[发明专利]TiWAlN硬质薄膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种涂层及其制备方法，特别是一种TiWAlN硬质纳米结构复合膜及制备方法，属于陶瓷涂层技术领域。

背景技术

随着现代加工技术的发展，特别是高速、高温极端服役条件下高性能切削加工方式的出现，要求刀具表面的涂层应具有更高的硬度，优良的摩擦磨损性能，并兼具较好的抗高温氧化性能。然而，现有的刀具涂层虽然具有较高硬度，但它们的摩擦磨损性能都不理想，同时由于高温氧化导致薄膜从刀具表面脱落，大大降低了刀具的使用性能，急剧缩短了其使用寿命，无法满足现代切削加工更高的要求。近年来很多学者研究了Al元素对薄膜性能的影响，发现向薄膜中添加Al元素，不仅提高了薄膜的抗氧化性能，同时薄膜的力学性能和摩擦磨损性能均得到改善，然而，对于Al元素在薄膜抗氧化过程中形成的氧化物Al₂O₃结构由非晶向晶态的转变以及其对摩擦磨损性能影响方面很少有讨论。目前，市场上还没有发现TiWAlN薄膜被用作刀具涂层材料。因此，与当代加工制造业所要求的理想高硬度耐磨损涂层相比，此种硬质涂层具有很好的研究价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种TiWAlN硬质纳米结构薄膜及制备方法，克服现有TiN系硬质纳米结构复合膜及多层膜摩擦磨损性能不理想等缺点，具有较高生产效率，兼具高硬度和优异的摩擦磨损性能，可作为高速、干式切削的纳米结构硬质薄膜。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种TiWAlN硬质纳米结构薄膜，是以高纯Ti靶、W靶、Al靶为靶材，采用双靶共焦射频反应溅射法沉积在硬质合金或陶瓷基体上的，薄膜分子式表示为Ti(W，Al，N)，厚度在1-3μm。

Ti靶溅射功率230-280W，W靶溅射功率为80-100W，Al靶溅射功率为0-100W；当Ti靶功率250W，W靶功率为90W，Al靶功率为75W时，薄膜具有高硬度(35.7GPa)、最佳的摩擦磨损性能。

一种TiWAlN硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于，以高纯Ti靶、W靶、Al靶为靶材，利用双靶共焦射频反应溅射法在硬质合金或陶瓷基体上沉积得到；沉积时，真空度优于3.0×10^-5Pa，以氩气起弧，氮气为反应气体进行沉积，溅射气压0.3Pa，氩氮流量比10:(1-3)；Ti靶溅射功率230-280W，W靶溅射功率80-100W，Al靶溅射功率为0-100W；较佳地，Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，Al靶溅射功率0-100W；较佳地，Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，Al靶溅射功率为25-100W；更佳地，Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，Al靶溅射功率50-100W；最佳地，Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，Al靶溅射功率75W，此时，薄膜硬度高达35.7GPa，干切削实验下，磨损率为1.79×10^-8mm³/Nmm。

前述的TiWAlN硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于，在基体上预先沉积纯Ti作为过渡层。

本发明的TiWAlN硬质纳米结构薄膜是采用高纯Ti靶、W靶和Al靶共焦射频反应溅射，沉积在硬质合金或陶瓷基体上制备得到的，薄膜厚度在1-3μm，溅射反应过程中，Al靶功率在0-100W之间，当Al靶功率为75W时，薄膜的硬度高达35.7GPa，干切削实验下，磨损率为1.79×10^-8mm³/Nmm，这种硬质涂层综合具备了高硬度，高耐磨性的优良特点。

附图说明：

图1为本发明实施例所得TiWAlN复合膜中Ti，W和Al原子百分含量。由于实验仪器对N原子含量检测不准确，因此将Ti，W和Al原子含量归一化，即原子总含量设定为100％。随着Al靶溅射功率升高，薄膜中Al原子含量增大，而Ti和W原子含量相应地减少。当Al靶溅射功率从0W逐渐升至25W，50W，75W和100W，薄膜中对应的Al原子含量分别0at.％，5.26at.％，10.39at.％，15.91at.％和23.08at.％。