一种TiAlSiN-AlTiN复合涂层及制备工艺的制作方法

本发明属于涂层材料制备领域，进一步涉及一种TiAlSiN-AlTiN复合涂层及制备工艺。

背景技术：

近年来，刀具切削技术正向高速(100米/分钟)干式切削方向发展，而干式切削是一种在加工过程中不使用切削液的加工方法。干切削不是简单地停止使用切削液，而是要在停止使用切削液的同时，保证高加工效率、高产品产量、高的刀具耐用度以及切削过程的可靠性，这就需要使用高硬度性能优良的干切削刀具。

硬质涂层具有高硬度、抗氧化、耐磨损等优异性功能，在刀具模具极其机械耐磨件上具有广泛的应用前景。过去的二十多年中，以过渡族金属的氮化物和碳化物(如TiC、CrN、TiN等)为代表的两元或三元组分的硬质涂层一直应用于工具模具表面的涂覆处理，显著提高了工具模具的加工效率和使用寿命。

当前，以数控机床为基础的先进制造技术正向高速干切削方向发展，此时刀具涂层需要保证刀具在高速干切削条件下，仍然具有良好的红硬性、耐磨性和抗氧化性能。因此，TiN、TiC、CrN等传统硬质涂层已无法满足道具的使用要求，于是开发高性能硬质涂层就成为改善高速切削刀具的使用寿命和生产效率的急需攻克的技术难题。在此背景下，新的复合涂层的研究应运而生。而本发明对TiAlSiN-AlTiN、单层CrAlN、CrAlN-TiAlSiN-AlTiN、CrAlN-TiAlSiN等高速钢涂层进行了加工和对比研究，得到TiAlSiN-AlTiN复合涂层硬度最大约24.5GPa且综合性能最佳的结论。

复合超硬涂层制备方法先进主要分为三类，一是磁控溅射沉积技术，磁控溅射的特点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜。但磁控溅射的主要缺点是涂层结合强度不高，沉积速率较慢，靶材利用率不高，难以满足严酷服役条件下的工件表面强化要求；二是电弧离子镀沉积技术，电弧离子镀具有离子能量高、离化率高、模层致密和附着性强等优点。但电弧离子镀涂层中易含有显微喷溅颗粒，不仅影响表面粗糙度，还会破坏涂层的连续性，此外偏压对基体温度影响显著也限制了该技术的应用范围；三是以脉冲直流PCVD为代表的等离子体辅助化学气相沉积，该方法建立在化学气相沉积的基础上，因此，涂层具有较高的结合强度和良好的综合使用性能，但主要不足是沉积温度较高，涂层中的CI含量无法完全消除而影响涂层腐蚀性能和力学性能，但目前该技术主要应用在硬质合金基体的刀具和模具上。

如上所述，现行的涂层制备方法存在种种缺点。针对这种问题，申请人采用电弧与磁控溅射复活镀膜技术，通过电弧离子镀预先在基体表面镀上一层TiN过渡层，显著提高镀层与基体的结合强度，再采用磁控溅射方式形成TiAlSiN-AlTiN复合涂层。该方法既提高了镀层结合度，又保证了沉积速度、涂层致密性和硬度。

技术实现要素：

基于上述传统硬质涂层性能的不足，以及现有复合超硬涂层制备技术的缺点，本发明的目的在于，提供一种高硬度性能优异的TiAlSiN-AlTiN复合超硬涂层制备的新方法，该方法制备的TiAlSiN-AlTiN复合涂层材料，应用于高速切削工具和高温使用的模具表面涂覆处理后，有望显著提高他们的使用寿命和加工效率。

为了达到上述目的，本发明采取如下解决方案：

一种高硬度的复合TiAlSiN-AlTiN涂层制备方法，该方法包括下列步骤：

1)将基体预处理后放入电弧与磁控溅射复合镀膜设备中的转架杆上，该转架杆随转架台转动，或者自转，以保证镀膜过程的均匀性；

2)以圆形弧Ti靶为Ti源，通过圆形弧电源电流控制Ti靶的溅射率；以圆形弧AlTi靶作为TiAlSIN涂层相应元素的来源，其中Al、Ti、Si元素的院子成分比例为Al/Ti/Si＝60/30/10；共12对圆形弧源，在真空腔壁四周呈螺旋排列，通过调整中频脉冲电源的功率控制靶的溅射率，针对不同涂层，涂层前本底真空5*-³Pa，旋转为2r/min，3维旋转；采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯度N₂作为反应气体，使其离化并与Ti、Si、Al元素结合，在基体表面沉积形成TiAlSiN-AlTiN复合涂层；

3)AlTiN涂层制备工艺条件：

A)工件Ar+等离子体清洗：

工件装入真空炉后，通入10ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到4～5Pa时，开脉冲偏压至-800V对真空室工件表面进行轰击清洗，占空比50％，工作温度400℃，持续10min.

B)靶材清洗

开圆形弧Ti靶，圆形弧电流60A，电压18～25V，当真空室气压达到0.4～0.5Pa时，开脉冲偏压至-1000V利用电弧进一步对工件表面轰击清洗，占空比30％工作温度400℃，持续5min.

C)过渡层制备：

工件清洗完成后，将真空室气压调至2Pa，开启圆形弧Ti靶，圆形弧电流为55A，电压为18～25V，开直流偏压到400V，然后通入N2，在工件表面镀制一层1微米厚的TiN过渡层，持续2min；若开直流偏压到200V，持续3min.

