[发明专利]高硬度高弹性模量TiAlN/AlON纳米多层涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型硬质保护涂层，特别涉及一种高硬度高弹性模量的TiAlN/AlON纳米多层涂层及其制备方法，主要应用在干式、高速切削加工刀具表面，从而提高刀具的寿命。

背景技术

随着金属切削技术不断向高速度、高精度方向的发展以及干切削技术的推广，对切削刀具涂层的性能提出了越来越高的要求：即要求具备高硬度、高弹性模量、低摩擦系数等优良力学性能和良好的抗高温氧化性能，因而在切削刀具的基体上涂覆性能优良的涂层成为常用的改良切削刀具性能的方法。

目前常用的TiN涂层的硬度约为23GPa，其抗氧化温度约为500℃；TiCN涂层的硬度大于40GPa，但其抗高温氧化温度仅为400℃；目前应用前景最好的TiAlN涂层是在面心立方的TiN 中加入Al后形成的三元固溶体，研究表明，TiAlN 涂层具有比TiN 涂层更高的硬度以及更好的热稳定性和机械加工性能，硬度一般为32GPa，其抗氧化温度可以达到800℃以上。对于保护性的硬质涂层而言，当在高温环境下工作时，热稳定性就显得尤为重要。此前，研究人员William D. Sproul曾提出采用两种氧化物制备纳米多层涂层使其兼备高硬度和优异的抗氧化性能的技术路线，但是，按此技术路线制备的ZrO₂/Al₂O₃ 和ZrO₂/Y₂O₃均未获得硬度提高的效果。其中，ZrO₂/Al₂O₃由于Al₂O₃的非晶态阻断了形成超硬效应的共格界面，而ZrO₂/Y₂O₃则因为二者剪切模量差不够大而未能出现超硬效应。

通过查文献得知，纳米多层涂层目前已经通过多种方法成功制得，广泛用于二元/氧化物或氮化物组合，取得不少有益的成果，如TiN/SiN_x等。

对现有技术的搜索发现：为提高涂层性能，已有的技术，如美国专利US6565957、US6638571、US5766782和中国专利95108982.X等，采用TiN与0.1-0.8nm厚的Al₂O₃组合而达到提高抗氧化能力的目的，但由于Al₂O₃的硬度远低于氮化物而导致涂层材料硬度和弹性模量的明显下降，从而限制了该涂层材料的应用。

通过查询，检索到如下有关制备纳米多层涂层的中国专利：

申请号为200510111216.6涉及一种陶瓷材料技术领域的高硬度ZrN/Al₂(O_1-xN_x)₃纳米多层涂层，其由Al₂(O_1-xN_x)₃层和ZrN层交替沉积在金属、硬质合金或陶瓷的基体上而形成，具有优良的高温抗氧化性，同时具有高于30GPa的硬度和超过1000℃的抗氧化温度，能够作为高速切削刀具及其它在高温条件下服役耐磨工件的涂层。

申请号为200910055596和200910055595分别涉及一种VC/Si₃N₄和TiC/Si₃N₄纳米多层涂层及其制备方法，属于陶瓷涂层领域。VC/Si₃N₄高硬度纳米多层涂层由VC层和Si₃N₄层交替沉积在金属、硬质合金或陶瓷基体上形成，具有优良的高温抗氧化性，最高达800℃的抗氧化温度而且具有高于40GPa 的硬度。该发明用作为高速切削刀具尤其是高速切削的铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。

申请号为200410053490.8的专利涉及一种TiN/SiO₂纳米多层涂层，其硬度高达40GPa且具有优良的抗高温氧化性。该涂层在Ar气氛中直接由TiN和SiO₂陶瓷靶制得，但因其沉积效率低而限制了在工业生产中的应用。

申请号为200610029134.1的专利涉及一种VN/SiO₂多层涂层，其在一定程度上达到了高效、高硬度（≥30GPa）和优良的抗高温氧化性。该专利所述涂层在Ar+N₂气氛中直接由V和SiO₂陶瓷靶制得，因而具有沉积效率高的优点。