一种具有B含量梯度变化的工作层的AlTiBN涂层、制备方法及其应用

本发明涉及物理气相沉积(pvd)硬质涂层，具体涉及一种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层、制备方法及其应用。

背景技术：

1、传统的pvd铝基硬质刀具涂层altin的力学性能和高温性能存在不足，已不能满足高速切削领域日益严苛的要求。在altin涂层中加入硼(b)元素不仅能明显改善上述性能，而且b元素本身在高速切削时会形成具有润滑性的氧化物，使得altibn涂层具有良好的应用前景。实际应用中，一方面altibn涂层中需要高b含量(通常指10％以上)以提升润滑性，但另一方面b过高或分布不当会降低涂层的内聚力和疲劳抗性甚至降低涂层的总体防护效果。因此如何通过涂层成分和结构的可控调节，在高b含量的基础上改善altibn的内聚力和疲劳抗性，是亟待解决的技术难题。

2、鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决通过涂层成分和结构的可控调节，在高b含量的基础上改善altibn的内聚力和疲劳抗性的问题，提供了一种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层、制备方法及其应用。

2、为了实现上述目的，本发明公开了一种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层，依次包括以下涂层结构：纯cr粘结层、crn粘结层、altin过渡层、altibn梯度工作层，所述altibn梯度工作层包括多个具有b含量梯度变换的工作层，所述altibn梯度工作层为al100-x-ytiybxn，其中5≤x≤15，28≤y≤32。

3、所述altibn梯度工作层为al63ti32b5n工作层+al57ti28b15n工作层、al63ti32b5n工作层+al63ti32b5n+al57ti28b15n工作层+al57ti28b15n工作层、al60ti30b10n工作层+al57ti28b15n工作层中的任意一种。

4、本发明还公开了上述具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层的制备方法，包括以下步骤：

5、s1，将研磨抛光后的硬质合金试样进行超声清洗，用去离子水冲洗，烘干试样备用；

6、s2，将处理好的硬质合金试样样放置在基片转架上，抽真空至5×10-4mbar，再加热至480℃并保温90分钟，通入ar气，ar气的流量为100sccm，开启ti靶，控制负偏压为-150v。刻蚀60min；

7、s3，保持沉积温度不变，开启cr靶，沉积纯cr粘结层；

8、s4，保持沉积温度不变，关闭ar气，通入n2气，沉积crn粘结层；

9、s5，保持沉积温度不变，开启alti靶，减小n2气流量，改变压强，沉积altin过渡层；

10、s6，保持沉积温度不变，开启al100-x-ytiybx靶，其中5≤x≤15，28≤y≤32，沉积altibn梯度工作层。

11、所述步骤s3中，ar气流量为500sccm并保持炉内压强为4×10-2mbar，基体负偏压为-60v，cr靶的靶材电流为120a，沉积时间为15min。

12、所述步骤s4中，n2流量为800sccm，保持压强为4×10-2mbar，沉积时间为30min。

13、所述步骤s5中，alti靶的al：ti原子比为67:33，靶电流为120a，基体负偏压为-60v，减小n2气流量至650sccm，改变压强为3pa，沉积时间为150min。

14、所述步骤s6中，沉积压强为3pa，沉积altibn梯度工作层的过程具体包括以下步骤：

15、a1，保持沉积温度不变，开启al63ti32b5靶，靶电流为100a，保持压强为3pa，沉积al63ti32b5n工作层，沉积时间为40min；

16、a2，保持沉积温度不变，关闭al63ti32b5靶，靶电流为100a，开启al57ti28b15靶，保持压强为3pa，沉积al57ti28b15n工作层，沉积时间为80min。

17、所述步骤s6中，沉积压强为3pa，沉积altibn梯度工作层的过程具体包括以下步骤：

18、b1，保持沉积温度不变，开启al63ti32b5靶，靶电流为100a，保持压强为3pa，沉积al63ti32b5n工作层，沉积时间为40min；

19、b2，保持沉积温度不变，同时开启al63ti32b5靶和al57ti28b15靶，靶电流为100a，保持压强为3pa，沉积al63ti32b5n+al57ti28b15n工作层，沉积时间为20min；

20、b3，保持沉积温度不变，关闭al63ti32b5靶，al57ti28b15靶保持工作，保持压强为3pa，沉积al57ti28b15n工作层，沉积时间为40min。

