涂层中加入Al元素形成TiAlN涂层，由于Al元素自身抗氧化性能优异，可使TiAlN涂层在使用过程中的抗高温氧化性能明显提高。目前TiAlN涂层的最高工作温度可以达到850°C。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超厚超硬涂层及其制备方法。为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案—种超厚超硬涂层，包括沉积于基体表面的Ti底层、制备于Ti底层上的TiN过渡层以及制备于TiN过渡层上的TiAlSiCN涂层，Ti底层以及TiN过渡层可以保证涂层具有良好的结合力，该超厚超硬涂层的厚度(Ti底层、TiN过渡层以及TiAlSiCN涂层三者的总厚度)^ 20微米。所述超厚超硬涂层的Ti源为柱型电弧Ti靶，Si、Al和C的来源为相应的平面磁控溅射Si靶、Al靶和C靶，采用Ar作为离化气体，N的来源为用作反应气体的N2。通过工艺参数的合理优化，以及底层和过渡层结构的巧妙设计，保证涂层形成过程中产生的残余应力很小，在Ti底层和TiN过渡层上沉积形成超厚超硬的TiAlSiCN涂层。上述超厚超硬涂层的制备方法，包括以下步骤I)将预处理后的基体放入真空室，开始抽真空并加热到200°C，当真空室气压达到6Pa时，开偏压到-1000V对真空室进行轰击清洗，持续30min ;然后开柱型电弧Ti靶，柱弧电流为100A，利用电弧进一步对真空室轰击清洗，持续5min ；2)经过步骤I)后，向真空室通入Ar，通过调节Ar流量将真空室气压调至O. 3Pa，然后开启柱型电弧Ti靶，柱弧电流为100A，调整偏压到-200V，持续lOmin，在基体上制备约O. 5微米厚的Ti底层； 3)向真空室通入流量为lOmL/min的N2，持续20min，在Ti底层上制备约I微米厚的TiN过渡层；4)将偏压调整为-100V，N2流量调整为15mL/min，柱弧电流为100A，打开平面磁控溅射Si靶、Al靶和C靶的控制电源，逐渐将Si靶、Al靶和C靶的电源功率分别调至lkW、8kW和3. 5kW，调节Ar流量将真空室气压保持在O. 7Pa，在TiN过渡层上制备TiAlSiCN超厚超硬涂层，镀膜过程中真空室温度为200°C，持续时间为16小时。所述基体置于真空室内的转架杆上，转架杆随真空室内的转台架转动，转架杆也可以自转。所述预处理的方法为对基体进行表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，然后酒精脱水。本发明所述超厚超硬涂层的制备方法的主要创新之处是在TiAlSiCN涂层与基体之间制备有Ti底层、TiN过渡层等结构层，解决了传统方法制备硬质涂层的结合力随涂层厚度增加而下降的缺点，显著的提高了基体对TiAlSiCN涂层的结合力，结合力的提高使制备于基体上的TiAlSiCN涂层的厚度显著提高；本发明在TiN涂层中加入Si、C、Al元素，形成五元成分的TiAlSiCN涂层材料，使涂层材料的硬度、耐磨性、减摩性、抗高温氧化以及抗腐蚀性能进一步提闻。进一步的，本发明依据电弧离子镀涂层生长速度快、膜基结合力好，以及磁控溅射离子镀涂层组织致密等优点，采用电弧增强磁控溅射镀膜技术，通过工艺参数的合理优化，使涂层形成过程中产生的残余应力降低，并结合涂层成分优化及底层、过渡层结构的巧妙设计，制备得到TiAlSiCN超厚超硬涂层。采用本发明的方法制备的超厚超硬涂层，经测定其 TiAlSiCN 涂层成分为 Ti 13. 96at. %, Al 23. 85at. %, Si 8. 03at. %, C 13. 83at. %, N 40. 33at. %，涂层硬度达到42GPa，结合力40N，涂层总厚度为22. 17微米。本发明制备的TiAlSiCN超厚超硬涂层，有望在航空、航天、机械、化工、能源电力等领域获得广泛应用。
图I为电弧增强磁控溅射镀膜设备结构示意图；图2为本发明制备的超厚超硬涂层的纵截面扫描电镜微观结构形貌。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明采用电弧增强磁控溅射离子镀技术制备TiAlSiCN超厚超硬涂层材料。本实施例给出一种在高速钢基体上制备TiAlSiCN超厚超硬涂层的方法，需要说明的是，本发明的方法制备的TiAlSiCN超厚超硬涂层，可以在任何钢制基体材料上进行，不限于该实施例。本实施例的具体制备过程是(I)基体预处理采用经1170°C淬火，550°C回火后的硬度为HRC=60的高速钢基体(W18Cr4V)作为样品，样品经表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，然后酒精脱水；(2)将预处理好的基体材料放入电弧增强磁控溅射镀膜设备中。