本发明涉及涂层刀具技术领域，特别涉及一种镍基高温合金加工用涂层刀具及其制备方法。
背景技术：
高温合金由于具有工作温度高、组织稳定、有害相少、抗氧化和抗热腐蚀性能好等优点，已经成为现代航空航天工业中不可缺少的材料。尤其是镍基高温合金，通过固溶、时效等方法强化，可得到较理想的强度和抗蠕变性能，组织稳定，具有良好的高温强度、热稳定性和抗热疲劳性能，因而广泛地应用于制造火箭、航空发动机、喷气发动机中的涡轮盘等高温部件。
但镍基高温合金具有导热系数小的特点，这就导致其切削加工性很差，切削加工时切削温度高、刀具应力大、加工硬化严重、刀具磨损严重、切削加工效率很低。镍基高温合金日益广泛的应用与切削加工性差的矛盾越来越突出。
涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50％。tialn、crn、tialcrn是近几年来开发的硬质涂层新材料，其中，tialcrn新型涂层刀具的应用使得硬质合金刀具能够用于切削镍基高温合金。tialcrn是一种梯度结构涂层，不仅具有高的韧性和硬度，而且摩擦因数也较小，适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具，切削性能明显优于其他几种涂层。但是tialcrn涂层刀具在镍基高温合金高速加工过程中仍然存在高温条件下晶粒粗化、硬度降低及与工件粘附一系列的问题，导致刀具的使用寿命较低。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种镍基高温合金加工用涂层刀具及其制备方法。本发明提供的镍基高温合金加工用涂层刀具涂层结构和硬度稳定，在高温下能够保持较小的结晶度和工件粘附性，涂层刀具的使用寿命高。
本发明提供了一种镍基高温合金加工用涂层刀具，包括刀具基体和设置于所述刀具基体表面的涂层，所述涂层包括自刀具基体表面向外依次设置的ti基体层、tin过渡层和纳米复合层，所述纳米复合层包括在tin过渡层表面依次交替排列的ticrsialn层和ticrsialyn层。
优选的，每层ticrsialyn层和ticrsialn层的厚度分别独立地为20～40nm。
优选的，所述ticrsialyn层按原子百分比计，包括：钛25～32at.％，铬18～21at.％，硅3～8at.％，铝10～14at.％，钇3～6at.％和氮30～40at.％。
优选的，所述ticrsialn层按原子百分比计，包括：钛30～38at.％，铬15～19at.％，硅5～8at.％；铝10～15at.％和氮31～40at.％。
优选的，所述纳米复合层的厚度为2～5μm。
优选的，所述纳米复合层的晶粒度为5～18nm。
优选的，所述ti基体层的厚度为20～80nm。
优选的，所述tin过渡层的厚度为50～300nm。
优选的，所述刀具基体的材质为硬质合金或高速钢。
本发明提供了一种上述技术方案所述镍基高温合金加工用涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)在刀具基体表面依次沉积ti基体层和tin过渡层；
(2)在所述步骤(1)中的tin过渡层表面依次交替沉积ticrsialn层和ticrsialyn层，得到镍基高温合金加工用涂层刀具。
本发明提供的镍基高温合金加工用涂层刀具，包括刀具基体和设置于所述刀具基体表面的涂层，所述涂层包括自刀具基体表面向外依次设置的ti基体层、tin过渡层和纳米复合层，所述纳米复合层包括在tin过渡层表面依次交替排列的ticrsialn层和ticrsialyn层。本发明提供的涂层刀具在刀具基体表面设置包括ti基体层、tin过渡层和纳米复合层的复合涂层，其中纳米复合层包括在tin过渡层表面依次交替设置的ticrsialn层和ticrsialyn层，纳米复合层中si元素的掺杂使涂层保持细化的晶粒结构，同时y元素的加入偏析于晶界上，阻止了晶粒在高温时的长大，并且各层间外延共生，结合紧密，不但具有高硬度和低摩擦系数，而且在高温时候依然保持较小的结晶度和工件粘附性，刀具寿命得到大幅度提高。实验结果表明，本发明提供的镍基高温合金加工用涂层刀具的涂层硬度可达26gpa，摩擦系数低至0.15，对gh4133镍基高温合金高速切削时，切削速度v＝150m/min，切削深度ap＝0.5mm，进给量f＝0.25mm/r的条件下，切削长度可达280m，与现有技术中的altin涂层切削长度12m，alcrn涂层切削长度42m相比，刀具寿命得到大幅度提高。
附图说明
图1为本发明镍基高温合金加工用涂层刀具结构示意图；其中，(1)为刀具基体，(2)为ti基体层，(3)为tin过渡层，(4)为纳米复合层，(5)为ticrsialn层，(6)为ticrsialyn层；
