[发明专利]基于陶瓷基片表面制备Ti-Al-Ru-N纳米硬质薄膜的方法

说明书

本发明公开了基于陶瓷基片表面制备Ti‑Al‑Ru‑N纳米硬质薄膜的方法，本发明的Ti‑Al‑Ru‑N硬质纳米结构薄膜由Ti‑Al‑Ru‑N固溶体及弥散分布的单质Ru构成。采用高纯Ti靶，Al靶和Ru靶共焦射频反应溅射，沉积在高速钢等硬质合金或陶瓷基体上，Ti‑Al‑Ru‑N硬质纳米结构薄膜的厚度为2~3μm。这种硬质涂层能够获得27.68GPa的高硬度，兼具优异的摩擦磨损性能，室温干切削实验下，其摩擦系数为0.4521。

技术领域

本发明涉及一种涂层及其制备方法，尤其涉及基于陶瓷基片表面制备Ti-Al-Ru-N纳米硬质薄膜的方法。

背景技术

随着当代制造业的进步，材料的加工变得愈发困难。高速切削、干式切削等制造业的技术进步, 对涂层在极端服役条件下的切削性能提出了如“高速高温”、“高精度”、“高可靠性”、“长寿命”等更高的服役要求，除了要求涂层具有普通切削刀具涂层应有优良的摩擦磨损性能外，更需要涂层具有的高硬度、优异的高温抗氧化性。对于极端服役条件下如干式加工，难加工材料如硬质工具钢等的机加工仍然是一个挑战。与当代加工制造业所要求的理想高硬度减磨耐磨涂层相比，此类硬质涂层的摩擦磨损性能仍有差距。目前生产上急需一种能够兼具高硬度和优良摩擦磨损性能的工具涂层。

TiN薄膜具有高硬度和低摩擦系数等特点,但单一的TiN薄膜高温抗氧化性能、抗扩散能力以及耐磨性不足，并且存在韧性较差、与基体结合力不够理想等缺点，促使人们发展了成分更复杂、性能更佳的薄膜。有研究表明，在薄膜中引入适量的Al能够提高薄膜的硬度和热稳定性能。例如TiN涂层的硬度约为23GPa，500℃左右便出现了一定程度的氧化现象；而TiAlN涂层硬度较之有所升高，且其抗氧化性能在1000℃以上。Al的这种作用在CrAlN、ZrAlN等薄膜中也有所体现。Ru为一种硬而脆的稀有金属元素，其性质稳定，耐腐蚀性强，可用于航空航天领域作为保护层，亦在电子电器工业上被用作阳极涂层使用。科研人员曾通过TiN为母体，引入多种其他元素以改良其性能，然而在其中加入Ru元素的报道却寥寥无几。因此我们尝试制备了Ti-Al-Ru-N薄膜，相信Ru的加入能够改善TiAlN薄膜的相关性能。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供基于陶瓷基片表面制备Ti-Al-Ru-N纳米硬质薄膜的方法，本发明克服了现有TiN薄膜高温抗氧化性能、耐磨性不足等缺点，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。

本发明的技术思路是：本发明的Ti-Al-Ru-N硬质纳米结构薄膜由Ti-Al-Ru-N固溶体及弥散分布的单质Ru构成。采用高纯Ti靶，Al靶和Ru靶共焦射频反应溅射，沉积在高速钢等硬质合金或陶瓷基体上，Ti-Al -Ru-N硬质纳米结构薄膜的厚度为2~3μm。这种硬质涂层能够获得27.68GPa的高硬度，兼具优异的摩擦磨损性能，室温干切削实验下，其摩擦系数为0.4521。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于陶瓷基片表面制备Ti-Al-Ru-N纳米硬质薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤一：对陶瓷基片作镜面处理，并置于复合型高真空多靶磁控溅射设备的镀膜舱内，镀膜舱内预先设定好Ti靶、Al靶和Ru靶的位置，硬质合金或陶瓷基片表面基片到Ti靶、Al靶和Ru靶的距离固定在11cm；

步骤二：对复合型高真空多靶磁控溅射设备的镀膜舱进行抽真空操作，真空室本底真空度优于6.0×10^-4Pa后向真空室中通入纯度为99.999%的Ar₂和N₂起弧；

步骤三：在沉积薄膜之前通过挡板隔离硬质合金或陶瓷基片表面基片与离子区；

步骤四：挡板隔离好后，先开启Ti靶、Al靶和Ru靶，各靶进行10min预溅射以除去靶材表面的氧化物杂质，其中纯度为99.999%的N₂作为反应气体进行沉积；