21、所述步骤s6中，沉积压强为3pa，沉积altibn梯度工作层的过程具体包括以下步骤：

22、c1，保持沉积温度不变，开启al60ti30b10靶，靶电流为100a，保持压强为3pa，沉积al60ti30b10n工作层，沉积时间为40min；

23、c2，保持沉积温度不变，关闭al63ti32b5靶，靶电流为100a，开启al57ti28b15靶，保持压强为3pa，沉积al57ti28b15n工作层，沉积时间为80min。

24、本发明还公开了上述具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层在高速切削用硬质刀具中的应用。

25、工作层为al57ti28b15n的涂层中b含量较高，抑制了晶粒尺寸生长，并具有更厚的非晶bn层，过多的非晶层会降低涂层的韧性以及内聚力，易在涂层内部和膜/基界面处萌生裂纹并快速扩展，这会使涂层整体的结合强度和疲劳抗性降低，在拉应力和压应力快速交替变化的切削应用时出现分层剥落并缩短刀具寿命。而构建b含量逐渐变化的梯度结构，可调控bn非晶层的厚度平缓增加，以b含量较低的altibn工作层起缓冲作用，抑制裂纹产生及其在涂层内部的扩展，最终使涂层牢固粘附在刃口区域保护刀具，具有最平缓b含量梯度变化的t2涂层抗冲击疲劳性能最好，且具有最长的切削寿命。

26、与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明中这种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层相较于未采用梯度变化的altibn涂层，内聚力均得到提升，可推迟或改善高频冲击时涂层破坏的发生及严重程度，在切削具有高频冲击特性的钛合金时可有效避免涂层的分层剥落，降低刀具磨损，最优设计方案(t2)的切削寿命较t0提高了64％。

技术特征：

1.一种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层，其特征在于，依次包括以下涂层结构：纯cr粘结层、crn粘结层、altin过渡层、altibn梯度工作层，所述altibn梯度工作层包括多个具有b含量梯度变换的工作层，所述altibn梯度工作层为al100-x-ytiybxn，其中5≤x≤15，28≤y≤32。

2.如权利要求1所述的一种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层，其特征在于，所述altibn梯度工作层为al63ti32b5n工作层+al57ti28b15n工作层、al63ti32b5n工作层+al63ti32b5n+al57ti28b15n工作层+al57ti28b15n工作层、al60ti30b10n工作层+al60ti30b10n工作层中的任意一种。

3.一种如权利要求1或2所述的具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的一种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，ar气流量为500sccm并保持炉内压强为4×10-2mbar，基体负偏压为-60v，cr靶的靶材电流为120a，沉积时间为15min。

5.如权利要求3所述的一种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，n2流量为800sccm，保持压强为4×10-2mbar，沉积时间为30min。

6.如权利要求3所述的一种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，alti靶的al：ti原子比为67:33，靶电流为120a，基体负偏压为-60v，减小n2气流量至650sccm，改变压强为3pa，沉积时间为150min。

7.如权利要求3所述的一种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s6中，沉积压强为3pa，沉积altibn梯度工作层的过程具体包括以下步骤：

8.如权利要求3所述的一种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s6中，沉积压强为3pa，沉积altibn梯度工作层的过程具体包括以下步骤：

9.如权利要求3所述的一种具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s6中，沉积压强为3pa，沉积altibn梯度工作层的过程具体包括以下步骤：

10.一种如权利要求1或2所述的具有b含量梯度变化的工作层的altibn涂层在高速切削用硬质刀具中的应用。

技术总结
本发明涉及硬质涂层技术领域，具体涉及一种具有B含量梯度变化的工作层的AlTiBN涂层、制备方法及其应用，依次包括以下涂层结构：纯Cr粘结层、CrN粘结层、AlTiN过渡层、AlTiBN梯度工作层，所述AlTiBN梯度工作层包括多个具有B含量梯度变换的工作层，所述AlTiBN梯度工作层为Al<subgt;100‑x‑y</subgt;Ti<subgt;y</subgt;B<subgt;x</subgt;N，其中5≤x≤15，28≤y≤32；这种具有B含量梯度变化的工作层的AlTiBN涂层解决了通过涂层成分和结构的可控调节，在高B含量的基础上改善AlTiBN的内聚力和疲劳抗性的问题。

技术研发人员：程浩南,方炜,段伟,范思琪,陈涛,孙锐,周瑞,娄若曦
受保护的技术使用者：安徽水利水电职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2025/4/24