[发明专利]一种AlCrSiN/VSiN纳米多层涂层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种AlCrSiN/VSiN纳米多层涂层的制备方法，包括以下步骤：a)在基体表面使用阴极电弧蒸发沉积Al₅₀Cr₅₀N过渡层；b)使用高功率脉冲磁控电源溅射VSi靶，使用直流电弧电源阴极蒸发AlCrSi靶，在Ar气与N₂气的混合气氛中反应沉积AlCrSiN/VSiN纳米多层涂层。本发明通过拟耦合使用电弧离子镀膜技术及高功率脉冲磁控溅射技术，利用纳米多层结构、纳米复合结构阻止V元素高温下的快速外扩散行为、增强涂层高温力学性能及抗高温抗氧化能力、抑制高温下钛与涂层之间的扩散反应，并且通过纳米多层、纳米复合结构与掺杂V元素的协同作用，使得AlCrSiN/VSiN涂层表面兼具抗高温氧化、自润性以及高耐磨特性，从而最终获得具有纳米多层结构、结合力优良且耐高温、自润滑的AlCrSiN/VSiN纳米多层涂层。

技术领域

本发明涉及氮化物涂层技术领域，更具体地说，是涉及一种AlCrSiN/VSiN纳米多层涂层及其制备方法。

背景技术

刀具在高速切削过程中承受很高的温升，优异的高温性能是涂层刀具高速切削钛合金的关键。TiC、HfC和TiN、CrN、TiCN等传统碳/氮化物涂层高温氧化起始温度在600℃以下，而AlCrN涂层耐热温度也只能达到900～950℃。研究报道表明，添加Y、Hf等活性元素元素可以显著地提高AlCrN涂层的高温抗氧化及力学性能。在Rovere等研究中(F.Rovere,P.Mayrhofer,et al.,Surface and Coatings Technology,202(2008)5870)，经过1000℃氧化，添加1at.％Y的Al_0.54Cr_0.46N涂层其抗高温氧化能力最为优异，而添加2～4at.％Y的AlCrN涂层几乎完全被氧化。在Meister等研究中(S.Domínguez-Meister,S.El Mrabet,etal.,Applied Surface Science,353(2015)504)，添加0.4at.％Y可有效增强AlCrN涂层的抗氧化能力。然而，上述仅通过活性元素掺杂的多元AlCrXN涂层在1000℃以上环境温度下仍存在高温氧化与硬度下降的问题。此外，制备纳米多层涂层如AlCrN/TiAlN、AlCrN/TiSiN等，通过纳米多层调制结构的强化作用可提升增强AlCrN涂层的力学性能及摩擦学性能，但控制工艺的复杂性限制了纳米多层涂层刀具在实际工业生产中的应用。于AlCrN基硬质涂层中添加Si或O元素制备AlCrSiN或AlCrON纳米复合结构涂层，是大幅增强AlCrN基涂层高温力学及高温抗氧化性能的有效手段(T.Polcar,A.Cavaleiro,Materials Chemistry andPhysics,129(2011)195、C.Tritremmel,R.Daniel,et al.,Thin solid films,534(2013)403)。与氮化物涂层相比，氧氮化物涂层热化学稳定性更好，AlCrON涂层耐热性可到1100～1200℃以上，但氧氮化物涂层韧性差、硬度低(低于20GPa)，在切削钛合金时力学性能不足，涂层刀具失效快。