呈现提高的热稳定性的ti-al-ta基涂层的制作方法
【专利说明】呈现提高的热稳定性的T1-AL-TA基涂层
[0001]本发明涉及耐磨涂层系统20，所述涂层系统20具有权利要求1-4中任一项所述的特征，并特别用于物体(如用于摩擦学系统中的工具和组件)的摩损防护。特别地，该涂层系统应当结合升温暴露后良好的硬度和良好的抗氧化性。此外，本发明涉及涂布体1，其呈现权利要求5-8中任一项所述的特征，和制造涂布体I的方法，其包括权利要求9-14中任一项所述的特征。
[0002]现有技术工艺水平
氮化钛铝(TiAlN)涂层是用于工具和组件的磨损防护的沿用已久的涂层。通常，使用物理气相沉积(PVD)技术将TiAlN涂层沉积在基材上。由于其非常良好的耐磨性质和热稳定性的组合，已对TiAlN涂层系统作出良好研究。已特别关注Al含量对这类涂层的热稳定性的影响。
[0003]此外，很好地研究了 TiAlN基涂层的许多变体，所述涂层基本上掺杂有其它元素。所有这些掺杂的TiAlN涂层应对确定的应用具有一些优点。
[0004]在许多专利文献中报道了关于通过将TiAlN涂层掺杂钽可获得的益处。例如，在US7521132B2中公开了经涂布的工具，其涂层包含至少一个具有(TiaAlbTac) N组成的涂布层，其中 a+b+c=l ;0.3 彡 b 彡 0.75 ；0.001 ^ c ^ 0.30，和至少一个具有(TidAleTafMg)N组成的涂布层，其中d+e+f+g=l ；0.50 ^ e ^ 0.70 ；0 ^ f ^ 0.25，且M是一种或多种选自S1、V、B的元素，对于Si:0.0005 ^ g ^ 0.10 ;对于V:0.001彡g彡0.25和对于B:0.00005 < 0.01。此外在同一专利文献中公开了用于涂布工具的溅射靶，所述靶由Al (30-75原子%)，Ta (0.1-30原子%)以及剩余的Ti组成。此外，公开了一种用于涂布工具的溅射靶，所述靶由Al，Ta，Ti以及至少S1、V或B组成。
[0005]类似的，在W02009003206、W02009105024、EP2096811、EP1722009、EP1378304、EP1400609、EP1452621、EP1378304、JP7331410、JP7026386、JP6330347 和 JP2007015071 中描述了包括T1-Al-Ta-N的单层和多层涂层系统。
[0006]然而，虽然已有这些开发和研究，仍有对改进的需求。
[0007]特别是对于增强切割工具的防护和切割性能，对获得足够良好的韧性与热稳定性的结合(其能符合当前需求)仍存在挑战。
[0008]发明目的
本发明的主要目的是提供一种涂层系统，该涂层系统同时结合了非常良好的韧性和热稳定性。优选地，该涂层系统应该结合升温暴露后良好的硬度和良好的抗氧化性。本发明的另外一个目的是提供其生产方法。
[0009]发明描述
本发明的主要目的通过提供如图1示意性绘制的耐磨涂层系统20达到，其包括含钽多层膜10，该多层膜10由彼此交替沉积的A层4，Al，A2, A3,...An和B层8，BI，B2,B3,...Bm组成。多层膜10呈现晶体立方结构且A层呈现比B层更高的缺陷密度。
[0010]当B层包含钽时，获得特别良好的结果。
[0011]本发明人分析了不同的多层涂层的组合并将它们与单层涂层相比较。
[0012]对于实验(图2到8提供了关于实验的详细信息)，将氮化钛铝和氮化钛铝钽单层涂层(在本发明的上下文中也称为整块涂层)通过电弧离子电镀技术从合金靶中沉积。对于实验，使用化学组成为TiQ.5Ala5、Tia45AlQ.45TaQ.jP Ti Q.3Ala6Taai的合金靶。
[0013]此外，沉积包含A层和B层的多层涂层系统。对于实验，将A层从化学组成为Tia5Ala5的钛铝复合靶沉积，同时将B层从化学组成为Taa75A I。.25的钽铝复合靶沉积。
[0014]为了改变缺陷密度，使用了两种不同的PVD技术:电弧离子电镀和磁控管溅射离子电镀。图2显示了所使用的涂布参数。
[0015]其它可用于获得层A和层B中不同的缺陷密度但仅使用电弧离子电镀沉积技术的方法是例如通过调节每种情况的线圈电流。
