多元复合涂层的制备系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及复合涂层制备的技术领域，尤其涉及多元复合涂层的制备系统及其方 法。
【背景技术】
[0002] 据统计，现代机加工中，主要刀具材料是高速钢和硬质合金，占刀具总量的97%~ 98 %，其中，涂层高速钢和涂层硬质合金的刀具所占比例逐年增加，未涂层刀具所占比例逐 年下降，所以涂层刀具是当今国内外机加工主要发展的刀具之一，具有很大的发展前景。
[0003] TiN、TiC和A1203是使用最早的硬涂层材料，后来结合TiC和TiN两种材料优点， 发展成TiCN涂层；然后又引入Al、Cr等金属元素，开发出AlTiN、AlCrN等二元合金涂层， 并成功在市场上大批量使用；但随着现代加工技术的发展，对涂层的要求也越高，一元或者 二元合金涂层已经不能满足刀具要求，需要获得强度硬度更高、红硬性更好、耐氧化性更强 的涂层。因此，在二元合金涂层的基础上，进一步添加金属元素或者非金属元素，制备三元 或者四元的复合涂层，可以显著提升涂层的性能。
[0004] 涂层行业采用纯金属靶材、镶嵌靶材和合金靶材制备涂层。其中，合金靶材的制造 成本很高，镶嵌靶材成本较高，而纯金属靶材的制造成本最低。而多元复合涂层一般采用合 金靶材或者镶嵌靶材制备。合金靶材采用熔炼法或者粉末冶金的办法制备，这两种办法均 有不足之处，冶金法在熔炼的过程中容易产生成分偏析、气泡等缺陷，使得这类合金靶材的 成分不均匀，且有杂质，而粉末冶金法制备的靶材是先将不同元素的金属粉末进行配比，然 后采用球磨机这些粉末混合均匀，并经过压制烧结，形成合金靶材，靶材内部容易存在粉末 偏聚、分布不均以及孔洞、不致密等缺陷。
[0005] 合金靶材采用多种元素组成，不同元素的熔点不一致，当合金靶材起弧后，熔点低 的靶材容易熔化，形成液滴，不仅很难制备出与靶材成分比例一致的涂层产品，也因为液滴 的产生而降低刀具的表面光洁度；另外合金靶材的制造成本高，特别是三元或者四元合金 靶材，靶材成本显著增加，涂层企业难以承受。
[0006] 镶嵌靶材是将块状的纯金属靶材镶嵌在另一纯金属靶材中，通过控制镶嵌比例来 控制涂层成分，虽然该办法的制造成本相对较低，但是由于各种元素没有均匀混合，制备的 涂层成分不均匀，也困扰着该技术的运用。由于镶嵌靶材激发后，等离子体中各元素的含量 与弧斑的运动位置相关，而弧斑运动位置与靶材的成分、形貌以及磁场相关，受多种因素的 影响，弧斑的运动轨迹很难控制，因而采用镶嵌靶材制备的涂层，其成分存在波动。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供多元复合涂层的制备系统及其方法，旨在解决现有技术 中，采用合金靶材和镶嵌靶材制备多元复合涂层存在成分不均匀、性能不稳定，且生产成本 较高的问题。
[0008] 本发明是这样实现的，一种多元复合涂层的制备系统，包括：多个弧源，用于对多 种靶材分别起弧对应产生多种等离子体，并使多种所述等离子体运动；磁场管道，用于通过 磁场约束并均匀混合多种所述等离子体，并使其同时到达待加工基体的表面，该磁场管道 的一端与对应的弧源连通；真空腔室，与磁场管道另一端连通，且所述待加工基体设置于所 述真空腔室内，多种所述等离子体进入所述真空腔室内在偏压作用下撞击所述待加工基体 表面形成多元涂层。
[0009] 在一个实施例中，所述真空腔室为球形的腔体结构，多个所述弧源分布于所述真 空腔室外壁上并与其连通。
[0010] 优选地，多个所述弧源的中心线相交形成有夹角，且相邻的两个所述弧源的中心 线所形成的夹角大于0°且小于90°。
[0011] 优选地，所述靶材为纯金属靶材，且各个所述弧源上对应安装有不同元素的纯金 属靶材。
[0012] 进一步地，所述磁场管道的外壁缠绕有磁感应线圈，磁感应线圈通电产生磁场，所 述磁场约束并均匀混合所述等离子体并使其同时到达待加工基体表面。
[0013] 优选地，所述待加工基体为刀具。
[0014] 本发明提出的多元复合涂层的制备系统，通过采用磁场混合技术，将多个纯金属 靶材产生的等离子体进行均匀混合，并将这些等离子体加速撞击待加工基体表面形成多元 合金涂层，实现了在低成本下制备性能稳定、成分均匀的涂层的目的。
[0015] 本发明还提出了一种多元复合涂层的制备方法，包括步骤：
[0016] S100,将刀具基体进行超声波清洗，去除刀具基体表面的污染物；
[0017] S200,采用上述权利要求1~6任一项所述多元复合涂层的制备系统对刀具基体 进行溅射清洗，去除吸附在刀具基体表面的微量杂质；
[0018] S300，采用多元复合涂层的制备系统对刀具基体进行多元复合涂层的制备。
[0019] 在一实施例中，所述步骤S100包括：
[0020] S101，在超声波的作用下，采用金属清洗剂去除刀具基体上粉尘和油脂等；
[0021] S102,在超声波的作用下，采用有机溶剂去除刀具基体上残留油脂等杂质；
[0022] S103,采用热风对刀具基体进行吹干。
[0023] 在一实施例中，所述步骤S200包括：
[0024] S201，在第一弧源上安装纯钛靶；
[0025] S202，对真空腔室进行抽真空；
[0026] S203,当真空腔室内的气压小于1.0X10_3Pa，且温度达到300°C时，单独启动第 一弧源，并调节偏压为-1000V，将钛等离子体加速撞击刀具基体，实现对刀具基体的溅射清 洗。
[0027] 在一实施例中，所述步骤S300包括：
[0028] S301，对真空腔室上三个相邻的弧源分别安装不同的纯金属靶材，具体为，在第一 弧源、第二弧源和第三弧源上分别安装第一靶材、第二靶材和第三靶材；
[0029] S302，对真空腔室进行抽真空；
[0030] S303,当真空腔室内的气压小于1.0X10-3Pa，且温度达到300°C时，打开设置在 真空腔室上的气体流量计，控制通入真空腔室内的第一气体的流量，并将真空腔室内的气 压控制在2~7Pa ;
[0031] S304,同时启动第一弧源、第二弧源和第三弧源，对应产生第一等离子体、第二等 离子体和第三等离子体，这些等离子体在磁场的约束下运动到真空腔室，同时这些等离子 体中高速运动的电子撞击第一气体，使其离化形成第一气体的等离子体，这四种等离子体 同时沉积在刀具基体表面形成多元涂层。
[0032] 本发明提出的多元复合涂层的制备方法，采用了上述多元复合涂层的制备系统， 该系统通过采用磁场混合技术，将多个纯金属靶材产生的等离子体进行均匀混合，并将这 些等离子体加速撞击待加工基体表面形成多元合金涂层，实现了在低成本下制备性能稳 定、成分均匀的涂层的目的。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明实施例中多元复合涂层的制备系统的结构示意图；
[0034] 图2为本发明实施例中多元复合涂层的制备方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0036] 以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
[0037]