D)AlTiN涂层制备：

将直流偏压调整到80V，按Ar和N₂流量比1∶2向真空室通入Ar和N₂混合气体，调整至18～25V，在TiN过渡层上金星AlTiN涂层制备，镀膜过程中真空室温度为400℃，镀膜时间90min，即可在基体表面获得AlTiN涂层。

4)TiAlSiN涂层制备工艺条件：

A)在AlTiN涂层的基础之上，靶材清洗及过渡层的制备重复上述步骤，工作温度调整为380℃

B)将直流偏压调整到80V，按Ar和N₂流量比1∶2向真空室通入Ar和N₂混合气体，调整真空室气压为2Pa，打开圆形弧AlTiSi靶的控制电源，调整电流70A，将AlTiSi靶的电压调至18～25V，镀膜过程中真空室温度为380℃，镀膜时间60min，即可在有AlTiN涂层的基体上获得TiAlSiN涂层。

经测定，采用本发明方法制备的TiAlSiN-AlTiN涂层，厚度约为4微米，化学成分含量为Ti：6at.％；Al：18at.％；Si：2at.％；N：74at.％。涂层显微硬度约为24.5GPa。

附图说明

图1为TiAlSiN-AlTiN复合涂层的XRD分析图谱。

图2为TiAlSiN-AlTiN复合涂层的EDS能谱分析。

图3为TiAlSiN-AlTiN复合涂层与其他涂层硬度对比图。

图4为电弧与磁控溅射复合镀膜(HAMSD)设备结构示意图。

具体实施方式

本实施例给出一种采用电弧与磁控溅射复合镀膜技术(HAMSD)，在高速钢表面制备TiAlSiN-AlTiN复合涂层的方法，该复合涂层的各项性能指标参见图1、2、3。需要说明的是，本发明的方法制备的高硬度TiAlSiN-AlTiN复合涂层，可以在任何刀具、模具选用的材料上进行，并不限制于该实施例。

本实施的具体制备过程是：

1)采用经淬火及回火处理后的显微硬度为20GPa的高速钢基体作为样品，经表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，酒精脱水；

2)将预处理好的样品作为基体材料放入电弧与磁控溅射复合镀膜设备中。如图4所示，点呼吁磁控溅射镀膜设备至少包括真空室1、转架台2、偏压3、转架杆4、圆形弧靶(5、6)(真空腔共12对圆形弧源，分A靶和B靶，在腔壁四周呈螺旋状排列，A靶材为纯Ti靶或纯Cr靶，B靶材为Al₆₇Ti₃₃靶、Al₆₀Ti₃₀Si₁₀靶或Al₇₀Cr₃₀靶)、加热器7、泵组8、永磁体9，样品置于转架杆4上，转架杆4可以随转架台2转动，也可以自转，这样就保证了镀膜过程的均匀性。

3)以尺寸为圆形弧Ti靶为Ti源，通过圆形弧电源电流控制圆形Ti靶的溅射率；以圆形弧AlTi靶作为AlTiN涂层相应元素的来源，其中Al、Ti元素的原子成分比例为Al/Ti＝67/33，以AlTiSi靶作为TiAlSiN涂层相应元素的来源，其中Al、Ti、Si元素的原子成分比例为Al/Ti/Si＝60/30/10；共12对圆形弧源，在真空腔壁四周呈螺旋排列，通过调整中频脉冲电源的功率控制靶的溅射率，针对不同涂层，涂层前本体真空5*10^-3Pa，旋转为2r/min，3维旋转；采用高纯度Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯度N₂作为反应气体，使其离化并与Ti、Si、Al元素结合，在基体表面沉积形成TiAlSiN-AlTiN复合涂层；

4)AlTiN涂层制备工艺条件：

A)工件Ar+等离子体清洗：

工件装入真空炉后，通入10ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到4～5Pa时，开脉冲偏压至-800V对真空室工件表面进行轰击清洗，占空比50％，工作温度400℃，持续10min；

B)靶材清洗

开圆形弧Ti靶，圆形弧电流60A，电压18～25V，当真空室气压达到0.4～0.5Pa时，开脉冲偏压至-1000V利用电弧进一步对工作表面轰击清洗，占空比30％，工作温度400℃，持续5min；

C)过渡层制备：

工件清洗完成后，将真空室气压调至2Pa，开启圆形弧Ti靶，圆形弧电流为55A，电压为18～25V，开直流偏压到400V，然后通入N₂，在工件表面镀制一层1微米厚的TiN过渡层，持续2min；若开直流偏压到400V，持续3min。

D)AlTiN涂层制备：

将直流偏压调整到80V，按Ar和N₂流量比1∶2向真空室通入Ar和N₂混合气体，调整真空室气压为2Pa，打开圆形弧AlTi靶的控制电源，调整电流到50A，将ATi靶的电压调至18～25V，在TiN过渡层上金星AlTiN涂层制备，镀膜过程中真空室温度为400℃，镀膜时间90min，即可在基体表面上获得AlTiN涂层。

5)TiAlSiN涂层制备工艺条件：

A)AlTiN涂层的基础之上，靶材清洗及过渡层的制备重复上述步骤，工作温度调整为380℃。

B)将直流偏压调整到80V，按Ar和N2流量比1∶2向真空室通入Ar和N₂混合气体，调整真空室气压为2Pa，打开圆形弧AlTiSi靶的控制电源，调整电流到70A，将AlTiSi靶的电压调至18～25V，镀膜过程中真空室温度为380℃，镀膜时间60min，即可在AlTiN涂层的基体上获得TiAlSiN涂层。

经测定，采用本发明方法制备的TiAlSiN-AlTiN涂层，厚度约为3.5微米，化学成分含量为Ti：6at.％；Al：18at.％；Si：2at.％；N：74at.％。涂层显微硬度约为24.5GPa。