[发明专利]一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层及其制备方法

说明书

本发明公开一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的制备方法，采用电弧离子镀和磁控溅射方法，以AlTiN涂层为支撑层，根据靶材不同距离范围内等离子体能量和密度分布不同的现象，通过调整样品转架自转及公转速度，改变样品在不同等离子体区域停留的时间，从而实现涂层中纳米多层的自组装生成。该涂层在AlTiN支撑层的基础上由富氧层和富氮层构成，富氧层和富氮层交替沉积在硬质合金或陶瓷基体上。涂层的总厚度控制在2～10μm，其中AlTiN支撑层控制在1.5～3.5μm，富氧层和富氮层的单层厚度分别控制在2～20nm和5～100nm。该涂层主要应用在刀具产品表面的防护领域。

技术领域

本发明属于材料涂层技术领域，更具体地，涉及一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层及其制备方法。

背景技术

高温合金是制造航空发动机的关键材料，在车辆、火电、核电和石油化工等民用产业也有着不可替代的应用，但是极难切削加工，相对加工性仅5％-15％，切削力大、温度高，粘着、加工硬化和刀具磨损严重，切削加工是高温合金应用的瓶颈难题。涂层硬质合金具有良好的综合性能，是首选刀具材料。物理气相沉积(PVD)涂层刀具刃口锋利，且压应力抑制裂纹，在应用较多的高速硬铣削中PVD涂层占优；高铝氮化物涂层(如AlTiN、AlCrN、AlTiSiN)是目前高速切削刀具涂层主流，中低速度下铣削高温合金取得较好效果，但高温下硬度下降、氧化和与被加工材料反应，限制了高速切削速度和效率的进一步提高。基于切削性能良好的TiAlN和AlCrN涂层，人们采用PVD技术制备出TiAlON、AlCrON、AlCrSiON等氧氮化物涂层，高温摩擦性能优于氮化物涂层，热导率降低5-10倍，切削铸铁和不锈钢性能优于氮化物涂层；Al/Cr成分比优化可获得较好的力学性能和高温性能；Si加入对稳定立方相结构有利，涂层在氧含量较高时仍保持较高的硬度。但总体而言，氧氮化物涂层性能还有差距，富氮的氧氮化物涂层结构和性能与氮化物相似，高温稳定性、高温摩擦性能逊色于氧化物涂层；涂层结构接近氧化物时硬度和韧性急剧下降。

氧化物涂层具有更好的热稳定性、化学稳定性和抗高温氧化能力，更适合高速切削，但硬度、韧性等力学性能较差限制其应用；氮化物/氧化物多层复合可改善氧化物力学性能，TiAlN/Al₂O₃多层刀具涂层有良好的切削性能，但氧化物需特殊的沉积工艺限制其推广应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层及其制备方法，可以采用电弧离子镀和磁控溅射方法，首先沉积结合力良好的支撑层涂层，然后根据靶材不同距离范围内等离子体能量和密度分布不同的现象，通过调整样品转架自转及公转速度，改变样品在不同等离子体区域停留的时间，从而实现涂层中纳米多层的自组装生成。该涂层制备工艺简单，成本低廉，适应性好，且兼顾氮化物以及氧化物涂层的优势，有很大的应用推广潜力。

本发明的另一目的是提供一种上述制备方法得到的自组装纳米氧氮化物耐高温涂层。

本发明的再一目的是提供上述自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种自组装纳米氧氮化物耐高温涂层的制备方法，包括如下具体步骤：

S1.金属基体清洗：将基体抛光处理，然后先后用丙酮、酒精超声清洗8～18min，再用氮气吹干后装入真空室内；

S2.Ar和金属离子轰击：将靶材Cr靶、AlTi靶和AlCr(Si)靶安装进设备，打开加热器升温至250～550℃，将真空室抽真空至真空度1.0～6.0×10^-3Pa；然后通入200～350sccm的Ar气，设置工件支架偏压-800～-1000V，对基体表面进行溅射清洗，轰击时间8～18min；再将偏压降至-500～-700V，点燃Cr靶，靶材电流65～155A，用高能Cr离子轰击基体2～15min，活化金属基体表面以提高膜-基结合力；