如图I所示，电弧增强磁控溅射镀膜设备至少包括真空室I、转台架2、偏压3、转架杆4、平面Si靶、平面Al 靶和平面C靶5、永磁体6、柱弧Ti靶7、加热器8、泵组9，样品置于转架杆4上，转架杆4可以随转台架2转动，也可以自转，这样就避免了涂层只能单面镀以及镀膜不均的问题，保证了镀膜过程的均匀性；(3)采用Φ60Χ495πιπι柱弧Ti靶7作为Ti源，有效提高膜基结合力，通过柱弧电源电流控制柱弧Ti靶7的溅射率；靶材采用尺寸为435 X 95 X IOmm的平面Si靶、435 X 95 X IOmm的平面Al靶和435 X 95 X IOmm的平面C靶作为相应元素的来源，如图I所示，采用平面对靶的方式将平面Si靶、Al靶和C靶安置在炉体内壁上，并通过调整中频脉冲电源的功率控制上述平面Si靶、Al靶和C靶的溅射率；采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯N2作为反应气体，使其离化并与各靶中的Ti、Si、Al、C元素结合，在高速钢基体表面沉积形成TiAlSiCN涂层；(4)电弧增强磁控溅射离子镀制备TiAlSiCN超厚超硬涂层的优化工艺条件为基体放入真空室后，开始抽真空并加热到200°C，当真空室气压达到6Pa时，开偏压到-1000V对真空室进行轰击清洗，持续30min ;然后开柱弧Ti靶，柱弧电流为100A，利用电弧进一步对真空室轰击清洗，持续5min ；然后向真空室通入Ar，通过调节Ar流量将真空室气压调至O. 3Pa，然后开启柱弧Ti靶，柱弧电流为100A，调整偏压到-200V，持续lOmin，在基体上制备约O. 5微米的Ti底层；然后向真空室通入流量为lOmL/min的N2,持续20min，在Ti底层上制备约I微米的TiN过渡层；然后将偏压调整为-100V，N2流量调整为15mL/min，柱弧Ti靶电流为100A，打开Si靶、Al靶和C靶的控制电源，逐渐将Si靶、Al靶和C靶的电源功率分别调至lkW、8kW和3. 5kW，调节Ar流量将真空室气压保持在O. 7Pa，在TiN过渡层上进行TiAlSiCN超厚超硬涂层制备，镀膜过程中真空室温度为200°C，持续时间16小时。在上述工艺条件下，即可获得五元成分的TiAlSiCN超厚超硬涂层。经测定TiAlSiCN 涂层的成分为 Ti : 13. 96at. %，Al :23. 85at. %，Si :8. 03at. %，C 13. 83at. %，N 40. 33at. %，硬度达到42GPa，结合力40N。涂层纵截面的扫描电镜微观结构形貌如图2所示，可以看出，膜层结构致密，设计制备的底层和过渡层明显，涂层总厚度22. 17微米。
权利要求
1.一种超厚超硬涂层，其特征在于包括沉积于基体表面的Ti底层、制备于Ti底层上的TiN过渡层以及制备于TiN过渡层上的TiAlSiCN涂层，该超厚超硬涂层的厚度> 20微米。
2.根据权利要求I所述一种超厚超硬涂层，其特征在于所述超厚超硬涂层的Ti源为柱型电弧Ti IE, Si、Al和C的来源为相应的平面磁控溅射Si靶、Al靶和C IE, N的来源为用作反应气体的N2。
3.一种制备如权利要求I所述超厚超硬涂层的方法，其特征在于包括以下步骤 1)将预处理后的基体放入真空室,开始抽真空并加热到200°C，当真空室气压达到6Pa时，开偏压到-1000V对真空室进行轰击清洗，持续30min ;然后开柱型电弧Ti祀，柱弧电流为100A，利用电弧进一步对真空室轰击清洗，持续5min ； 2)经过步骤I)后，向真空室通入Ar，通过调节Ar流量将真空室气压调至0.3Pa，然后开启柱型电弧Ti靶，柱弧电流为100A，调整偏压到-200V，持续lOmin，在基体上制备0. 5微米厚的Ti底层； 3)向真空室通入流量为lOmL/min的N2，持续20min，在Ti底层上制备I微米厚的TiN过渡层； 4)将偏压调整为-100V，N2流量调整为15mL/min，柱弧电流为100A，打开平面磁控溅射Si靶、Al靶和C靶的控制电源，逐渐将Si靶、Al靶和C靶的电源功率分别调至lkW、8kW和3. 5kW，调节Ar流量将真空室气压保持在0. 7Pa，在TiN过渡层上制备TiAlSiCN超厚超硬涂层，镀膜过程中真空室温度为200°C，持续时间为16小时。
4.根据权利要求3所述一种制备超厚超硬涂层的方法，其特征在于所述基体置于真空室内的转架杆上，转架杆随真空室内的转台架转动，转架杆也可以自转。
5.根据权利要求3所述一种制备超厚超硬涂层的方法，其特征在于所述预处理的方法为对基体进行表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，然后酒精脱水。
全文摘要
本发明提供一种超厚超硬涂层及其制备方法，包括沉积于基体表面的Ti底层、制备于Ti底层上的TiN过渡层以及制备于TiN过渡层上的TiAlSiCN涂层，该超厚超硬涂层的厚度≥20微米，制备时以柱型电弧Ti靶作为Ti源，以平面磁控溅射Si靶、Al靶和C靶作为相应的Si、Al和C的来源，采用Ar作为离化气体，采用N2作为反应气体，本发明显著的提高了基体对TiAlSiCN涂层的结合力，使制备于基体上的TiAlSiCN涂层的厚度显著提高；本发明在TiN涂层中加入Si、C、Al元素，形成五元成分的TiAlSiCN涂层材料，使涂层材料的硬度、耐磨性、减摩性、抗高温氧化以及抗腐蚀性能进一步提高。
文档编号C23C14/35GK102756514SQ20121024922
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者徐可为, 李泽宇, 马胜利 申请人:西安交通大学