图2为本发明实施例1中镍基高温合金加工用涂层刀具的纳米复合层的xrd图谱；
图3为本发明实施例2中镍基高温合金加工用涂层刀具的纳米复合层的高分辨透射电镜图。
具体实施方式
本发明提供了一种镍基高温合金加工用涂层刀具，如图1所示，本发明提供的镍基高温合金加工用涂层刀具包括刀具基体(1)和设置于所述刀具基体表面的涂层，所述涂层包括自刀具基体表面向外依次设置的ti基体层(2)、tin过渡层(3)和纳米复合层(4)，所述纳米复合层包括在tin过渡层表面依次交替排列的ticrsialn层(5)和ticrsialyn层(6)。
本发明提供的镍基高温合金加工用涂层刀具包括刀具基体。在本发明中，所述刀具基体的材质优选为硬质合金或高速钢，更优选为硬质合金。本发明对所述硬质合金或高速钢的成分没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的用于切削加工的硬质合金或高速钢即可。本发明对所述刀具基体的形状和尺寸没有特殊的限定，根据使用要求进行选择即可。
本发明提供的镍基高温合金加工用涂层刀具包括设置于所述刀具基体表面的涂层，所述涂层包括自刀具基体表面向外依次设置的ti基体层、tin过渡层和纳米复合层。在本发明中，所述ti基体层的厚度优选为20～80nm，更优选为40～70nm，最优选为50～60nm。在本发明中，所述ti基体层能够提高整体涂层的结合力。
在本发明中，所述tin过渡层的厚度优选为50～300nm，更优选为100～250nm，最优选为150～200nm。在本发明中，所述tin过渡层能够实现涂层的结构性过渡，减少整体涂层的内应力。
在本发明中，所述纳米复合层包括在tin过渡层表面依次交替排列的ticrsialyn层和ticrsialn层。在本发明中，每层ticrsialyn层和ticrsialn层的厚度分别优选独立地为20～40nm，更优选为25～35nm，最优选为30nm。
在本发明中，所述ticrsialyn层按原子百分比计，优选包括：钛25～32at.％，铬18～21at.％，硅3～8at.％，铝10～14at.％，钇3～6at.％和氮30～40at.％，更优选包括：钛28～30at.％，铬19～20at.％，硅5～6at.％，铝11～13at.％，钇4～5at.％和氮33～37at.％。在本发明中，所述ticrsialyn层优选包括分布于si3n和aln基体上的纳米晶tin和crn，以及偏析于晶界上的y元素。
在本发明中，所述ticrsialn层按原子百分比计，优选包括：钛30～38at.％，铬15～19at.％，硅5～8at.％；铝10～15at.％和氮31～40at.％，更优选包括：钛33～36at.％，铬16～18at.％，硅6～7at.％；铝12～13at.％和氮34～38at.％。在本发明中，所述ticrsialn层优选包括分布于si3n和aln基体上的纳米晶tin和crn。
在本发明中，所述ticrsialn层和ticrsialyn层交替排列，交替周期性排列的ticrsialn层和ticrsialyn层可以降低涂层的应力，增加涂层的晶面结构及晶界，从而在高速加工中促进金属元素的快速扩散，促进氧化物的快速生成；同时，si元素的掺杂使涂层保持细化的晶粒结构，y元素的加入偏析于晶界上，阻止了晶粒在高温时的长大，使涂层不但具有高硬度和低摩擦系数，而且在高温时候依然保持较小的结晶度和工件粘附性。
在本发明中，所述纳米复合层的厚度优选为2～5μm，更优选为3～4μm。在本发明中，所述纳米复合层的晶粒度优选为5～18nm，更优选为8～15nm，最优选为10～12nm。在本发明中，所述纳米复合层优选包括ticrsialyn和ticrsialn纳米颗粒，所述纳米颗粒的粒径优选为20nm以下，更优选为5～15nm，最优选为8～12nm。在本发明中，所述纳米复合层的热稳定性优选为1000℃以上，更优选为1200～1500℃。
本发明还提供了上述技术方案所述镍基高温合金加工用涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
(1)在刀具基体表面依次沉积ti基体层和tin过渡层；
(2)在所述步骤(1)中的tin过渡层表面依次交替沉积ticrsialn层和ticrsialyn层，得到镍基高温合金加工用涂层刀具。
本发明在刀具基体表面依次沉积ti基体层和tin过渡层。在本发明中，所述ti基体层和tin过渡层的沉积优选为物理气相沉积，更优选为多弧离子镀沉积。本发明对所述ti基体层和tin过渡层的多弧离子镀沉积的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的多弧离子镀沉积的技术方案即可。
