一种阻止Ag在TiAlN涂层中高温晶界扩散的方法
【专利摘要】一种阻止Ag在TiAlN涂层中高温晶界扩散的方法，所述方法为在磁控溅射沉积TiAlN-Ag复合涂层时，采用单独的Si靶和磁控溅射技术，向TiAlN-Ag涂层中添加Si3N4组元，使其存在于TiAlN的晶界上，构成TiAlN-Ag/Si3N4涂层；TiAlN-Ag/Si3N4涂层中Ag含量在1-10at%，Si含量在8-10at%；本发明可使Ag在200-800oC的高温扩散被明显的抑制，可明显阻止Ag通过TiAlN的晶界向涂层表面扩散，在200-800oC高温磨损试验中，可使TiAlN-Ag涂层的磨损时间提高3倍以上，另外，该方法改善的TiAlN-Ag耐磨减磨涂层制备方法简单，可广泛应用。
【专利说明】—种阻止Ag在TiAIN涂层中高温晶界扩散的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种阻止Ag在TiAlN涂层中高温晶界扩散的方法。
【背景技术】
[0002]我国现在已成为能源消耗大国，摩擦磨损是造成高能耗的一个主要原因。2006年全国消耗在摩擦磨损方面的资金高达9500亿元。润滑是减少摩擦磨损、降低能耗的最为有效的措施之一。20世纪60年代问世的硬质涂层技术使刀具材料出现了一次重大变革。
[0003]近几年来，硬质涂层技术受到了越来越多的关注和研究，向硬质涂层中，加入贵金属元素，如Au、Ag,或者加入在高温下能形成具有润滑作用的氧化物形成元素，如W、Mo、V等，在室温和中温条件下能够降低硬质涂层的摩擦系数，提高涂层的耐磨性能。在TiAlN涂层中，添加Ag元素，当Ag含量在5-10 at%时，可显著降低TiAlN在200_400°C的摩擦系数，提高TiAlN涂层的耐磨性能。但是，Ag元素的熔点比较低，在TiAlN涂层中以晶粒形式存在，TiAlN-Ag涂层在300°C以上温度长期作业时，Ag元素很容易通过TiAlN涂层的晶界，扩散到涂层的表面，使TiAlN-Ag涂层内部产生缺陷，使涂层力学性能恶化，最终导致TiAlN-Ag涂层剥落，耐磨性下降。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供了一种阻止Ag在TiAlN涂层中高温晶界扩散的方法，它具有提高TiAlN-Ag涂层耐磨性能，改善TiAlN-Ag涂层制备方法的优点。
[0005]本发明是这样来实现的，由于非晶Si3N4相具有高温稳定性，与TiAlN相互不相容，且优先沉积在TiAlN晶粒的晶界上的特性，采用TiAlSiAg靶和Si靶双靶共同反应磁控溅射技术，制备TiAlN-Ag/Si3N4复合涂层，通过调节靶材成分和TiAlSiAg靶、Si靶的功率，使得涂层中Ag含量为l-10at%，Si含量为8-10at%，且Si以非晶Si3N4相存在于TiAlN晶粒的晶界上，阻碍Ag在高温通过TiAlN的晶界进行扩散。
[0006]本发明的技术效果是:本发明制备的TiAlN_Ag/Si3N4复合涂层，当Ag含量为l-10at%, Si含量为8-10&七％时，非晶Si3N4相占据了 TiAlN晶粒的大部分晶界，使Ag在200-800°C的高温扩散被明显的抑制，可明显阻止Ag通过TiAlN的晶界向涂层表面扩散，在200-800°C高温磨损试验中，可使TiAlN-Ag涂层的磨损时间提高3倍以上，另外，该方法改善的TiAlN-Ag耐磨减磨涂层制备方法简单,可广泛应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为本发明TiAlN_Ag/Si3N4涂层沉积过程示意图。
[0008]图2为本发明TiAlN_Ag/Si3N4复合涂层结构示意图。
【具体实施方式】 [0009]下面结合实施例和附图对本发明做详细阐述:实施例一、在高速钢W6Mo5Cr4V2上制备具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN_Ag/Si3N4涂层，其具体的制备工艺如下:
I)前处理。将W6Mo5Cr4V2高速钢钢板切割成20mmX20mmX3mm的试样，试样的中上部钻直径为3_的通孔，试样经粗磨、细磨和抛光处理，使其表面粗糙度小于0.5微米；
2)双靶共溅制备TiAlN-Ag/Si3N4涂层的工艺参数和技术条件如下=N2分压0.5Pa，Ar分压0.25Pa，温度150°C，时间是200min，偏压-100V，占空比30%，采用粉末冶金的方法制备TiAlAg 靶，其成分:Ti:48at%, Al:45at%, Ag 7at%，靶材尺寸:直径 100mm，厚度:10mm，溅射功率:350W，供电方式:恒流，采用粉末冶金的方法制备Si靶，粉末纯度:大于99at%，靶材尺寸:直径100mm，厚度:5mm，溅射功率:70W，供电方式:直流，试样转架自转速率:30转/分钟，其TiAlN-Ag/Si3N4涂层沉积过程如附图1 ;