[0016]可使用高分辨率投射电镜(HRTEM)技术测量层A和层B的缺陷密度。
[0017]优选地，A层和B层的化学组成通过系数以原子百分数计的下式给出:
对于 A 层=Me1I AlxNzX1 z，且对于 B 层=Me21 x ,AlxTayNzX1 z，其中:
Me1是选自-T1、Cr、V、Ta、Nb、Zr、Hf、Mo、Si和W的一种或多种元素，以及 Me2是选自-T1、Cr、V、Nb、Zr、Hf、Mo、Si和W的一种或多种元素，以及 X是选自:0、C和B的一种或多种元素，并且 0.2 彡 X 彡 0.7，0.7 彡 z 彡 1，0.02 彡 y 彡 0.80。
[0018]当B层的厚度比A层的厚度小时:A1>B1，A2>B2，A3>B3...An > Bm，观察到更好的热稳定性。
[0019]优选地，使用PVD技术沉积根据本发明的涂布体I。
[0020]在本发明的一个优选的实施方案中，使用电弧离子电镀技术沉积涂层系统20。
[0021]在本发明的另一个优选的实施方案中，使用电弧离子电镀技术沉积涂层系统20的A层4，和使用溅射技术沉积B层8。
[0022]此外，本发明涉及制造涂有根据本发明的涂层系统20的物体I的方法。
[0023]在本发明的一个实施方案中，涂布体I通过物理气相沉积技术涂布。
[0024]在根据本发明方法的一个优选的实施方案中，所使用的物理气相沉积技术为电弧离子电镀沉积技术，特别是反应性电弧离子电镀沉积技术。
[0025]在根据本发明方法的另一个优选的实施方案中，为了调节层A和层B中所期望的缺陷密度，相应地调节线圈电流。
[0026]在根据本发明方法的更进一步优选的一个实施方案中，所使用的物理气相沉积技术是溅射或高电离磁控管溅射技术如高能脉冲磁控管溅射(HIP頂S)，特别是反应性磁控管派射沉积(rsd)技术。
[0027]优选地，至少在一些情况中，根据本发明的方法涉及使用至少一个靶(源材料)用于沉积层A和/或层B，所述靶通过粉末冶金技术制造。
[0028]在本发明的另一个实施方案中，涂层系统20包括除了多层膜10之外的至少更多一个层，例如一个或多个粘性改进层2，和/或一个或多个沉积在多层膜10上面的层12。该至少一个层12可以是例如具有降低摩擦性质和/或尤其是彩色性质的顶层。
[0029]在本发明的一个优选的实施方案中，每个A层与B层的厚度优选为3nm-300nm之间，更优选3nm-100nm之间。优选将氮和/或至少一种组成X (若给出)的元素从反应性气体结合到多层膜10中。
[0030]图3至图5显示为了表征和分析单层涂层(整块生长的涂层)的性质而实现的实验测试的结果，而图6至8显示为了表征和分析具有多层结构的涂层的性质而实现的实验测试的结果。
[0031]图5和图8中在扫描电子显微照片中观察到的CrN层(同样也由旨在研究氧化性能的经过表征的涂层的元素组成分析检测到)在氧化过程之后沉积以制备用于分析的样品O
[0032]在每个退火过程之后在室温下测量图4和7中所示的硬度和X-射线衍射(XRD)谱以分析涂层的热稳定性。
[0033]在沉积之后分析整块生长的Tia54Ala46N和Tia45Ala36Taai9N涂层的XRD谱，观察到它们显示立方结构，而Tia31Ala5lJaai9N涂层呈现已经混合的立方/六方(c/w)相结构。然而，所有沉积的具有多层结构TiAlN/TaAIN的涂层在沉积之后都呈现立方结构(根据XRD谱)，包括使用电弧汽化技术(TiAlN_/TaAlNaJ沉积的那些和使用混合电弧/溅射技术(TiAlNarc/TaAlNrsd)沉积的那些。对于这些实验，不沉积TiAlNarc/TaAlNalJ余层以得到多层涂层，所述多层涂层的TaAlN层具有相较于TaAlN层更高的缺陷密度。但是对于TiAlNara/TaAlN-的情况，则意在生产相较于TiAlN层具有更低缺陷密度的TaAlN层。
[0034]与热稳定性相关，考虑到退火过程之后所测量的硬度(如图7中下左下侧所示)，多层Tia5Ala5anZTaa75Ala25an^层就老化变硬性能而目显不了最好的热稳定性，但就抗氧化性却显示了差的热稳定性(如图8中左侧所示)。这些涂层在850°C下在20小时后彻底氧化。另外，整块生长的Tia45Ala36T