本发明对所述刀具基体的来源没有特殊的限定，采用市售产品或按照本领域技术人员熟知的制备刀具基体的技术方案制备即可。
本发明优选在沉积ti基体层前对所述刀具基体依次进行预处理和溅射清洗。本发明对所述预处理的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的预处理的技术方案即可。在本发明中，所述预处理优选依次包括洗涤和干燥。在本发明中，所述洗涤优选包括在丙酮和无水乙醇中依次超声；所述丙酮和无水乙醇中超声的时间优选独立地为10～20min，更优选为15min。在本发明中，所述干燥优选为洁净的压缩空气吹干。
在本发明中，所述溅射清洗的参数优选为：刀具基体与靶间距15～50mm，刀具基体转速3～8rpm，溅射温度400～500℃，溅射气体氩气，溅射气体压力1.0～2.0pa，偏压800～1200v，溅射清洗时间5～10min，更优选为：刀具基体与靶间距30～40mm，刀具基体转速5～6rpm，溅射温度440～460℃，溅射气体氩气，溅射气体压力1.04～1.6pa，偏压900～1100v，溅射清洗时间6～8min。在本发明中，所述溅射清洗能够提高刀具基体与ti基体层之间的结合能力。
本发明优选在所述溅射清洗完成后，直接打开ti靶，并调整各参数至ti基体层的多弧离子镀沉积的参数进行ti基体层的沉积。在本发明中，所述ti基体层的多弧离子镀沉积的参数优选为：刀具基体与靶间距15～50mm，刀具基体转速3～8rpm，溅射温度400～500℃，靶材为ti靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.2～1.8pa，偏压300～500v，电流30～80a，沉积时间5～10min，更优选为：刀具基体与靶间距30～40mm，刀具基体转速5～6rpm，溅射温度440～460℃，靶材为ti靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.4～1.6pa，偏压350～450v，电流40～70a，沉积时间6～9min，最优选为：刀具基体与靶间距32～38mm，刀具基体转速5.5rpm，溅射温度450℃，靶材为ti靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.5pa，偏压400v，电流50～60a，沉积时间7～8min。
本发明优选在所述ti基体层的多弧离子镀沉积完成后，直接调整各参数至tin过渡层的多弧离子镀沉积的参数进行tin过渡层的沉积。在本发明中，所述tin过渡层的多弧离子镀沉积的参数优选为：刀具基体与靶间距15～50mm，刀具基体转速3～8rpm，溅射温度400～500℃，靶材为ti靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.0～1.8pa，反应气体氮气，反应气体压力2.0～3.0pa，偏压120～180v，电流50～80a，沉积时间5～12min，更优选为：刀具基体与靶间距30～40mm，刀具基体转速5～6rpm，溅射温度440～460℃，靶材为ti靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.2～1.6pa，反应气体氮气，反应气体压力2.2～2.8pa，偏压140～160v，电流60～70a，沉积时间6～10min，最优选为：刀具基体与靶间距32～38mm，刀具基体转速5.5rpm，溅射温度450℃，靶材为ti靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.4pa，反应气体氮气，反应气体压力2.4pa，偏压150v，电流65a，沉积时间8min。
得到tin过渡层后，本发明在所述tin过渡层表面依次交替沉积ticrsialn层和ticrsialyn层，得到镍基高温合金加工用涂层刀具。在本发明中，所述ticrsialyn层和ticrsialn层的沉积优选为物理气相沉积，更优选为多弧离子镀沉积。
本发明优选在tin过渡层的沉积完成后，关闭ti靶，打开tialcrsi靶，并将参数调整至ticrsialn层的多弧离子镀沉积参数进行沉积，然后再关闭tialcrsi靶，打开tialcrsiy靶并将参数调整至ticrsialyn层的多弧离子镀沉积参数进行沉积，交替打开和关闭tialcrsi靶和tialcrsiy靶，至纳米复合层沉积完成。
