[发明专利]一种TiAlN复合涂层及其设有该涂层的刀具的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种拥有优异的力学和抗氧化性能的TiAlN复合涂层刀具及其制备方法。本发明还涉及一种TiAlN复合涂层。

背景技术

由Al替代面心立方TiN中Ti原子会形成的亚稳相固溶体Ti-Al-N涂层。由于其优异的力学性能和高温抗氧化能力而成为切削刀具普遍应用的刀具涂层材料。

Ti-Al-N涂层的力学和抗氧化性能随涂层中Al含量的上升而提高，直至涂层中Al含量超过TiN中Al的固溶度(～0.6)；此时，Ti-Al-N涂层的晶体结构由TiN的立方结构向六方的AlN结构转化，从而使其力学性能和抗氧化能力下降。

因此，在保证Ti-Al-N涂层立方结构的前提下尽可能地提高涂层中的Al含量，才有望进一步改善涂层的力学和抗氧化性能。

然而，现有技术一直没有能够解决上述矛盾。

发明内容

本发明的目的是提供一种TiAlN多层涂层材料，其能表现出Al含量较高的并具有优异的力学和抗氧化性能。

本发明的另外一个目的是提供一种含有这TiAlN复合涂层的刀具，其能表现出Al含量较高的并具有优异的力学和抗氧化性能。

本发明的再一目的是提供一种以上复合涂层刀具的制备方法，其工艺简单、设备常规、生产成本低。

为此，本发明提供了一种TiAlN基多层涂层，所述多层涂层包括TiAl金属过渡层、TiAlN基底层、和位于表层的周期性多层涂层，该周期性涂层是以“Ti_1-xAl_xN到Ti_1-yAl_yN到Ti_1-zAl_zN”为一个循环周期的多周期涂层。

优选地，所述周期性涂层复合了Ti_1-xAl_xN到Ti_1-yAl_yN到Ti_1-zAl_zN，经大量研究发现，TiAlN涂层的Al含量低于60%时，涂层的结构为立方结构，因此，本发明在TiAl金属层的基础上沉积一层拥有立方结构的Ti_1-xAl_xN层，其厚度控制在50nm～500nm，该层可改善涂层与基体的结合强度，更重要的是，可促进后续沉积的“Ti_1-xAl_xN到Ti_1-yAl_yN到Ti_1-zAl_zN”呈立方结构生长。

优选地，所述多层涂层的总厚度为1μm～10μm，优选为2μm～6μm。因为所述多层涂层如果过薄，会影响到多层涂层的保护性能和保护效果，但过厚的多层涂层不仅会产生过高的应力，导致涂层易剥落，而且成本也随之增加。

优选地，所述Ti_1-xAl_xN层的单层厚度为2～50nm，优选2～10nm。

优选地，所述Ti_1-yAl_yN层的单层厚度为2～10nm，优选2～6nm。在本发明中，如果该层过厚，Ti_1-yAl_yN层过厚则不能沿立方结构的Ti_1-xAl_xN层外延生长为立方结构而转化为六方结构，其力学和抗氧化性能均会降低；而过薄则难以控制，也起不到提高涂层Al含量的效果。

优选地，所述Ti_1-zAl_zN层的单层厚度为2～10nm，优选2～6nm。在本发明中，如果该层过厚，Ti_1-zAl_zN层过厚则不能沿已经获得立方结构生长的Ti_1-yAl_yN层外延生长为立方结构而转化为六方结构，其力学和抗氧化性能均会降低；而过薄则难以控制，也起不到提高涂层Al含量的效果。

优选地，所述Ti_1-xAl_xN层中0.5≤x≤0.6，首先确保涂层为立方结构，x值过低或者过高均会影响涂层的性能。

优选地，所述Ti_1-yAl_yN层中0.6≤y≤0.8，如果y值过高则会增加和Ti_1-xAl_xN层的晶格差异而影响其外延生长，过低则起不到提高Al含量的效果。