这样，获得的具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN-Ag/Si3N4涂层的结构如附图2，其成分含量分别为 Ti:25at%, Al:22at%, Ag:8at%, Si:9at%, N:36at% ;并且通过实验测试，TiAlN-Ag/Si3N4涂层在200-800°C高温磨损试验中，可使TiAlN-Ag涂层的磨损时间提高4倍左右。
[0010]实施例二、在高速钢W6Mo5Cr4V2上制备具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN-Ag/Si3N4涂层，其具体的制备工艺如下:
I)前处理。将W6Mo5Cr4V2高速钢钢板切割成20mmX20mmX3mm的试样，试样的中上部钻直径为3_的通孔，试样经粗磨、细磨和抛光处理，使其表面粗糙度小于0.5微米；
2)双靶共溅制备TiAlN-Ag/Si3N4涂层的工艺参数和技术条件如下=N2分压0.5Pa，Ar分压0.25Pa，温度150°C，时间是200min，偏压-100V，占空比30%，采用粉末冶金的方法制备TiAlAg 祀，其成分:Ti:46at%, Al:44at%, Ag 10at%,祀材尺寸:直径 100mm,厚度:10mm,派射功率:350W，供电方式:恒流，采用粉末冶金的方法制备Si靶，粉末纯度:大于99at%，靶材尺寸:直径100mm，厚度:5mm，溅射功率`:90W，供电方式:直流，试样转架自转速率:30转/分钟，其TiAlN-Ag/Si3N4涂层沉积过程如附图1 ;
这样，获得的具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN-Ag/Si3N4涂层的结构如附图2，其成分含量分别为 Ti:24at%, Al:22at%, Ag:10at%, Si:10at%, N:34at% ;并且通过实验测试，TiAlN-Ag/Si3N4涂层在200-800°C高温磨损试验中，可使TiAlN-Ag涂层的磨损时间提高5倍左右。
[0011]
实施例三、在高速钢W6Mo5Cr4V2上制备具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN_Ag/Si3N4涂层，其具体的制备工艺如下:
I)前处理。将W6Mo5Cr4V2高速钢钢板切割成20mmX20mmX3mm的试样，试样的中上部钻直径为3_的通孔，试样经粗磨、细磨和抛光处理，使其表面粗糙度小于0.5微米；
2)双靶共溅制备TiAlN-Ag/Si3N4涂层的工艺参数和技术条件如下=N2分压0.5Pa，Ar分压0.25Pa，温度150°C，时间是200min，偏压-100V，占空比30%，采用粉末冶金的方法制备TiAlAg 祀,其成分:Ti:49at%, Al: 50at%, Ag lat%,祀材尺寸:直径 100mm,厚度:10mm,派射功率:300W，供电方式:恒流，采用粉末冶金的方法制备Si靶，粉末纯度:大于99at%，靶材尺寸:直径100mm，厚度:5mm，溅射功率:70W，供电方式:直流，试样转架自转速率:30转/分钟，其TiAlN-Ag/Si3N4涂层沉积过程如附图1 ;这样，获得的具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN-Ag/Si3N4涂层的结构如附图2，其成分含量分别为 Ti:25at%, Al:23at%, Ag:lat%, Si:8at%, N:43at% ;并且通过实验测试，TiAlN-Ag/Si3N4涂层在200-800 °C高温磨损试验中，可使TiAlN-Ag涂层的磨损时间提高3
倍左右。
【权利要求】
1.一种阻止Ag在TiAlN涂层中高温晶界扩散的方法，其特征在于所述方法为在磁控溅射沉积TiAlN-Ag复合涂层时，采用单独的Si靶和磁控溅射技术，向TiAlN-Ag涂层中添加Si3N4组元，使其存在于TiAlN的晶界上，构成TiAlN-Ag/Si3N4涂层。
2.根据权利要求1所述一种阻止Ag在TiAlN涂层中高温晶界扩散的方法，其特征在于所述的TiA lN-Ag/Si3N4涂层中Ag含量在l-10at%，Si含量在8_10at%。
【文档编号】C23C14/06GK103774103SQ201210413826
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年10月26日 优先权日:2012年10月26日
【发明者】冯长杰, 李明升, 江鸢飞, 胡弦, 周雅, 杜楠 申请人:南昌航空大学