在本发明中，所述ticrsialn层的多弧离子镀沉积参数优选为：刀具基体与靶间距15～50mm，刀具基体转速3～8rpm，溅射温度400～500℃，靶材为tialcrsi靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.0～1.8pa，反应气体氮气，反应气体压力2.0～3.0pa，偏压80～120v，电流50～80a，沉积时间10～25min，更优选为：刀具基体与靶间距20～40mm，刀具基体转速4～7rpm，溅射温度440～460℃，靶材为tialcrsi靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.2～1.6pa，反应气体氮气，反应气体压力2.2～2.8pa，偏压90～110v，电流60～70a，沉积时间15～20min，最优选为：刀具基体与靶间距30mm，刀具基体转速5rpm，溅射温度440～460℃，靶材为tialcrsi靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.4pa，反应气体氮气，反应气体压力2.5pa，偏压100v，电流65a，沉积时间17min。
在本发明中，所述ticrsialyn层的多弧离子镀沉积参数优选为：刀具基体与靶间距15～50mm，刀具基体转速3～8rpm，溅射温度400～500℃，靶材为tialcrsiy靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.0～1.8pa，反应气体氮气，反应气体压力2.0～3.0pa，偏压80～120v，电流60～80a，沉积时间10～25min，更优选为：刀具基体与靶间距20～40mm，刀具基体转速4～7rpm，溅射温度440～460℃，靶材为tialcrsiy靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.2～1.6pa，反应气体氮气，反应气体压力2.2～2.8pa，偏压90～110v，电流65～75a，沉积时间15～20min，最优选为：刀具基体与靶间距30mm，刀具基体转速5rpm，溅射温度440～460℃，靶材为tialcrsiy靶，溅射气体氩气，溅射气体压力1.4pa，反应气体氮气，反应气体压力2.5pa，偏压100v，电流70a，沉积时间17min。
本发明优选在纳米复合层的沉积完成后，将所述沉积的产物冷却，得到镍基高温合金加工用涂层刀具。在本发明中，所述冷却优选在沉积的气氛中进行。在本发明中，所述沉积的产物在沉积的气氛中的冷却终点温度优选为150℃以下，更优选为100℃以下。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的镍基高温合金加工用涂层刀具及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:
将硬质合金刀具基体使用丙酮和无水乙醇在超声波清洗器各超声10min，再用干燥洁净的压缩空气吹干。
将预处理后的基体均匀固定在支架上，与靶间距20mm，装入真空室内，工件支架转速为5rpm。
抽本底真空至5×10-3pa并加热至500℃，通入ar气使得腔室压强为1.0pa，调整偏压为800v进行溅射清洗5min。
然后开启ti多弧靶材，调整ar气压保持在1.2pa，偏压降低为300v，电流调整为30a，沉积ti基体层10min。
接着通入氮气使压强为2.0pa，其中ar分压为1.0pa，偏压保持120v，电流为80a，沉积tin过渡层12min。
通入氮气和氩气，气压控制在2.0pa，打开tialcrsi靶，调节弧电流为50a，偏压为80v，制备纳米复合层10min，然后关闭tialcrsi靶，并开启tialcrsiy靶，调节电流为60a，压强和偏压保持不变，制备纳米复合层10min。
如此交替开启和关闭tialcrsi靶和tialcrsiy靶来制备出总厚度为2.8μm的耐高温多层纳米复合tialcrsiyn/tialcrsin涂层。
制备完毕后待腔室降到150℃，打开炉门降到常温取出。
图2为本发明制备的镍基高温合金加工用涂层刀具中纳米复合涂层的xrd图谱，可以很明显的看到tin的衍射峰及纳米晶和非晶的复合结构。
测试涂层原子百分比配比如下：
钛铬硅铝钇氮层：钛25at.％，铬19at.％，硅6at.％，铝12at.％，钇4at.％，氮34at.％。
钛铬硅铝氮层：钛30at.％，铬17at.％，硅6at.％；铝12at.％，氮35at.％。
本发明制备的涂层刀具中涂层硬度25gpa，摩擦系数0.18。
将本实施例制备的硬质合金涂层刀具进行高速切削镍基高温合金的实验，切削的工件材料为镍基高温合金gh4133，合金车削参数为：切削速度v＝150m/min，切削深度ap＝0.5mm，进给量f＝0.25mm/r，切削长度为200m，而现有技术中的altin涂层切削长度12m，alcrn涂层切削长度42m，刀具寿命大幅度提高。
实施例2:
将硬质合金刀具基体使用丙酮和无水乙醇在超声波清洗器各超声15min，再用干燥洁净的压缩空气吹干。
将预处理后的基体均匀固定在支架上，与靶间距30mm，装入真空室内，工件支架转速为5rpm。
抽本底真空至3×10-3pa并加热至400℃，通入ar气使得腔室压强为1.0pa，调整偏压为800v进行溅射清洗5min。
然后开启ti多弧靶材，调整ar气压保持在1.2pa，偏压降低为300v，电流调整为60a，沉积ti基体层10min。
接着通入氮气使压强为2.0pa，其中ar分压为1.2pa，偏压保持120v，电流为70a，沉积tin过渡层12min。
通入氮气和氩气，气压控制在2.0pa，打开tialcrsi靶，调节弧电流为60a，偏压为80v，制备纳米复合层10min，然后关闭tialcrsi靶，并开启tialcrsiy靶，调节电流为70a，压强和偏压保持不变，制备纳米复合层10min。
如此交替开启和关闭tialcrsi靶和tialcrsiy靶来制备出总厚度为3微米的耐高温多层纳米复合tialcrsiyn/tialcrsin涂层。
制备完毕后待腔室降到150℃，打开炉门降到常温取出。
本实施例制备的涂层原子百分比配比如下：
钛铬硅铝钇氮层：钛30at.％，铬20at.％，硅6at.％，铝10at.％，钇4at.％，氮30at.％，微结构如图3a所示，包括分布于si3n和aln基体上的纳米晶tin和crn，以及偏析于晶界上的y元素。
钛铬硅铝氮层：钛32at.％，铬17at.％，硅5at.％；铝12at.％，氮34at.％，微结构如图3b所示，包括分布于si3n和aln基体上的纳米晶tin和crn。
本发明制备的涂层刀具中涂层硬度26gpa，摩擦系数0.20。
将本实施例制备的硬质合金涂层刀具进行高速切削镍基高温合金的实验，切削的工件材料为镍基高温合金gh4133，合金车削参数为：切削速度v＝150m/min，切削深度ap＝0.5mm，进给量f＝0.25mm/r，切削长度为250m，采用本技术制备的刀具寿命大幅度提高。
实施例3:
将硬质合金刀具基体使用丙酮和无水乙醇在超声波清洗器各超声10min，再用干燥洁净的压缩空气吹干。
将预处理后的基体均匀固定在支架上，间距20mm，装入真空室内，工件支架转速为5rpm。
抽本底真空至5×10-3pa并加热至500℃，通入ar气使得腔室压强为1.0pa，调整偏压为800v进行溅射清洗5min。
然后开启ti多弧靶材，调整ar气压保持在1.2pa，偏压降低为300v，电流调整为30a，沉积ti基体层10min。
接着通入氮气使压强为2.0pa，其中ar分压为1.0pa，偏压保持120v，电流为80a，沉积tin过渡层12min。
通入氮气和氩气，气压控制在2.0pa，打开tialcrsi靶，调节弧电流为50a，偏压为65v，制备纳米复合层10min，然后关闭tialcrsi靶，并开启tialcrsiy靶，调节电流为65a，压强和偏压保持不变，制备纳米复合层15min。
如此交替开启和关闭tialcrsi靶和tialcrsiy靶来制备出总厚度为3.2微米的耐高温多层纳米复合tialcrsiyn/tialcrsin涂层。制备完毕后待腔室降到150℃，打开炉门降到常温取出。
本实施例制备的涂层原子百分比如下：
钛铬硅铝钇氮层：钛26at.％，铬18at.％，硅4at.％，铝10at.％，钇3at.％，氮39at.％。
钛铬硅铝氮层：钛36at.％，铬15at.％，硅5.2at.％；铝11.8at.％，氮32at.％。
本发明制备的涂层刀具中涂层硬度25.4gpa，摩擦系数0.15。
将本实施例制备的硬质合金涂层刀具进行高速切削镍基高温合金的实验，切削的工件材料为镍基高温合金gh4133，合金车削参数为：切削速度v＝150m/min，切削深度ap＝0.5mm，进给量f＝0.25mm/r，切削长度为280m，刀具寿命大幅度提高。
由以上实施例可以看出，本发明提供的镍基高温合金加工用涂层刀具涂层结构和硬度稳定，在高温下能够保持较小的结晶度和工件粘附性，涂层刀具的使用寿命高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。